способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия

Формула изобретения

Способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия, включающий нанесение среды на поверхность обрабатываемой детали и формирование основного фрикционного покрытия натиранием поверхности сплавом меди, отличающийся тем, что нанесение среды и формирование основного покрытия производят путем одновременной подачи сплава меди, например, бронзы БрОФ 4-0,25 и сплава галлия в твердом состоянии под давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанесения антифрикционных покрытий фрикционно-механическим способом и может быть использовано для повышения износостойкости чугунных поверхностей трибосопряжений, работающих в условиях граничного трения в масляно-абразивных средах.

Известен способ нанесения твердосмазочных покрытий, преимущественно дисульфида молибдена, на поверхности трений, включающий последовательное нанесение подслоя металла и слоя дисульфида молибдена. В качестве подслоя наносят медь или ее сплавы натиранием в среде глицерина в режиме избирательного переноса. В этом случае перед нанесением дисульфида молибдена дополнительно наносят слой галлия натиранием замшей или льняной тканью.

Однако данный способ не обеспечивает достаточной долговечности твердосмазочного покрытия.

Так, в процессе нанесения на обрабатываемую поверхность подслоя меди инструментом из бронзы БрАЖ9-4 при удельной нагрузке 6 кгс/см² в среде глицерина в зоне трения повышается температура, что приводит к снижению свойств глицерина обеспечивать химическую активность покрытия и устранять окисные пленки на поверхностях трибосопряжений. При температуре выше 65^оС увеличивается выделение водорода за счет деструкции глицерина и избирательный перенос (ИП) в паре медь-сталь переходит в водородное изнашивание. В этом случае поверхность стальной детали насыщается водородом, подвергается растрескиванию и переносится в виде порошка на поверхность бронзы. В результате нарушается процесс переноса металла на обрабатываемую поверхность, ухудшается сцепляемость переносимых частиц, не обеспечивается разрыхление подложки и, следовательно, снижается интенсивность диффузии меди в основной металл. Кроме того, указанный способ нанесения требует большего времени на реализацию эффекта избирательного переноса (около 1 ч). Скорость скольжения при нанесении подслоя меди составляет 0,7 м/с, что может привести к отрыву глицерина от детали под действием центробежных сил и ухудшению качества нанесения покрытия.

Известен способ обработки поверхности стальных изделий с целью повышения их износостойкости, заключающийся в том, что перед натиранием твердой смазкой, например порошком дисульфида или диселенида тугоплавкого металла, стальную поверхность обрабатывают жидким галлием.

Однако и этот способ не обеспечивает высокой долговечности покрытия, что обусловлено недостаточно высокой адгезией покрытия к подложке и сравнительно высоким коэффициентом трения (0,195).

Наиболее близким по технической сущности решением к предлагаемому способу является способ фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий, заключающийся в том, что предварительно наносится среда галлия на поверхность обрабатываемой детали и затем формируется основное антифрикционное покрытие натиранием поверхности сплавом меди, преимущественно бронзой БрОФ10-1.

Однако данный способ имеет ряд недостатков. Неравномерная подача галлия снижает качество нанесения антифрикционного покрытия, уменьшает адгезионную прочность покрытия к подложке, вызывает большой расход дорогостоящего металла. Возможно попадание галлия на сталеалюминиевое контртело пары трения из-за повышенной поверхностной концентрации галлия в локальных участках без надслоя бронзы, приводящее к охрупчиванию алюминия. Необходимость предварительного разогрева галлия перед нанесением, требование постоянной ручной регулировки подачи материала среды снижают производительность процесса нанесения.

Цель изобретения повышение износостойкости трибосопряжения на основе реализации эффекта ИП за счет улучшения адгезионной прочности покрытия, нанесенного на поверхность одной из деталей пары трения при работе ее в условиях граничного трения в масляно-абразивных средах, а также повышение производительности процесса нанесения покрытия и снижение расхода материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного способа фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий, заключающегося в том, что предварительно наносится среда галлия на поверхность обрабатываемой детали и затем формируется основное антифрикционное покрытие натиранием поверхности сплавом меди, преимущественно бронзой БрОФ10-1, нанесение среды и формирование основного покрытия производят путем одновременной подачи сплава меди, например, бронзы БрОФ4-0,25 и в твердом состоянии сплава галлия под давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность.

Целесообразность применения фосфористой бронзы БрОФ4-0,25 в качестве основного антифрикционного покрытия обусловлено следующим: литейная оловянистая бронза БрОФ4-0,25 отличается высокими антифрикционными свойствами, хорошей жидкотекучестью, малым коэффициентом линейной усадки, высокой коррозионной стойкостью; фосфор (0,2-0,3%) повышает жидкотекучесть, коррозионную стойкость и износостойкость сплава.

Оловянистая бронза с высоким содержанием олова БрОФ10-41 нестабильна и склонна к фазовым превращениям. В условиях контактного взаимодействия происходит выделение интерметаллических соединений, увеличение средней концентрации олова на поверхности, вызывающее интенсивное разрушение поверхностных слоев. Интенсивность износа низкооловянистой бронзы БрОФ4-0,25 имела значение на порядок меньше, чем аналогичный показатель для бронзы БрОФ10-1. При трении в поверхностно-активных средах низкооловянистой бронзы БрОФ4-0,25 исследователями замечено формирование в поверхностных слоях структуры, обеспечивающей высокую износостойкость бронзы и реализацию избирательного переноса.

Исследования механизма избирательного переноса показали, что на интенсивность избирательного переноса (ИП) влияют эффекты: избирательного растворения медных сплавов, Ребиндера, Киркендала.

Применение в качестве компонентов поверхностно-активной среды, создающей условия реализации ИП, роль которой выполняет сплав галлия, галлия и индия обусловлено их свойствами. Галлий, благодаря своим свойствам снижать микротвердость подложки основного металла и наносимого покрытия, одновременно повышая их твердость и обладая высокой расклинивающей способностью, приникает в верхние слои чугунной подложки и разрыхляет ее (эффект Ребиндера), уменьшает напряжение сдвига прирабатываемых поверхностей трибосопряжений. Нанесенное антифрикционное покрытие, благодаря способности галлия к избирательному растворению сплавов меди, имеет высокую концентрацию точечных дефектов вакансий, приводящих к повышенной подвижности частиц и созданию условия для реализации эффекта избирательного переноса. Обладая повышенной диффузией, галлий проникает в подложку основного металла на глубину до 10 мкм, разрыхляет ее и способствует проникновению в образующиеся поры меди. Галлий, находясь в жидком состоянии в интервале температур 29,8-2100^оС, способствует адгезии и физической адсорбции меди. Развитие физической адсорбции при трении происходит на поверхности катодного компонента- меди, образующегося в процессе избирательного растворения.

Присутствие в поверхностно-активной среде 10% индия Ин-2 (ГОСТ 10297-75) значительно повышает смачивающую способность галлия, что приводит к уменьшению краевого угла смачивания (->>0). Адгезионная прочность усиливается за счет увеличения площади фактического контакта, индекса адгезии. Индий имеет низкий предел прочности при растяжении (0,36 кг/мм²), высокую пластичность (относительное удлинение равно 61%) и ввиду этих свойств обладает склонностью к холодной сварке давлением. Введение индия в поверхностно-активную среду снижает температуру плавления среды до 15^оС за счет образования двойной эвтектики, тогда как введение меди повышает температуру плавления среды до значений оптимально необходимых при фрикционно-механической обработке чугунных поверхностей предлагаемым способом, а также уменьшает хрупкость и твердость сплава галлия.

Результаты экспериментального исследования по выбору оптимального процентного содержания легирующих компонентов поверхностно-активной среды представлены в табл.1.

При определении температуры в зоне контакта использовалась комбинированная разомкнутая термопара 3 с термоэлектродами копель-сталь, расположенная в полом инструменте-цилиндре 1 из сплава меди, например, бронзы БрОФ4-0,25, экспериментальной установки (фиг.1) вместе с изолятором 2, изоляционной втулкой 5, пружиной 4 и гайкой 6.

Свойства поверхностно-активной среды реализуются следующим образом.

При приложении давления в результате повышения температуры в локальных участках контакта усиливается диффузия галлия в глубину поверхностных слоев основного металла. Поверхность разрыхляется и способствует проникновению в образующиеся поры меди. Поверхностно-активная среда ввиду высокой смачиваемости выполняет роль флюса, восстанавливает поверхность трения от окислов. В результате этого происходит интенсивное контактирование (схватывание) свободных от окислов чугунных поверхностей трения со свободными от окислов частицами меди, имеющих повышенную подвижность, благодаря способности галлия к избирательному растворению сплавов меди. Создание в зоне фрикционного контакта восстановительной среды с высокой каталитической активностью обеспечивает лучшую адгезию наносимого антифрикционного покрытия к основной чугунной поверхности, повышает долговечность покрытия и снижает коэффициент трения.

Механизм нанесения антифрикционных покрытий на чугунные поверхности предлагаемым способом реализуется следующим образом.

Первоначально в соприкосновение с обрабатываемой деталью 13 приводят полый инструмент-цилиндр 7 из бронзы БрОФ4-0,25 экспериментальной установки (фиг.2) и стержень 8 из материала среды (сплав галлия). За счет сжатия пружины 9 давление, прикладываемое к стержню из материала среды, составляет 9-10 МПа и остается постоянным. Удельная нагрузка на полый инструмент-цилиндр 7 минимальна, составляет 0,03 кгс/мм² и контролируется по манометру, расположенному в воздушной магистрали. После этого деталь приводят во вращение. В результате при трении происходит интенсивный нагрев материала среды в зоне контакта. Одновременно с началом вращения обрабатываемой детали удельную нагрузку на полый инструмент-цилиндра 7 повышают до значений 0,07-0,077 кгс/мм²путем воздействия воздухом из воздушной магистрали на полый инструмент-цилиндр 7 через поршень 11, упругий элемент 10 и толкатель 12. Давление нанесения антифрикционного покрытия, соответствующее 0,7-0,77 МПа, поддерживают постоянным за счет редукционного клапана, находящегося в подводящей воздушной магистрали. При достижении давления значения 0,7-0,77 МПа теплота, образующаяся в результате трения, приводит к плавлению материала среды в зоне контакта и способствует его переносу на обрабатываемую поверхность. Оксидные слои на чугунной поверхности под воздействием поверхностно-активной галлиево-индиевой среды разрыхляются, а частицы износа инструмента пластически деформируются в зоне трения. Благодаря своим высоким повехностно-активным свойствам и смачивающей способности, галлиево-индиевая среда проникает в подложку, заполняя ее поры и впадины шероховатости.

В дальнейшем формирование поверхностно-активной среды и нанесение основного антифрикционного покрытия производят путем одновременной подачи полого инструмента-цилиндра из сплава меди и стержня из сплава галлия под вышеуказанным давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность.

Наносимое антифрикционное покрытие распределяется в несколько слоев по всей площади и играет роль наполнителя в своеобразном структурном каркасе, который образует сплав галлия. С этим связано увеличение площади фактического контакта.

Существенным отличием от прототипа является то, что нанесение среды и формирование основного покрытия производят путем одновременной подачи сплава меди, например бронзы БрОФ4-0,25, и в твердом состоянии сплава галлия под давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность.

По мере заполнения впадин шероховатостей поверхности дальнейшее увеличение толщины слоя покрытия происходит под влиянием адгезионного взаимодействия. Вследствие высоких адгезионных свойств галлиево-индиевой среды нанесенный слой прочно связывается с подложкой основного металла, а шероховатость поверхности усиливает эту связь. Дальнейшее увеличение толщины покрытия будет определяться тем, насколько сдвиговая прочность слоев покрытия выше прочности поверхностных слоев инструмента.

Условия растворения сплава меди на первых этапах контактирования поверхностей и диффузионное перераспределение легирующих элементов в тонких поверхностных слоях сплава приводят к образованию поверхностной пленки меди (эффект ИП), определяют износостойкость сплава, повышают положительный градиент механических свойств на участках поверхности трения.

Кинетика диффузионного перераспределения основного легирующего элемента бронзы БрОФ4-0,25 олова такова, что при деформации трением в поверхностно-активной галлиево-индиевой среде в тонких поверхностных слоях происходит обеднение твердого раствора оловом и формируется структура, обеспечивающая высокую износостойкость.

Это вызвано большей скоростью потока диффундирующих к поверхности атомов олова, чем потока атомов основного металла (меди) (эффект Киркендала) и свойствам галлиево-индиевой среды избирательно растворять сплавы меди. Формирующаяся тонкая пластифицированная пленка меди, характеризующаяся малой плотностью дислокаций и высокой плотностью вакансий, обладает значительной физической и химической активностью и повышенной свободной энергией.

Для получения сравнительных результатов проводились испытания на износостойкость образцов с нанесенными антифрикционными покрытиями известными способами и предлагаемым способом.

Фрикционно-механическая обработка первой партии роликов предлагаемым способом проводилась на токарно-винторезном станке 16К20, на суппорте которого вместо резцедержателя устанавливалось специальное устройство с автоматически регулируемым постоянным давлением прижатия инструмента (стержня) (фиг.2).

Параметры режима обработки: частота вращения обрабатываемой детали n=65 мин^-1; продольная подача инструмента S=0,8 мм/об; удельная нагрузка на материал среды F₂= 0,03 кгс/мм²; удельная нагрузка на инструмент F₁=0,07-0,077 кгс/мм²; количество проходов N_п=4.

Фрикционно-механическая обработка наружных поверхностей чугунных образцов осуществлялась в соответствии с известными режимами. Перед фрикционно-механической обработкой известными и предлагаемыми способами поверхность чугунных роликов подвергалась шлифованию, параметр шероховатости R_a=0,32 мкм, закалке ТВЧ на глубину 5-7 мкм, а затем декапированию. Шероховатость измеряли на профилографе-профилометре мод.201.

Испытанию подвергались пять партий роликов по три в каждой диаметром 70 мм, изготовленные из высокопрочного чугуна ВЧ 50-2. Наружная поверхность роликов обрабатывалась:

первой партии предлагаемым способом;

второй партии способом обработки поверхности стальных деталей;

третьей партии способом нанесения твердосмазочных покрытий.

Для получения сравнительных данных в пятой партии испытанию подвергались необработанные ролики.

Условия испытания образцов регламентировались типом используемого лабораторного оборудования, основой которого является машина для испытания материалов на трение и износ модели СМЦ-2, соответствующая ТУ 25.06813-73, в комплект которой входил потенциометр КСП2-005 для измерения и записи момента трения в испытываемых трибосопряжениях. Испытания образцов проводились по схеме вращающийся ролик неподвижная колодка в условиях абразивного изнашивания при граничной смазке моторным маслом марки М-10Б₁.

Контртелом во всех четырех испытаниях служила колодка из высокооловянистого алюминия А09-1 ГОСТ 14113-78. Материал основы: сталь 08КП ГОСТ 1050-88. Площадь трения 102 мм².

Контурная площадь поверхности взаимного прилегания образцов при установке на машину трения согласно требования ГОСТ 23.224-86 составляла не менее 90%

При ускоренных испытаниях образцов на износостойкость в зону фрикционного контакта подавалась абразивно-масляная взвесь, приготовленная из кварцевой пыли марки 1КрМо165 условным диаметром частиц основной фракции 2-3 мкм и моторного масла марки М-10Б₁. Массовая концентрация пыли в масле составляла (30,5% ) согласно ГОСТ 2139-84. Режим смазки: 10 капель в минуту. Перед испытанием масло высушивалось нагревом до t=100^oC.

Для измерения температуры в зоне трения применялся термопреобразователь хромель-копелевый (ТХК) с диапазоном измеряемых температур 200600^оС предварительно отградуированный согласно ТУ. Измерение величины термоЭДС осуществлялось с помощью вольтметра цифрового универсального В7-21.

Величина пути трения определялась по показаниям импульсного счетчика количества оборотов СИ 206ХЛ-А, встроенным в потенциометр КСП2-005.

Режим приработки: время 15 мин, давление в контакте 2 МПа, скорость скольжения 2,63 м/с.

Режим испытаний: номинальное давление в фрикционном контакте 15 МПа, скорость скольжения 2,63 м/с при частоте вращения образца n=500 мин^-1.

Критерием изнашивания принималась потеря массы образца за период изнашивания. Взвешивание образцов проводили на аналитических весах ВЛА-200 г-м. Перед взвешиванием образцы промывали в ацетоне согласно ГОСТ 2603-79, а затем высушивали на воздухе. Кинетика износа пары трения чугун ВЧ 50-2-А09-1: основа сталь 08КП представлена на фиг.3, 4. На фиг.3: 1 ролики не подвергнуты фрикционно-механической обработке; 2, 3, 4 ролики обработаны известными способами; 5 то же, предлагаемым способом. На фиг.4: 1 колодки, сопряженные с роликами, не подвергнутыми фрикционно-механической обработке; 2, 3, 4 то же, с роликами, обработанными известными способами; 5 то же, с роликами, обработанными предлагаемым способом.

Из анализа кривых изнашивания следует, что износостойкость антифрикционного покрытия, нанесенного предлагаемым способом, в 1,75; 1,52; 1,21 раза выше износостойкости антифрикционных покрытий, нанесенных известными способами, и в 4,1 раза выше износостойкости чугунной поверхности без антифрикционного покрытия.

Износостойкость сопряженной контрдетали при этом повышается в 1,84; 1,48; 1,18 раз и в 4,3 раза соответственно.

Сравнительные данные пути и коэффициента трения по результатам испытаний на износостойкость вышеуказанных образцов представлены в табл.2.

Длительность испытаний определялась временем, соответствующим началу разрушения покрытий. Момент разрушения покрытия определялся по резкому увеличению коэффициента трения и нарушению плавности движения.

При проведении испытаний на износостойкость образцов с нанесенным антифрикционным покрытием предлагаемым способом температура в зоне контакта находилась в интервале 60-80^оС. Это свидетельствует о возможности реализации эффекта ИП в трибосопряжении с обработанной деталью в процессе испытаний и эксплуатации.

Сравнение производительности процессов нанесения предлагаемым и известным способами, а также расхода материалов (поверхностно-активной средой) представлено в табл.3.

Как показывает анализ данных табл.3, производительность предлагаемого процесса в 1,33 раза выше по сравнению с известным, а расход компонентов поверхностно-активной среды ниже в 2,15 раза.

Исследования тангенциальной прочности адгезионной связи покрытий, полученных предлагаемым и известными способами, проводились согласно методике, разработанной в Государственном НИИ машиноведения.

Имеющиеся способы оценки нормальной адгезии невозможно применять к процессам внешнего трения по следующим причинам. Во-первых, в результате частичного упругого восстановления контактирующих микронеровностей поверхностей тел некоторые адгезионные связи после снятия нагрузки разрываются; во-вторых, при нормальной адгезии определяют разрыв соединений, в то время как при трении происходит их срез при наличии нормальной нагрузки.

Результаты исследований приведены в табл.4.

Анализ данных табл.4 показывает, что тангенциальная адгезионная прочность антифрикционного покрытия, нанесенного предлагаемым способом, в 1,22; 1,17; 1,1 раза выше соответственно аналогичного показателя для покрытий нанесенных известными способами.

Исследования по определению состава приповерхностных слоев образцов проводились методом масс-спектрометрии вторичных ионов на установке "сканирующий ионный микрозонд" УАЭ.ОП.Э-0.0001-008 в центре физико-аналитических исследований Научно-исследовательского технологического института Рязани.

Параметры эксперимента:

зондирующий пучок положительные ионы кислорода с энергией 10 кэВ и током 100-150 нА;

масс-анализатор квадрипольный фильтр масс с разрешением 1М (по уровню 10% максимальной интенсивности пика);

вакуум 110^-5 Па;

обработка данных РС/АТ 286.

Интенсивность, имп/с заданных масс пиков и скорость травления V_тр=500 /мин переводилась в концентрацию элементов (% по массе) и глубину поверхности в мкм. При помощи масштабных коэффициентов эти значения представлялись в виде графиков.

Послойный анализ трибопокрытия, нанесенного предлагаемым способом на поверхность образца из чугуна ВЧ 50-2 ГОСТ 7293-70, представлен на фиг.5. Из него следует, что толщина покрытия составляет примерно 4,1 мкм. На глубине примерно 0,1 мкм наблюдается увеличение концентрации углерода, индия и галлия. Концентрация основного легирующего элемента бронзы БрОФ4-0,25 олова (S_n) уменьшилась по сравнению с исходной, наблюдается обеднение им поверхностных слоев. Диффузия галлия в основной металл происходит на глубину до 8 мкм.

Послойный анализ трибопокрытия, нанесенного предлагаемым способом, после стендовых испытаний представлен на фиг.6.

Из него следует, что толщина трибопокрытия возросла до 6,3 мкм. Диффузия галлия увеличилась на глубину до 10 мкм. На глубине 0,1 мкм наблюдается увеличение концентрации индия и углерода, снижение галлия и олова.

Послойный анализ поверхностных слоев контртела сталеалюминиевого вкладыша с высокооловянистым алюминиевым сплавом А09-1 ГОСТ 14113-78 представлен на фиг. 7. Из него следует, что в тонких поверхностных слоях (глубиной до 0,15 мкм) формируется пластифицированная пленка меди.

Данные проведенных исследований позволяют сделать вывод, что процессы, протекающие в тонких поверхностных слоях, как при нанесении антифрикционного покрытия предлагаемым способом, так и при работе детали с трибопокрытием в масляно-абразивных средах приводят к формированию пленки меди с особым структурным состоянием, являющимся проявлением эффекта ИП.

Таким образом, использование предлагаемого способа для фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия на чугунную поверхность одного из элементов трибосопряжения позволяет повысить как износостойкость трибосопряжения в целом, так и производительность процесса, снизить расход материалов, а также улучшить адгезионную прочность наносимого покрытия.

Использование предлагаемого способа фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия на чугунную поверхность обеспечивает следующие преимущества по сравнению с известными:

повышение износостойкости обоих элементов трибосопряжения, работающего в условиях граничного трения в масляно-абразивных средах;

повышение производительности процесса нанесения, а также снижение расхода материалов;

улучшение адгезионной прочности наносимого покрытия.