close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12982

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.04.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 23C 28/00
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ
УЗЛА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20081384
(22) 2008.11.03
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Белоцерковский Марат Артемович; Жорник Виктор Иванович;
Кукареко Владимир Аркадьевич;
Камко Александр Иванович; Прядко
Александр Сергеевич; Заболоцкий
Михаил Михайлович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
BY 12982 C1 2010.04.30
BY (11) 12982
(13) C1
(19)
(56) КАМКО А.И. Вестник ГГТУ им. П.О.Сухого. Машиностроение и машиноведение. Энергетика. - 2007. - № 3. - C. 6674.
ВИТЯЗЬ П.А. и др. Трение и износ,
2006. - Т. 27. - № 1. - C. 61-68.
ИЛЬЮЩЕНКО А.Ф. и др. Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий
машиностроения: Сб. научн. трудов.
Технопринт, ПГУ, 2001. - C. 166-170.
BY 9422 C1, 2007.
RU 2049108 C1, 1995.
RU 2204623 C1, 2003.
SU 1770350 A1, 1992.
(57)
Способ изготовления детали узла трения скольжения, включающий изготовление заготовки из черного металла, формирование на ее рабочей поверхности покрытия, механическую обработку, нанесение на покрытие слоя смазки, содержащей ультрадисперный
порошок шихты алмазосодержащей "ША", и приработку в узле трения, отличающийся
тем, что покрытие формируют путем нагрева и распыления проволоки из стали мартенситного или аустенитного классов, причем нагрев и распыление проволоки из стали мартенситного класса осуществляют факелом газокислородного пламени, а проволоку из
стали аустенитного класса нагревают электрической дугой и распыляют потоком продуктов сгорания пропановоздушной смеси, движущимся со сверхзвуковой скоростью, в качестве смазки используют жидкое масло с кинематической вязкостью не более 50·10-6 м2/с, а
приработку в узле трения осуществляют при удельной нагрузке 32-40 МПа и скорости
скольжения 0,2-1,0 м/с.
Изобретение относится к технологии изготовления деталей узлов трения скольжения с
применением методов газотермического нанесения покрытий и, в частности, деталей узлов трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных удельных нагрузках. Может быть использовано при изготовлении элементов подшипников и опор скольжения,
сферических и цилиндрических сочленений, применяемых в металлургической промышленности, автомобилестроении, сельхозмашиностроении, станкостроении.
BY 12982 C1 2010.04.30
Одним из наиболее эффективных путей решения задачи повышения ресурса и улучшения работоспособности пар трения скольжения, эксплуатирующихся при повышенных
удельных нагрузках, является использование композиционных пластичных смазок в сочетании с технологиями, обеспечивающими формирование металлических покрытий толщиной 0,05-0,5 мм методами газотермического напыления порошковых или проволочных
материалов [1, 2]. Покрытия из цветных металлов и низколегированных сталей, которые,
как правило, мягче стальных или чугунных деталей, позволяют сравнительно легко обеспечить правило положительного градиента, согласно которому процесс деформирования
отдельных, наиболее нагруженных участков поверхностей трения должен проходить
только в поверхностных слоях, не вовлекая в деформацию нижерасположенные слои. В
этом случае контурные давления, возникающие в подвижном сопряжении, будут восприниматься жестким основанием. Нормальные напряжения, возникающие в зонах фактического контакта, также частично будут восприниматься более жестким основанием,
поэтому глубина внедрения микронеровностей поверхностей более жесткого элемента узла трения и деформационная составляющая силы трения будут меньше, чем при использовании более толстых покрытий. Площадь фактического контакта при использовании
покрытий толщиной до 1 мм будет меньше, чем при использовании относительно толстых
(1 мм и более). Кроме того, слой относительно мягкого покрытия позволяет улучшить
прирабатываемость деталей пар трения и способствует образованию в процессе трения
адаптационных, субмикроскопических поверхностных пленок, обладающих повышенной
адсорбционной способностью к смазочным материалам.
Известен способ изготовления деталей узлов трения скольжения [3, 4], заключающийся в изготовлении заготовок из черных металлов, формировании на их рабочей поверхности покрытия толщиной до 100 мкм из цветных металлов или железа методом
электрохимического осаждения, последующем нанесении на покрытие слоя пластичной
смазки и приработке в узле трения. Недостатком известного способа является большая
длительность приработки, малая величина прочности сцепления электроосажденных покрытий (менее 10 МПа), их низкая смазкоудерживающая способность, невозможность использования в тяжелонагруженных узлах трения (60-100 МПа).
Известен способ получения деталей узлов трения скольжения [5], включающий изготовление заготовок из черных металлов, формирование на их рабочей поверхности покрытия путем подачи материала покрытия в виде шнура, состоящего из композиционной
порошковой шихты и полимерной оболочки, в высокотемпературную зону факела пламени, образованного горением углеводородного газа в кислороде, нагрев шнура до плавления оболочки и металлических компонентов шихты, распыление струей воздуха,
осаждение порошковых частиц в виде слоя на предварительно подготовленную поверхность детали, механическую обработку слоя, последующее нанесение на покрытие слоя
пластичной смазки с наполнителем и приработку в узле трения.
Данный метод можно использовать для изготовления тяжелонагруженных деталей узлов трения, однако его широкое применение сдерживается необходимостью использования для формирования покрытия дорогостоящего гибкого шнура (стоимость 50…90 долл.
США за 1 кг). При изготовлении или упрочнении-восстановлении деталей стоимостью
15…30 долл. США применение данного способа нерационально.
Известен способ изготовления детали узла трения скольжения [6], заключающийся в
формировании на рабочей поверхности заготовки из черных металлов покрытия из цветного металла методом деформационного плакирования гибким инструментом с последующим нанесением слоя смазки и приработкой в узле трения. На первом этапе процесса
деформационного плакирования гибким инструментом (металлической щеткой) осуществляется наклеп поверхности детали, вызывающий остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое на глубину, зависящую от конструкции щетки, технологических
режимов обработки и состояния исходной поверхности материала основы. На последую2
BY 12982 C1 2010.04.30
щих этапах формируется покрытие, также имеющее напряжения сжатия и обладающее
адгезией к детали около 10 МПа.
Недостатками известного способа являются большая продолжительность процесса
приработки (от 30 мин до 2 часов), недостаточно высокая прочность сцепления покрытий
с основой, относительно низкие антифрикционные свойства (износостойкость и коэффициент трения fтр). Так, значения fтр при нагрузках 10-20 МПа в присутствии пластичной
смазки составляют не менее 0,10, а при удельных нагрузках свыше 20 МПа составляют
0,12-0,13.
Эти недостатки в значительной степени устранены в способе получения детали узла
трения скольжения [7], являющемся наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению. Способ включает изготовление заготовки из черных металлов, механическую обработку и формирование на ее рабочей поверхности покрытия из цветного
металла методом деформационного плакирования гибким инструментом, нанесение на
покрытие слоя пластичной смазки, содержащей ультрадисперсный порошок шихты алмазосодержащей "ША" (ТУ РБ 100056180.003-2003) в количестве 0,5-1,5 мас. %, и приработку в узле трения при нагрузке 20-30 МПа и скорости скольжения 0,1-0,15 м/с.
В процессе приработки со смазкой, модифицированной "ША", в поверхностном слое
покрытия из цветного металла формируется наноразмерная субструктура, характеризующаяся размером субзерен ≤100 нм. Образование в поверхностях трения наноразмерной
субзеренной структуры вследствие присущих ей чрезвычайно высоких пластических
свойств приводит к эффективному поглощению энергии фрикционного взаимодействия
при трении и облегчает приработку контактирующего сопряжения. Процесс фрикционного модифицирования, сопровождающийся измельчением формирующейся в поверхностях
трения субзеренной структуры, обусловливает повышенные триботехнические свойства
деталей узлов трения скольжения и в их дальнейшей эксплуатации.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является невозможность его
использования в тяжелонагруженных узлах трения, поскольку интенсивность изнашивания и коэффициент трения начинают резко возрастать при нагрузках свыше 32-35 МПа, а
при нагрузках более 40 МПа детали выходят из строя в результате катастрофического износа. Помимо того, покрытия имеют относительно низкую твердость (не более HV = 400),
что также ограничивает их применение, особенно при наличии в узлах трения абразивных
частиц.
Задачей изобретения является повышение качества деталей узлов трения путем повышения твердости, стойкости к задиру их рабочих поверхностей, снижения коэффициента
трения и повышения износостойкости при эксплуатации в условиях высоких удельных
нагрузок.
Для решения поставленной задачи в способе изготовления детали узла трения скольжения, включающем изготовление заготовки из черного металла, формирование на ее рабочей поверхности покрытия, механическую обработку, нанесение на покрытие слоя
смазки, содержащей ультрадисперсный порошок шихты алмазосодержащей "ША", и приработку в узле трения, согласно изобретению, покрытие формируют путем нагрева и распыления проволоки материала из стали мартенситного или аустенитного классов, причем
нагрев и распыление проволоки из стали мартенситного класса осуществляют факелом
газокислородного пламени, проволоку из стали аустенитного класса нагревают электрической дугой и распыляют потоком продуктов сгорания пропановоздушной смеси, движущимся со сверхзвуковой скоростью, в качестве смазки используют жидкое масло с
кинематической вязкостью не более 50⋅10-6 м2/с, а приработку в узле трения осуществляют при удельной нагрузке 32-40 МПа и скорости скольжения 0,2-1,0 м/с.
Повышенная задиростойкость трибосопряжения, содержащего деталь с нанесенным
распылением стальной легированной проволоки покрытием, обеспечивается, в первую
очередь, пластичностью покрытия в начальный период трения для ускорения процесса
3
BY 12982 C1 2010.04.30
приработки и, в ходе дальнейшей работы узла, высокой износостойкостью, твердостью,
адгезией к жидким смазкам. Это возможно только в том случае, когда в сталях сформирована двухфазная структура, содержащая метастабильный аустенит, имеющий твердость
200-300 HV, а также имеется определенное количество оксидов.
Авторами экспериментально установлено, что для обеспечения формирования в
структуре стального напыленного покрытия метастабильного аустенита, имеющего низкую температуру протекания деформационного γ→α превращения, соответствующую
температурам эксплуатации узлов трения скольжения (270-320 К), необходимо покрытия
из проволочных сталей мартенситного класса нагревать и распылять струей газокислородного факела, то есть использовать метод газопламенного проволочного напыления. Для получения того же эффекта при нанесении покрытий из проволочных сталей аустенитного класса необходимо использовать плавление в электрической дуге и распылять
сверхзвуковым потоком продуктов сгорания пропановоздушной смеси (метод активированной или гиперзвуковой металлизации).
В процессе приработки вследствие интенсивной пластической деформации метастабильный аустенит трансформируется в износостойкий и твердый мартенсит
(HV = 700…800) за счет протекания деформационного γ→α превращения [8].
Газопламенное распыление проволок приводит к формированию слоя с относительно низким уровнем твердости, обусловленным малой концентрацией окислов, относительно невысоким содержанием остаточного аустенита при использовании проволок из
сталей аустенитного класса и очень высоким содержанием остаточного аустенита
(Vγ = 30…50 об. %) при распылении проволок мартенситного класса. Одной из наиболее
вероятных причин появления "аустенитного эффекта" в покрытиях из сталей мартенситного класса является относительно более высокая концентрация в них легирующих элементов (хрома и углерода) за счет полного растворения карбидов хрома при расплавлении
проволоки и насыщения капель расплава углеродом из пламени газопламенного факела.
Об этом, в частности, свидетельствует отсутствие в покрытии частиц карбидов Cr23C6.
Меньшее количество аустенита в покрытиях, полученных гиперзвуковой электрометаллизацией из сталей мартенситного класса, обусловлено существенно более высокой
скоростью полета расплавленных частиц, характерной для данного способа напыления (за
счет использования реактивной струи продуктов сгорания пропановоздушной смеси, движущейся со сверхзвуковой скоростью). Процессы диффузионного насыщения капель расплава углеродом из восстановительной атмосферы продуктов сгорания пропановоздушной смеси пройти не успевают (время пролета расплавленных капель в атмосфере
продуктов сгорания не более 5⋅10-4 с), и содержание остаточного аустенита в слое снижается. При гиперзвуковой металлизации сталями аустенитного класса происходит интенсивное окисление распыленных частиц, поскольку их температура после вылета из зоны
электрической дуги составляет более 2500 К. При окислении резко уменьшается содержание хрома или марганца в аустенитной фазе и температура начала мартенситного превращения повышается до температур, позволяющих реализовать процесс деформационного
γ→α превращения.
Повышенная задиростойкость трибосопряжения, содержащего элемент трения с покрытием, полученным гиперзвуковой металлизацией из стали аустенитного класса (например, сталь Х18Н10Т), обусловлена помимо деформации аустенита в мартенсит также и
относительно более высоким уровнем прочностных свойств металлизационного покрытия
(HV = 3250 МПа), что связано с большой концентрацией содержащихся в покрытии оксидов.
Как показали исследования, проведенные авторами, при использовании режимов приработки, указанных в способе-прототипе, в стальных покрытиях добавка модификаторов и
использование пластичных смазок не приводят к улучшению триботехнических характеристик сопряжений и не происходит формирование ячеистой наноразмерной структуры.
4
BY 12982 C1 2010.04.30
Эксперименты показали, что для того, чтобы добавленный в смазку наноразмерный алмазографитовый модификатор обеспечил интенсификацию процесса приработки фрикционного сопряжения, необходимо им заполнить поры напыленных покрытий. Это условие
возможно реализовать только при использовании жидких смазок с кинематической вязкостью не более 50⋅10-6 м2/с.
Давление в гидродинамическом клине, возникающем в слое смазки в процессе приработки сопряжения, способствует заполнению пор газотермических покрытий жидкой
смазкой, содержащей наноразмерный наполнитель. Учитывая, что пористость стальных
покрытий, полученных распылением проволочных материалов газопламенным методом,
составляет 8-12 %, а полученных гиперзвуковой металлизацией - не более 6 %, удельное
давление и скорость относительного скольжения в ходе приработки должны быть значительными.
Экспериментальные исследования процесса заполнения пор напыленных покрытий
жидкой смазкой с наноразмерным наполнителем осуществлялась на стенде для гидродинамической пропитки полых пористых изделий. Покрытия получали распылением проволок из сталей мартенситного класса (сталь 40X13) на установке проволочной
термораспылительной "Терко" и проволок из сталей аустенитного класса (сталь
12Х18Н10Т) на установке для гиперзвуковой металлизации типа АДМ. Сегмент с напыленным покрытием закреплялся в пазу полости стальной втулки. Втулка помещалась в
емкость с пропитывающим составом (жидкая смазка + шихта алмазосодержащая "ША"), в
котором располагалось устройство для прижима втулки к вращающемуся валу. Усилие
прижима (удельное давление) регулировалось ходом болта, поджимающего через полиуретановую прокладку втулку к валу. Тарировка прижимного устройства проводилась на
приборе МИП-100. Точность измерения усилия прижима - 0,5 Н. Вал вращался с помощью асинхронного двигателя A31, скорость вращения регулировалась изменением напряжения, подаваемого в обмотку статора. Скорость вращения вала регистрировалась с
помощью герконового датчика МК-10-3, закрепленного во втулке, и магнита из сплава
SmCo5, заделанного в вал. Регистрация импульсов от датчика осуществлялась осциллографом H120. Определение масловпитываемости осуществлялось с использованием аналитических весов, и результат оценивался по заполнению пор в процентах (табл. 1).
Анализ результатов, приведенных в табл. 1, показывает, что наиболее благоприятные условия для заполнения пор покрытий смазкой создаются в следующих случаях: кинематическая вязкость не более 50⋅10-6 м2/с; удельная нагрузка не менее 32 МПа; скорость
скольжения не менее 0,2 м/с.
Триботехнические характеристики образцов с покрытиями в процессе приработки
(табл. 2) и в ходе последующих испытаний (табл. 3) исследовались на трибометре типа
АТВП.
Таблица 1
Результаты изучения процесса пропитки покрытий жидкими смазками,
содержащими наноразмерный наполнитель
Материал по- Вязкость смаз- Удельная на№ п/п
Скорость, м/с Заполнение пор, %
крытия
ки, 10-6м2/с
грузка, МПа
1
12Х18Н10Т
20
40
0,4
80-85
2
12Х18Н10Т
30
40
0,4
75-80
3
12Х18Н10Т
40
40
0,4
65-70
4
12Х18Н10Т
50
40
0,4
60-65
5
12Х18Н10Т
60
40
0,4
40-50
6
40X13
70
40
0,4
25-30
7
40X13
20
30
0,4
50-55
8
40X13
20
31
0,4
50-55
5
BY 12982 C1 2010.04.30
Продолжение таблицы 1
№ п/п
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Материал по- Вязкость смаз- Удельная наСкорость, м/с Заполнение пор, %
крытия
ки, 10-6м2/с
грузка, МПа
40X13
20
32
0,4
60-65
40X13
20
33
0,4
70-75
12Х18Н10Т
20
35
0,4
80-85
40X13
30
40
0,4
80-85
40X13
30
45
0,4
80-85
40X13
30
29
0,4
40-45
40X13
30
35
0,05
40-45
40X13
30
35
0,1
50-55
40X13
30
35
0,3
70-75
12Х18Н10Т
30
35
0,5
80-85
Таблица 2
Интенсивность изнашивания стальных покрытий в процессе приработки
Скорость
Интенсивность изнашиМатериал покры- Нагрузка прира№ п/п
скольжения при
вания в процессе прития
ботки
приработке
работки, мкм/км
1
12Х18Н10Т
35
0,4
0,2
2
12Х18Н10Т
35
0,8
0,4
3
12Х18Н10Т
35
0,9
0,5
4
12Х18Н10Т
35
1,0
0,5
5
40X13
35
1,1
0,9
6
40X13
35
1,2
1,1
7
40X13
37
0,4
0,2
8
40X13
38
0,4
0,4
9
40X13
39
0,4
0,4
10
12Х18Н10Т
40
0,4
0,5
11
12Х18Н10Т
41
0,4
0,7
12
12Х18Н10Т
42
0,4
0,9
Полученные результаты показывают, что скорость скольжения в процессе приработки
не должна превышать 1,0 м/с, а удельная нагрузка должна быть не более 40 МПа.
Триботехнические испытания приработанных покрытий (режимы приработки: удельная нагрузка 35 МПа, скорость скольжения 0,4 м/с, смазка И-20А + "ША") осуществлялись при удельной нагрузке 50-100 МПа и скорости скольжения 0,25 м/с в среде смазки И45. Результаты приведены в табл. 3.
Таблица 3
Триботехнические свойства стальных приработанных покрытий
Интенсивность изнашивания, мкм/км
Удельная
Материал
Приработаны в среде
Приработаны в среде
№ п/п
нагрузка,
покрытия
смазки И-20А + шихта
смазки И-20А без модиМПа
алмазосодержащая "ША"
фикатора
1
12Х18Н10Т
50
0,90
4,75
2
12Х18Н10Т
60
0,95
катастрофический износ
3
12Х18Н10Т
70
0,95
4
12Х18Н10Т
80
1,0
5
12Х18Н10Т
90
1,05
6
BY 12982 C1 2010.04.30
№ п/п
Материал
покрытия
Удельная
нагрузка,
МПа
6
7
8
9
10
11
12
12Х18Н10Т
40X13
40X13
40X13
40X13
40X13
40X13
100
50
60
70
80
90
100
Продолжение таблицы 3
Интенсивность изнашивания, мкм/км
Приработаны в среде
Приработаны в среде
смазки И-20А + шихта
смазки И-20А без модиалмазосодержащая "ША"
фикатора
1,10
0,70
3,45
0,75
6,15
0,80
катастрофический износ
0,80
0,90
0,95
-
В ходе триботехнических испытаний установлено, что стальные покрытия, приработанные в среде смазки с алмазосодержащим наноразмерным наполнителем "ША", обладают достаточно высокой износостойкостью в диапазоне удельных нагрузок 50-100 МПа,
в то время как покрытия, не прошедшие приработку в смазке с модификатором, оказались
практически непригодными для эксплуатации при удельных нагрузках свыше 60 МПа.
Пример реализации способа
Согласно заявляемому способу были изготовлены три штока редуктора мотор-колеса
карьерного самосвала "БелАЗ", грузоподъемностью 120 т, эксплуатирующиеся в паре с
кольцом подманжетным (№ 75191-3104/14-22). Покрытия наносили на установке для гиперзвуковой металлизации АДМ-10 распылением проволоки из стали 12Х18Н10Т. После
механической обработки пары трения "шток-кольцо подманжетное" прирабатывали на
испытательном стенде ОГК ПО "БелАЗ" в смазке И-20А (кинематическая вязкость 22⋅10-6 м2/с), содержащей шихту алмазосодержащую "ША" в количестве 0,9 % мас. % при
удельной нагрузке 36 МПа и скорости скольжения 0,25 м/с. Длительность процесса приработки - 0,25 ч. По окончании приработки нагрузку увеличили до значений 90-110 МПа и
осуществляли дальнейшее испытание пар трения. В ходе испытаний контролировалось
состояние поверхностей трения штоков и осуществлялись замеры линейного износа, используя метод искусственных баз. Все три штока успешно выдержали стендовые испытания, длившиеся в течение 200 ч.
Изготовленный согласно способу-прототипу шток (нанесение слоя меди деформационным плакированием, приработка при удельной нагрузке 30 МПа в смазке "ИТМОЛ" с
наноразмерным порошком "ША") проработал до наступления катастрофического износа
не более 6 ч.
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить триботехнические характеристики рабочих поверхностей деталей узлов трения скольжения, эксплуатирующихся при
высоких удельных нагрузках.
Источники информации:
1. Hocking M.G., Vasantasree V., Sidky P.S. Metallic and Ceramic Coatings. - Longman
Group UK Ltd. - London, 1989.
2. Белоцерковский М.А. Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий. - Минск: Технопринт, 2004.
3. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. И.В. Крагельского. - М.: Машиностроение, 1979. - С. 197.
4. GB 2313163 А1, 1997.
5. Затока А.Е. Газотермическое напыление и наплавка с использованием гибких шнуровых материалов. Пленки и покрытия - 98. - С.-Петербург, 1998. - С. 218-224.
7
BY 12982 C1 2010.04.30
6. Леванцевич М.А., Максимченко Н.Н., Зольников В.Г. Повышение эксплуатационных свойств трибосопряжений нанесением покрытий металлическими щетками // Весцi
НАН Беларусi. - 2005. - № 1. - С. 67-72.
7. Камко А.И. Технология формирования антифрикционных слоев на рабочих поверхностях шарнирных сопряжений // Вестник Гомельского государственного технического
университета им. П.О. Сухого. - 2007. - № 3. - С. 66-74 (прототип).
8. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 648 с.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
136 Кб
Теги
патент, by12982
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа