Результат интеллектуальной деятельности: Способ формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узла трения

Изобретение относится к способам формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения, изготовленных из материалов на основе железа, и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, металлургии, строительстве, автомобильном и железнодорожном транспорте, полиграфии, пищевой промышленности и др.

Для тяжелонагруженных узлов трения в большинстве случаев одновременно применяют технологии сухих слоистых смазок и технологии упрочнения (модификации) поверхностного слоя. Такие технологии модификации поверхностного слоя, как химико-термическая обработка, включающая насыщение поверхности некоторыми элементами периодической системы, например азотирование, цементация, требуют дополнительных длительных технологических операций в процессе изготовления деталей. Этого недостатка лишены технологии применения геомодификаторов трения на основе минерального сырья.

Известно, что в складчатых, геосинклинальных областях земной коры так называемые серпентинитовые пояса выполняют буферную роль своего рода «твердых смазок», обеспечивающих пластичное перемещение смежных жестких платформ и плит относительно друг друга в периоды глубинных тектонических подвижек. Существует ряд технических решений, согласно которым в качестве наполнителя твердосмазочных композиций используются слоистые природные гидросиликаты: серпентинит, тальк, серпентин, нефрит, доломит и другие. Наличие порошка указанных соединений в смазочной композиции при определенных условиях ее изготовления и введения между трущимися поверхностями и их приработки приводит к образованию на трущихся металлических поверхностях защитной пленки, существенно уменьшающей их износ.

Известен способ модификации железосодержащих поверхностей узлов трения, включающий подачу в зону обработки поверхностей трения предварительно приготовленной смеси дисперсных частиц минералов в виде α-хризотила, ортохризотила, лизардита ленточного, доломита, графита, шунгита, катализатора и поверхностно-активного вещества (ПАВ) (RU, патент №2201998, С23С 24/02, 2001). Дисперсность частиц минеральных компонентов и катализатора составляет 1-30 мкм, а расход смеси - 0,0015-0,003 г/см².

Недостатком данного способа является низкая эффективность восстановления, в частности, комбинированных узлов трения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ модификации железосодержащих поверхностей трения, включающий подачу в зону обработки поверхностей трения предварительно приготовленной технологической среды, содержащей углеводородный носитель и 0,008-0,03 мас.% предварительно измельченной смеси минералов α-хризотила, ортохризотила, лизардита ленточного, доломита, катализатора и поверхностно-активного вещества (ПАВ) (RU, патент №2201999, С23С 24/02, 2001).

Недостатком данного способа является низкая эффективность технологического процесса из-за образования нестабильного модифицированного антифрикционного слоя, обязательное присутствие дорогостоящего катализатора, присутствие ПАВ, что приводит к загрязнению горючесмазочных веществ.

Предлагаемым изобретением решается задача образования стабильного модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения, изготовленных из материалов на основе железа. Техническим результатом является повышение эффективности технологического процесса за счет образования стабильного модифицированного антифрикционного слоя, содержащего интерметаллические соединения высокой твердости, не взаимодействующего с углеводородными материалами, и повышение срока службы машин и механизмов с узлами трения за счет увеличения износостойкости модифицированных поверхностей.

Технический результат достигается в способе формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения, включающем предварительное определение параметров шероховатости Rz_i рабочих поверхностей узла трения, подачу предварительно приготовленной смеси термообработанного и нетермообработанного порошка серпентина в зону трения, проведение притирки рабочих поверхностей узлов трения, при этом термообработке при температуре 1200-1300°С подвергают 10-50% порошка серпентина от его общего количества с последующим его охлаждением и смешиванием с оставшимся количеством нетермообработанного порошка серпентина, причем расход смеси порошка серпентина составляет 0,003-0,02 г/см², а размер частиц порошка серпентина составляет не более 2 Rz_мax, где Rz_мax - максимальный параметр шероховатости рабочей поверхности узла трения.

Отличительными признаками предлагаемого способа формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения являются использование смеси термообработанного и нетермообработанного порошка серпентина, предварительное определение параметров шероховатости Rz_i рабочих поверхностей узла трения, термообработка при температуре 1200-1300°С 10-50% от общего количества порошка серпентина с последующим его охлаждением и смешиванием с оставшимся количеством нетермообработанного порошка серпентина, расход смеси порошка серпентина и размер частиц серпентина.

В зоне трения порошок серпентина взаимодействует с поверхностью металлов и модифицирует ее. При этом происходит сглаживание микронеровностей, на поверхности образуется модифицированный антифрикционный слой, содержащий интерметаллические соединения высокой твердости. В результате чего улучшаются триботехнические характеристики узлов трения: наблюдается увеличение износостойкости трибосопряжений, снижение шероховатости поверхностей контактирующих тел, уменьшение коэффициента трения, что в итоге приводит к снижению потерь энергии или топлива, увеличению ресурса технических объектов, снижению затрат на ремонт и техническое обслуживание, снижению шума и вибрации.

Следует отметить, что при обычном трении детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01-0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей, в результате чего участки фактического контакта испытывают весьма высокие напряжения, что приводит их к взаимному внедрению, пластической деформации и, следовательно, к интенсивному изнашиванию и локальному повышению температуры. При попадании частиц геомодификаторов на поверхности трения, работающие в условиях повышенных давления и температуры, происходят окислительно-восстановительные реакции и реакции замещения, в результате которых в местах трения и контакта с поверхностных слоем металлов образуется модифицированный слой. Поскольку кристаллы модифицированного слоя имеют в 50-60 раз более объемную кристаллическую решетку, чем кристаллы металла изношенной поверхности, они в общей массе приподнимаются над поверхностью контакта, компенсируя таким образом износ металла и реализуя ремонт и восстановление изношенных в процессе эксплуатации поверхностей.

Использование смеси термообработанного и нетермообработанного порошка серпентина позволяет повысить твердость модифицированного антифрикционного слоя, содержащего интерметаллические соединения высокой твердости, и существенно уменьшить размеры микронеровностей. Присутствующие необходимые структурные составляющие (клиноэнстатит и форстерит) в термообработанной части порошка серпентина служат зародышами зон модификации слоя. Частицы нетермообработанного порошка серпентина способствуют локальному нагреву за счет выделения внутренней энергии при их деформации и разрушении, что, в свою очередь, способствует полному превращению серпентина и более полному формированию модифицированного антифрикционного слоя без заметного увеличения времени.

При введении порошков серпентина в зоны трения на рабочих поверхностях узлов трения образуется модифицированный антифрикционный слой, содержащий интерметаллические соединения высокой твердости. Твердые фракции порошка, попадая в тонкие зазоры между поверхностями трения, производят их микрошлифовку. Процесс сопровождается сильным разогревом поверхностей, которому способствует выделение внутренней энергии при деформации и разрушении частиц порошка серпентина. Высокие температуры размягчают поверхности трения вплоть до их перехода в пластическое состояние. В размягченные слои внедряются твердые частицы минералов, образуется композит "металл-минералы". Этот слой имеет очень хорошие противоизносные свойства и низкий коэффициент трения, чем обеспечивается резкое замедление скорости износа и, следовательно, продление ресурса деталей пар трения.

Превращение серпентина как неустойчивой системы в устойчивую при нагреве происходит последовательно, ступенями. На первой ступени в области 620-650°С образуется дегидратированный рентгеноаморфный серпентин 3MgO⋅2SiO₂, названный метасерпентином. На второй ступени при температурах 650-1000°С кристаллическая решетка метасерпентина сначала перестраивается преимущественно в решетку форстерита 2MgO₂⋅SiO₂, а затем и клиноэнстатита MgO⋅2SiO₂. На третьей ступени в интервале температур 1000-1300°С происходит преимущественно перестройка кристаллической решетки метасерпентина в решетку клиноэнстатита. В области температур 1200-1300°С метаморфные превращения прекращаются, и структура порошка становится стабильной, устойчивой к температурным колебаниям при трении. При этом твердость порошка возрастает (до 6,5 по Моосу). За счет внедрения в поверхность основного материала узлов трения термообработанных частиц образуются энергетически активные ювенильные поверхности, которые свободны от окислов, что обеспечивает большую связь термообработанных частиц порошка с основным материалом. В результате чего на рабочих поверхностях узлов трения образуется стабильный модифицированный антифрикционный слой.

Таким образом, при использовании смеси термообработанного и нетермообработанного порошка серпентина образовавшийся в результате воздействия на него температуры трения скольжения на поверхности трущейся пары модифицированный слой будет состоять из клиноэнстатита и форстерита, находящихся в кристаллическом состоянии. Устойчивое состояние модифицированного слоя возникает при температуре трения скольжения 1200-1300°С, соответствующей температуре термообработки порошка серпентина, при которой происходит полное протекание полиморфных процессов в исходном порошке серпентина. В результате в процессе дальнейшей эксплуатации этот слой становится независимым от возможных колебаний температур трения и, как следствие этого, приобретает стабильно высокие триботехнические свойства.

Выбранная температура 1200-1300°С термообработки части порошка серпентина является оптимальной для обеспечения полного протекания полиморфных процессов в соответствии с диаграммой равновесия. При температурах термообработки ниже 1200°С процесс протекания превращений идет не полностью и может препятствовать формированию стабильного модифицированного слоя. При температуре термообработки выше 1300°С не проходят требуемые полиморфные превращения.

Выбранное количество порошка серпентина 10-50% от общего количества порошка, которое подвергают термообработке, является оптимальным для формирования модифицированного слоя. При количестве порошка серпентина, подвергнутого термообработке, менее 10% и более 50% от общего количества процесс модификации поверхности затягивается во времени и приводит к формированию слоя, обладающего нестабильными антифрикционными свойствами.

Расход смеси порошка серпентина, равный 0,003-0,02 г/см², является оптимальным для создания модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения. При расходе смеси менее 0,003 г/см² возникновение модифицированного антифрикционного слоя не происходит. При расходе смеси более 0,010 г/см² скорость образования модифицированного антифрикционного слоя будет уменьшаться, что уменьшает эффективность процесса.

Выбранный размер частиц серпентина, который составляет не более 2Rz_мax, где Rz_мax - максимальный параметр шероховатости рабочей поверхности узла трения, является оптимальным. Частицы порошка серпентина размером не более 2Rz поступают в зазор между трущимися поверхностями с учетом величин микровыступов и микровпадин и деформируются. Их деформация сопровождается выделением максимально возможного количества тепла, повышая температуру в очаге трения.

Способ формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения осуществляется следующим образом.

Предварительно определяют параметры шероховатости Rz_i рабочих поверхностей узла трения. 10-50% от общего количества порошка серпентина подвергают термообработке при температуре 1200-1300°С. После чего порошок серпентина охлаждают и смешивают с оставшимся количеством. Приготовленную смесь термообработанного и нетермообработанного порошка серпентина подают в зону трения. Проводят притирку рабочих поверхностей узлов трения. Расход смеси порошка серпентина составляет 0,003-0,02 г/см², а размер частиц серпентина составляет не более 2Rz_мax, где Rz_мax - максимальный параметр шероховатости рабочей поверхности узла трения.

Конкретный пример осуществления способа формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов

Десять стальных образцов узлов трения с цилиндрической поверхностью трения были обработаны по 5 классу шероховатости поверхности. Затем были определены значения параметров шероховатости Rz_i рабочих поверхностей узла трения. Rz_max не превышало 20 мкм.

Порошок серпентина, прошедший через сито, был подвержен очистке от магнитных примесей методом магнитной сепарации. Далее порошок был разделен на две части, одна из которых составляла 10-50% по массе. Эта часть порошка была подвержена термообработке в муфельной печи в керамической посуде при температуре 1280°C с выдержкой 30 минут с последующим охлаждением на воздухе. Термообработанная часть порошка серпентина была смешана с нетермообработанной. Эта порошковая смесь малыми частями подавалась в зазор между рабочими поверхностями изготовленных образцов узлов трения. Изготовленные образцы подвергли притирке на универсальной машине трения МТУ-01 с одинаковым усилием прижима 0,35 кН при частоте вращения контртела - 280 мин^-1. Суммарный расход порошка составлял не более 0,01 г на один квадратный сантиметр рабочей поверхности.

Серпентин при температурах трения скольжения претерпевает изменения. Процесс ступенчатого термического превращения неустойчивой системы порошка серпентина в интервале температур трения скольжения в устойчивую происходит последовательно, ступенями.

После притирки провели измерение микротвердости поверхностного слоя образцов с использованием электронного твердомера ТЭМП-4. Для каждого образца определили среднюю микротвердость по очагу трения и стандартное отклонение микротвердости, по которому судили о стабильности процесса.

Полученные результаты показали, что на рабочих поверхностях сформировался устойчивый модифицированный слой, обладающий твердостью до 10% более высокой, чем исходная поверхность. При этом стандартное отклонение коэффициента трения и микротвердости модифицированного слоя существенно ниже, чем для других известных способов модификации, что свидетельствует о более высокой равномерности и стабильности антифрикционных свойств сформированного модифицированного слоя.

Предлагаемый способ формирования модифицированного антифрикционного слоя на рабочих поверхностях узлов трения позволяет повысить эффективность технологического процесса, снизить коэффициент трения железосодержащих поверхностей узлов трения, повысить износостойкость модифицированных поверхностей. Узлы трения, модифицированные по предлагаемому способу, в особенности высоконагруженные, могут эффективно эксплуатироваться в условиях сухого и граничного трения.