LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Технологія металів. Машинобуд. → Повышение трибологических характеристик кинематических пар лазерным поверхностным легированием

ПОВЫШЕНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР ЛАЗЕРНЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ
УДК 621.373.826И.М. Белоконев, д-р техн. наук, проф.,
С.А. Якушев, инженер

ПОВЫШЕНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР
ЛАЗЕРНЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ

І.М. Білоконєв, С.О. Якушев. Підвищення трибологічних характеристик кінематичних пар лазерним поверхневим легуванням. Наведені результати експериментальних досліджень трибологічних характеристик зразків із сталі 45 з композиційними лазерними покриттями та без покриттів.

I.M. Belokonev, S.A. Yakushev. Kinematic couple's tribologycal characteristics increasing by laser superficial alloying. Some results of experimental researches of tribologycal characteristics of 45 steel samples with composite laser coatings and without them are given.

Стремление к ужесточению режимов эксплуатации, снижению удельной материалоемкости и доли дорогостоящих материалов в общей массе при одновременном повышении требований к техническим характеристикам современных механизмов и машин часто приводит к ухудшению условий работы кинематических пар. Повышаются контактное давление, скорость скольжения, температура и коэффициент трения. Обеспечить режим жидкостного трения становится сложно. Вследствие этого увеличивается скорость износа, растут зазоры в кинематических парах и динамические нагрузки.

В связи с этим актуальными являются исследования возможности работы кинематических пар в условиях сухого трения или ограниченного смазывания маслами растительного происхождения, которые обладают значительно более высокими смазывающей способностью и индексом вязкости, чем минеральные масла с присадками. В отличие от последних растительные масла абсолютно не токсичны и не обладают мутагенными свойствами, полностью биоразлагаемы и являются ежегодно возобновляемым ресурсом.

Для удовлетворения этим требованиям целесообразно выполнение деталей машин из недорогих конструкционных материалов с последующим нанесением на них покрытий, обеспечивающих высокие антифрикционные характеристики, износостойкость, усталостную прочность и др.

Среди множества используемых покрытий эффективным является применение покрытий, полученных методом лазерного поверхностного легирования. Применение лазерного излучения дает возможность концентрировать энергию с плотностью мощности от предельно малой до 1018 Вт/см2, что обусловливает локальность тепловых и связанных с ними других физических процессов, протекающих в поверхностном слое детали, а, кроме того, обеспечивает необычно высокие скорости нагрева и охлаждения, которые могут составлять 104-108 К/с [1]. Лазерное покрытие представляет собой твердый раствор с такой концентрацией легирующих элементов, которая не может быть получена в равновесных условиях. Наблюдаемые при этом равномерное распределение легирующих элементов по толщине покрытия и прочное сварное соединение покрытия с подложкой являются важными условиями повышения износо-, тепло- и коррозионностойкости, а также усталостной прочности.

Наличие большого числа легирующих компонентов и отсутствие обоснованных рекомендаций по их применению обусловливает необходимость накопления сведений о свойствах различных видов лазерных покрытий, в частности, об их трибологических характеристиках, с целью выделения наиболее перспективных из них.

Исходя из этого проведены сравнительные испытания образцов из стали 45 с лазерными покрытиями и без них в условиях сухого трения и граничного смазывания на машине трения АЕ-5, работающей по принципу торцевого трения цилиндрических образцов (штифтов) по кольцу.

На образцы были нанесены два типа покрытий: Повышение трибологических характеристик кинематических пар лазерным поверхностным легированием

покрытие № 1 толщиной h=0,33 мкм, полученное путем вдувания в зону расплава смеси порошков Ti и DLC (Diamond Laser Coating - композиция на основе графита, образующая после облучения лазером алмазоподобную пленку, имеющую высокую твердость и обладающую эффектом самосмазывания);

покрытие № 2 - СrN h=1 мкм + DLC h=0,3 мкм, полученное путем вдувания в зону расплава сначала порошка нитрида хрома, а затем порошка DLC.

Испытывались следующие пары образцов (штифт - кольцо):

пара A: покрытие № 1 - покрытие № 1;
пара B: покрытие № 2 - покрытие № 2;
пара C: сталь 45 (58 HRC) - сталь 45 (67 HRC).

Для каждого вида пары проведено по три опыта, в ходе которых определяли следующие параметры: момент трения, контактное давление p, время испытаний в различных режимах T, величину линейного износа штифтов W. Скорость скольжения составляла v=3 м/с.

Первый этап исследований проходил при сухом трении. Контактное давление ступенчато увеличивалось от 0,2 МПа до 2,9 МПа. На каждой ступени нагрузки машина работала до достижения установившегося характера изменения момента трения. При контактном давлении p=2,9 МПа проводились длительные испытания (до достижения предельного износа штифтов Wlim*5 мм).

На втором этапе дозировано подавалось рапсовое масло (1 капля через 5 мин, что соответствует ~0,5 см3/час). Интервал между каплями был выбран наибольшим, при котором момент трения оставался постоянным. После ~40 мин жидкостного трения подача смазки прекращалась, а испытания продолжались до выхода момента трения на уровень, соответствующий сухому трению.

Во время испытаний периодически (через 30-40 мин) осуществлялись кратковременные остановки для замера износа штифтов.

Усредненные по трем опытам для каждой пары результаты испытаний представлены в виде таблицы и рисунка.

Коэффициенты трения f испытанных пар при различных режимах
Повышение трибологических характеристик кинематических пар лазерным поверхностным легированием

Износ штифтов W в зависимости от пути трения S при сухом трении с контактным давлением p=2,9 МПа для пар А, В и С

Образцы с покрытиями № 1 и № 2 (пары A и B) при сухом трении с контактным давлением p<0,43 МПа имеют в 2-3 раза меньший коэффициент трения f, чем образцы из закаленной стали (пара C). При неизменной нагрузке коэффициент трения пар A и B остается постоянным либо плавно колеблется с небольшой амплитудой, в то время как для пары C амплитуда таких колебаний в 2-3 раза выше, а сами колебания более резкие и неравномерные, что свидетельствует о микросхватывании поверхностей.

Более низкий коэффициент трения образцов с покрытиями объясняется тем, что поверхность алмазоподобных пленок состоит из атомов углерода со свободными связями. Эти связи родственны водородным и поэтому водород легко адсорбируется поверхностью алмазоподобной пленки и является смазкой.

При увеличении нагрузки (p>0,43 МПа) слой водорода в парах A и B частично разрушается, и в контакт вступают наиболее высокие выступы поверхностей, что приводит к повышению температуры поверхностей образцов и дальнейшему разрушению водородного слоя. В 1,5-2 раза возрастает коэффициент трения, увеличиваются амплитуда и частота его колебаний.

Скорость износа образцов с покрытиями примерно одинакова и в 4 раза меньше скорости износа образцов без покрытий. Во время испытаний пары B в режиме сухого трения при p=2,9 МПа дважды наблюдалось схватывание поверхностей образцов, проявлявшееся в сильной вибрации машины. Следовательно покрытие № 2 обладает меньшей задиростойкостью, чем покрытие № 1.

При смазке рапсовым маслом образцы с покрытиями имеют несколько меньший коэффициент трения, чем образцы без покрытий, и в 3 раза дольше сохраняют его низкое значение после прекращения подачи смазки. Длительное удержание смазки на поверхностях трения особенно важно для высоко нагруженных кинематических пар, работающих в условиях недостаточного смазывания или имеющих геометрическую форму, затрудняющую выход на гидродинамический режим смазки.

Полученные результаты подтвердили высокие антифрикционные характеристики и износостойкость исследованных видов лазерных покрытий и позволяют рекомендовать их для промышленного применения.

Литература

1. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов / Коваленко В.С., Верхотуров А.Д., Головко Л.Ф., Подчерняева И.А. - М.: Наука, 1986.

Copyright1998-1999 Odessa State Polytechnic University. All Rights Reserved.