Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ УЗЛА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белоцерковский Марат Артемович Жорник Виктор Иванович Кукареко Владимир Аркадьевич Камко Александр Иванович Прядко Александр Сергеевич Заболоцкий Михаил Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56) КАМКО А.И. Вестник ГГТУ им. П.О.Сухого. Машиностроение и машиноведение. Энергетика. - 2007. -3. - . 6674. ВИТЯЗЬ П.А. и др. Трение и износ,2006. - Т. 27. -1. - . 61-68. ИЛЬЮЩЕНКО А.Ф. и др. Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения Сб. научн. трудов. Технопринт, ПГУ, 2001. - . 166-170.9422 1, 2007.2049108 1, 1995.2204623 1, 2003.1770350 1, 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 5010-6 м 2/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. 12982 1 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 5090 долл. США за 1 кг). При изготовлении или упрочнении-восстановлении деталей стоимостью 1530 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 последую 2 12982 1 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 тр). Так, значения тр 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 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 5010-6 м 2/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 12982 1 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 , а также имеется определенное количество оксидов. Авторами экспериментально установлено, что для обеспечения формирования в структуре стального напыленного покрытия метастабильного аустенита, имеющего низкую температуру протекания деформационногопревращения, 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(700800) за счет протекания деформационногопревращения 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(3050 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 236. 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 510-4 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 деформационногопревращения. Повышенная задиростойкость трибосопряжения, содержащего элемент трения с покрытием, полученным гиперзвуковой металлизацией из стали аустенитного класса (например, сталь Х 18 Н 10 Т), обусловлена помимо деформации аустенита в мартенсит также и относительно более высоким уровнем прочностных свойств металлизационного покрытия(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 12982 1 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 5010-6 м 2/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 4013) на установке проволочной термораспылительной Терко и проволок из сталей аустенитного класса (сталь 12 Х 18 Н 10 Т) 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 смазкашихта 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 31, 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 5, заделанного в вал. Регистрация импульсов от датчика осуществлялась осциллографом 120. 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 5010-6 м 2/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, 10-6 м 2/с грузка, МПа 1 12 Х 18 Н 10 Т 20 40 0,4 80-85 2 12 Х 18 Н 10 Т 30 40 0,4 75-80 3 12 Х 18 Н 10 Т 40 40 0,4 65-70 4 12 Х 18 Н 10 Т 50 40 0,4 60-65 5 12 Х 18 Н 10 Т 60 40 0,4 40-50 6 4013 70 40 0,4 25-30 7 4013 20 30 0,4 50-55 8 4013 20 31 0,4 50-55 5 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 12 Х 18 Н 10 Т 35 0,4 0,2 2 12 Х 18 Н 10 Т 35 0,8 0,4 3 12 Х 18 Н 10 Т 35 0,9 0,5 4 12 Х 18 Н 10 Т 35 1,0 0,5 5 4013 35 1,1 0,9 6 4013 35 1,2 1,1 7 4013 37 0,4 0,2 8 4013 38 0,4 0,4 9 4013 39 0,4 0,4 10 12 Х 18 Н 10 Т 40 0,4 0,5 11 12 Х 18 Н 10 Т 41 0,4 0,7 12 12 Х 18 Н 10 Т 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-20 АША) осуществлялись при удельной нагрузке 50-100 МПа и скорости скольжения 0,25 м/с в среде смазки И 45. Результаты приведены в табл. 3. Таблица 3 Триботехнические свойства стальных приработанных покрытий Интенсивность изнашивания, мкм/км Удельная Материал Приработаны в среде Приработаны в средеп/п нагрузка,покрытия смазки И-20 Ашихта смазки И-20 А без модиМПа алмазосодержащая ША фикатора 1 12 Х 18 Н 10 Т 50 0,90 4,75 2 12 Х 18 Н 10 Т 60 0,95 катастрофический износ 3 12 Х 18 Н 10 Т 70 0,95 4 12 Х 18 Н 10 Т 80 1,0 5 12 Х 18 Н 10 Т 90 1,05 6 Продолжение таблицы 3 Интенсивность изнашивания, мкм/км Приработаны в среде Приработаны в среде смазки И-20 Ашихта смазки И-20 А 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 12 Х 18 Н 10 Т. После механической обработки пары трения шток-кольцо подманжетное прирабатывали на испытательном стенде ОГК ПО БелАЗ в смазке И-20 А (кинематическая вязкость 2210-6 м 2/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.,.,. -. - , 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. 4.2313163 А 1, 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 12982 1 2010.04.30 6. Леванцевич М.А., Максимченко Н.Н., Зольников В.Г. Повышение эксплуатационных свойств трибосопряжений нанесением покрытий металлическими щетками // Весц НАН Беларус. - 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

МПК / Метки

МПК: C23C 28/00

Метки: изготовления, скольжения, трения, способ, детали, узла

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/8-12982-sposob-izgotovleniya-detali-uzla-treniya-skolzheniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ изготовления детали узла трения скольжения</a>

Похожие патенты