«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ...»

3. Экспериментально-теоретическое обоснование упрочнения шеек коленчатых валов нанесением износостойких покрытий 3.1. Структура отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей В процессе эксплуатации судовых дизелей возможно нарушение их нормального функционирования из-за отказа трибоузла «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника». Причинами отказов в данном случае являются повреждения и разрушения отдельных элементов, составляющих трибоузел. Наиболее ответственной и дорогостоящей деталью трибоузла является коленчатый вал, который эксплуатируется в условиях значительных переменных нагрузок. Шейки вала подвержены трению скольжения при больших скоростях и высоких удельных давлениях. Принятие обоснованных мер по предотвращению возможных и фактических отказов коленчатого вала позволяет обеспечить надежность и безопасность дизеля в целом.

Сложность решения данной задачи обусловлена слабой формализацией сведений об отказах коленчатых валов, закономерностях и зависимостях их происхождения и развития. Знания о развитии деградационных процессов – причины разрушений и повреждений элементов трибоузла, охватывают широкий круг областей знаний (металловедение, триботехника и механика разрушения и т.д.), сведения о повреждениях и авариях носят описательный характер. В связи с этим только специалист, обладающий большим опытом работы в данной области и широким кругозором, может обоснованно принять решения по конкретному отказу. Решение данной проблемы возможно на основе анализа видов, причин и последствий отказов коленчатого вала.

Возникновение отказов коленчатого вала зависит от того, каким образом происходит развитие отказа, обусловленное закономерным изменением состояния и параметров всех составляющих элементов трибоузла. С этой точки зрения можно условно считать, что такое изменение может происходить двумя путями: постепенно и скачкообразно. Наибольший материальный ущерб возникает в случаях отказа коленчатого вала и аварийных ситуаций в дизелях, связанных с разрушением деталей трибоузла.

Основными признаками, определяющими различные виды отказов, служат причины возникновения и особенности протекания процессов, приводящих к отказу, последствия отказов и меры по их предупреждению.

При работе двигателей возникают как функциональные, так и параметрические (точностные) отказы коленчатых валов. Следствием функциональных отказов коленчатых валов являются остановки дизелей, вызванные поломками ее отдельных деталей и кривошипно-шатунных узлов двигателя или другими причинами, а точностных отказов – выход значений размерных параметров шеек за допустимые границы.

На основании анализа статистических данных отказов 42 коленчатых валов 10 типов среднеоборотных дизелей (главных и вспомогательных) различных фирм-изготовителей установлено, что 69% отказов валов относятся к функциональным явным и скрытым отказам (в том числе число отказов валов из-за аварийных ситуаций составляет 40,5%) и всего 31% отказов валов относятся к параметрическим явным отказам.

Классификация отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей, а также причины и последствия отказов приведены на рисунке 3.1. Многообразие видов отказов коленчатых валов обусловлено множеством причин, приводящих к отказам, и различием механизма их развития.

Большинство функциональных отказов коленчатых валов (89,7%) следует отнести к внезапным, так как перед отказом обычно не удается обнаружить количественные изменения контролируемых параметров, а 10,3% отказов валов можно отнести к параметрическим ресурсным из-за достижения предельного состояния материала валов (при этом наработка достигает диапазона от 80 до 100 тыс. ч).

Функциональный отказ коленчатого вала характеризуется полным прекращением функционирования дизеля. Функциональные отказы коленчатых валов чаще всего связаны с деградационными процессами, протекающими в элементах кривошипно-шатунного механизма под действием силового и теплового нагружений и коррозионного воздействия смазки при наличии в ней воды или при длительном простое двигателя. Контроль за развитием этих процессов, как правило, возможен только в периоды технического обслуживания дизеля. Поэтому всегда существует вероятность наступления отказа в периоды между очередными мероприятиями по техническому контролю деталей трибоузла «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипник» при техническом обслуживании. Для коленчатого вала понятие функциональный отказ за редким исключением совпадает с понятием полный отказ, а параметрический отказ, как правило, является частичным отказом, который в случае продолжения эксплуатации приведет к функциональному.

Анализ аварий (внезапных отказов) на 17 судовых СОД из-за повреждения коленчатых валов позволил установить, что они распределяются по видам отказов следующим образом: 70,6% эксплуатационные, 29,4% производственные. Внезапные отказы коленчатых валов происходят при возникновении сочетания неблагоприятных факторов (режим трения при граничной или смешанной (полужидкостной) смазке, наличии механических примесей в смазке, схватывания при трении и др.) и случайных внешних воздействиях (например, переходной режим работы двигателя), превышающих несущую способность трибоузла и приводящих к проворачиванию вкладышей. Аварии и отказы валов возникают чаще всего после ремонта двигателей с заменой вкладышей или шлифованием шеек при нарушении технических требований на ремонт. Эксплуатационные отказы возникают из-за наличия механических примесей в смазке (в случае выхода из строя фильтров), возрастания масляного зазора свыше предельного и перехода вследствие этого режима трения от гидродинамической смазки к режимам трения при граничной или смешанной (полужидкостной) смазкам, а также из-за падения давления в системе смазки. Последствиями таких отказов являются повышенный износ и задир шеек вала. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя вкладышей, как правило, приводят к деформации коленчатых валов, реже — к поломке вала, т.е. к критическим или катастрофическим последствиям. Производственные отказы возникают через 50–900 ч наработка после ремонта или технического обслуживания двигателя.

Рисунок 3.1 – Классификация отказов, причин и последствий отказов коленчатых валов Анализ отказов коленчатых валов двигателей показывает, что часть из них (до 60 % вызываемая скрытыми дефектами изготовления, ремонта, монтажа, усталостью и деградацией поверхностных слоев сопряженных поверхностей трения) не обнаруживается существующими методами контроля на стадии их скрытого развития, а завершающая стадия подобного отказа, от момента, когда он появляется, и до отказа вала, длится всего от долей секунды до нескольких минут, т. е.

интервал между потенциальным отказом и функциональным отказом весьма мал.

Это обстоятельство не позволяет с помощью средств судовой диагностики надежно прогнозировать развитие подобных видов отказов и выбраковывать вовремя детали трибоузла «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника».

Наиболее распространенными последствиями параметрических постепенных отказов являются износы шеек коленчатого вала, характеризующиеся появлением отклонений формы и изменением размеров, и образованием круговых рисок и царапин глубиной до 0,05 мм. Максимальные отклонения формы наблюдаются на мотылевых шейках у валов большинства двигателей. Наработка валов на отказ, которые относятся к параметрическим, составляет около 50 тыс. ч.

3.2. Особенности изнашивания шеек коленчатых валов Приведенные в работе данные основаны на результатах обработки содержания дефектовочных и сдаточных актов фирм, занимающихся ремонтом коленчатых валов, а также донесений об аварийных случаях и заключений о причинах аварий на судах Дальневосточного морского пароходства и других судоходных кампаний.

Техническое состояние коленчатых валов оценивается по результатам измерений рабочих поверхностей для определения их геометрических параметров, отклонений формы рамовых и мотылевых шеек, величины биения рамовых шеек и дефектации с помощью технических средств (преимущественно магнитной дефектоскопии) для выявления наличия трещин.

Данные для анализа геометрических параметров охватывают результаты дефектации и ремонта 21 коленчатого вала 8 типов среднеоборотных дизелей различных фирм-изготовителей (154 рамовых и 133 мотылевых шейки). На исследуемых двигателях шейки коленчатых валов имеют твердость в интервале от 164 НВ до 58 HRC, т.е. были проанализированы износы закаленных и незакаленных коленчатых валов. Установлено, что свыше 80% коленчатых валов имеют твердость в пределах 164–247 НВ. Кроме того были проанализированы причины аварийных ситуаций на 17 двигателях, а также причины отказов 4 коленчатых валов, восстановленных наплавкой фирмой «HANDOK CRANKSHAFT INDUSTRIAL Co., LTD», Korea (твердость шеек 48–50 HRC).

Установлено, что основными причинами отказов коленчатых валов является износ шеек и задир шеек. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя вкладышей, как правило, приводят к деформации коленчатых валов, реже — к поломке вала.

Наиболее распространенными дефектами шеек коленчатого вала являются износы, характеризующиеся появлением отклонений формы и изменением размеров, и образованием круговых рисок и царапин глубиной до 0,05 мм (рисунок 3.2, а и б), реже встречаются задиры (рисунок 3.2, в и г), трещины, коррозия (рисунок 3.2, д). Установлено, что 66,7 % коленчатых валов, поступающих на восстановление, имеют величины износов и отклонений формы шеек значительно меньше допускаемых (рисунок 3.3 и таблица ПА и ПБ). Однако риски и круговые царапины на шейках имеют 100% коленчатых валов. Задиры шеек имеют до 33 % валов (от одной до 8 шеек, в среднем 2–3 шейки), расплавление вкладышей и наволакивание металла на шейки — менее 5% валов, пятна коррозии на шейках — до 10% валов, имеют деформацию — до 24% валов.

Износ рамовых шеек коленчатых валов, поступающих на восстановление, значительно меньше предельно допустимого, так 93,4% имеют величину износа не более 0,10 мм (рисунок 3.3). Среднее значение износа рамовых шеек 0,052 мм. Мотылевые шейки подвержены более интенсивному износу, только 78,9% шеек имеет величину износа не более 0,10 мм, при этом среднее значение износа шеек 0,077 мм, что в 1,5 раз больше износа рамовых шеек. Наибольшая величина износа рамовых шеек наблюдалась на коленчатых валах дизелей ЧН 18/22 (максимальная 0,14 мм, Рисунок 3.2 – Дефекты шеек коленчатого вала: риски и царапины на рамовой а и мотылевой б шейках; в – начальная стадия задира; г – задир с наволакиванием металла на шейку; д – задир ( 27); е – пятна коррозии ( 27) средняя 0,067 мм, средняя твердость шеек 48 HRC), мотылевых шеек — на коленчатых валах дизелей TS 24 (максимальная 0,43 мм, средняя 0,09 мм, средняя твердость шеек 201 НВ) и ASL 25/30 (максимальная 0,27 мм, средняя 0,20 мм, средняя твердость шеек 214 HВ).

В результате изнашивания шеек образуются отклонения формы от круглости (овальность) и цилиндричности (конусообразность, бочкообразность или седлообразность). Причем мотылевые шейки подвержены, как правило, более интенсивному изнашиванию (таблица 3.1).

Рисунок 3.3 – Распределение величин износа шеек коленчатого вала:

Мотылевые шейки, как правило, имеют отклонения формы от цилиндричности — конусообразность, которая может достигать 0,10 мм, реже седлообразность или бочкообразность, а по окружности принимают овальную форму.

Рамовые шейки в результате износа приобретают овальную форму.

Максимальные отклонения формы наблюдались на мотылевых шейках двигателей TS 24 (величина овальности до 0,21 мм при средней 0,08 мм и величина конусообразности достигает 0,10 мм при средней 0,063 мм) и ASL 25/30 (величина овальности до 0,08 мм при средней 0,07 мм и величина конусообразности достигает 0,09 мм при средней 0,075 мм). Часть коленчатых валов данной марки дизелей имеют наработку 81–84 тыс. ч, при этом износы шеек в допустимых пределах, Таблица 3.1 – Величины износов, отклонения формы (мм) и твердости шеек коленчатых валов судовых СОД Ч 18/22 135 120 0,01–0,14 0,01–0,10 0,01–0,07 0,01–0,05 0,01–0,03 0,01–0,02 0,02–0,67 43– 6Ч 23/30 160 155 0,03–0,05 0,03–0,11 0,01–0,03 0,01–0,02 0,01–0,03 0,01–0,03 0,02–0,06 51– Примечание. В числителе приведен интервал значений величины, в знаменателе — средняя величина.

при наработке 92042 ч мотылевые шейки имеют предельную конусообразность, однако вал номинального размера, но планируется на замену.

Величины биения рамовых шеек у 76,2% коленчатых валов находятся в допустимых пределах.

Основной причиной образования рисок, царапин и задиров на шейках коленчатых валов является наличие в смазке СОД, работающих как на тяжелом топливе, так и легком, окислов алюминия [45], которые обладают высокой твердостью (до 19000 НV), значительно превышающей твердость закаленной стали. Таким образом, при отсутствии задиров, рисок и царапин на шейках 66,7 % коленчатых валов могли бы еще эксплуатироваться. Для уменьшения вероятности образования задиров, рисок и царапин на шейках и снижения скорости изнашивания необходимо увеличить твердость и износостойкость поверхностного слоя шеек валов.

Износы коленчатых валов оказывают существенное влияние на скорости изнашивания других деталей дизеля. Конусообразность мотылевой шейки приводит к перекосу шатуна и повышенному износу втулки цилиндра Увеличение диаметрального зазора между шейками коленчатого вала и вкладышами подшипников происходит преимущественно из-за износа шеек, так как они, как правило, изнашиваются в два и более раз быстрее, чем антифрикционный слой вкладышей, который в большинстве случаев имеет толщину 0,02 мм. Увеличение диаметрального зазора приводит к уменьшению давления масла, возрастанию динамических нагрузок и скоростей изнашивания мотылевых шеек и вкладышей, а также поршня и втулки цилиндра [1].

При ремонте коленчатого вала устранение дефектов возможно двумя путями – переход на ремонтный размер или восстановление наплавкой или напылением с последующей механической обработкой на номинальный размер.

Увеличение диаметрального зазора в рамовых и мотылевых подшипниках более допустимого (таблица 3.2) очень часто приводит к авариям вследствие перехода трибоузла от режима трения при гидродинамической к граничной, что вызывает повышенный износ вкладыша и шейки, снижению давления смазки, повышению температуры в зоне трения, затем к задиру или расплавлению антифрикционного слоя вкладыша.

Таблица 3.2 – Допускаемые отклонения размеров шеек валов и диаметральных зазоров в рамовых и мотылевых подшипниках коленчатых валов судовых СОД, мм шейки Примечание. В числителе приведена номинальная величина параметра, в знаменателе предельная при эксплуатации.

Установлено, что при задирах шеек коленчатые валы деформируются и появляются большие значения биения на рамовых шейках (до 0,5–0,7 мм) при допустимых 0,10–0,12 мм. При расплавлении антифрикционного слоя на вкладышах коленчатые валы деформируются и значения биения рамовых шейках может достигать 2 мм и более. Величина деформации зависит от жесткости вала и объема задира или расплавления вкладышей. При расплавлении медных антифрикицонных материалов на шейках часто образуются трещины глубиной до 2 мм, а иногда и больше.

Задиры шеек часто возникают из-за попадания продуктов износа и абразива в зону трения, увеличения коэффициента трения вследствие нарушения режима трения и перехода от трения при гидродинамической смазке к трению при полужидкостной (смешанной) или граничной смазке и соответственно к уменьшению минимальной толщины масляной пленки.

Переход дизеля на более форсированный режим работы также может значительно ухудшить условия работы подшипников. При эксплуатации дизелей установлено, что после увеличения частоты вращения коленчатого вала давление подачи масла в подшипники заметно снижается и только через некоторое время начинает медленно повышаться до величины, соответствующей скоростному режиму работы двигателя. Рабочее состояние характеризуется гидродинамическим режимом трения, при котором имеют место механические и коррозионно-механические виды изнашивания, имеющие максимальную величину в зоне с минимальной толщиной масляной пленки. Однако при нагрузках, превышающих рабочее давление на подшипник, недостатке масла или его высокой температуре, повышенной шероховатости шейки вала происходит нарушение гидродинамической масляной пленки, и работа узла трения проходит в условиях трения при граничной смазке, что приводит при кратковременном нарушении масляной пленки к повышенному износу вкладышей и шеек вала, а при длительном – к задирам вкладышей и шеек вала [35].

3.3. Обоснование путей повышения долговечности Из приведенных выше данных следует, что доминирующими деградационными процессами, вызывающими подавляющую часть функциональных отказов коленчатых валов, являются явления, вызванные процессами трения при граничной или смешанной (полужидкостной) смазке, значительно реже усталостные процессы.

Зона контакта в сопряжении «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипник» описывается выражением [105] где 2 – угол прилегания вала к вкладышу; k1 – коэффициент износа материала вала; k2 – коэффициент износа материала вкладыша; = k1 / k2.

Из формулы (3.1) следует, что эпюра давлений располагается не по всей полуокружности вала, причем угол контакта зависит от соотношения коэффициентов износов материалов трущейся пары и не зависит от численных значений износа вала и вкладыша [105]. В случае, когда вал имеет износостойкость больше, чем вкладыша угол 2 будет близким к 180. Когда вкладыш имеет износостойкость больше чем вала, то угол будет значительно меньше 180. Например, при = 3 получим 2 = 135, т. е. с точки зрения контакта в паре трения создаются худшие условия для трения при граничной смазке. Ранее установлено [71], что величины износов шеек вала значительно больше величин износов вкладышей (например, средняя величина износа мотылевых шеек отказавших валов судовых среднеоборотных дизелей составляет 0,077 мм) вследствие того, что толщина антифрикционного слоя на тонкостенных вкладышах составляет 0,02–0,04 мм [71] и их регулярно заменяют на новые номинального размера во время технического обслуживания дизелей, поэтому 2.

Задача достижения высокого уровня надежности коленчатых валов и двигателей диктуется необходимостью обеспечения должной степени безопасности мореплавания и достижения минимального ущерба, связанного с потерями при возможных аварийных ситуациях. Для повышения надежности коленчатых валов судовых дизелей и устранения повышенного износа или задира шеек необходимо увеличить их твердость, износо- и задиростойкость. Анализ причин отказов коленчатых валов позволяет определить критериальные параметры механических и триботехнических свойств поверхностного слоя шеек и наметить пути их достижения.

Модели процессов развития отказов должны содержать основную информацию о процессе, обеспечивать удобство сопоставления с реальными процессами и воспроизводиться достаточно просто в условиях экспериментального исследования. Исключительно важное значение для характеристики процесса возникновения и развития отказа коленчатого вала имеет выбор функционального (структурномеханического) параметра. Физический смысл такого параметра может быть выявлен только после установления его влияния на триботехнические характеристики.

В любом случае проявления отказа его развитие представляет сложный функциональный процесс изменения во времени всех структурно-механических параметров элементов коленчатого вала. Для анализа процесса развития отказов необходимо выразить совокупность структурно-механических факторов (характеризующих уровень качества шеек вала) каким-либо комплексным функциональным параметром.

К сожалению, в отечественной практике ремонт коленчатых валов преимущественно осуществляется шлифованием на ремонтный размер, при этом не учитывается, что даже при незначительных задирах коленчатый вал деформируется, а это обстоятельство не всегда принимается во внимание. Однако после такого ремонта рамовые и мотылевые шейки оказываются несоосными, возникает биение, заметно возрастает вибрация двигателя, понижается мощность и повышается расход топлива, возрастает изнашивание поверхностей трения и т.п.

Режимы триботехнических испытаний образцов (как некоторая совокупность факторов, определяющих механизм развития отказа) имеют количественную и качественную взаимообусловленную связь с режимом эксплуатации коленчатого вала. Количественная связь характеризуется соотношением интенсивностей процессов развития отказов при испытаниях и эксплуатации. Качественная связь выражается в основном единым механизмом воспроизведения при испытаниях адекватных процессов развития отказов (как и при эксплуатации) с последующей коррекцией временных параметров их развития.

Наиболее важной частью проблемы повышения надежности коленчатых валов является разработка методологии, позволяющей охватить при описании процессов отказов все возможные протекающие физико-химические процессы в трибосопряжении. Сложность этих процессов, многообразие их взаимодействий заставляют разрабатывать упрощенные модели развития отказов либо выделять группу процессов, ответственных за надежность детали. Существенную трудность представляет проблема выбора аргументов функции, связывающей показатели надежности с количественными показателями структурно-механических свойств поверхностного слоя шеек вала.

Наибольшее значение для анализа работоспособности коленчатых валов имеют особенности проявления отказов. Во-первых, по особенностям проявления отказа чаще всего можно судить о причине его возникновения, которая в большинстве случаев предопределяет и особенности развития отказа. Во-вторых, соответствующее проявление отказа обусловливает ту или иную тяжесть последствий, которая в значительной степени определяет цену отказа.

Для разработки мероприятий по повышению надежности коленчатых валов необходимо исследовать причинный механизм развития отказа и физикохимическую природу дефектов. Отказ возникает в результате изменения физикохимического состояния системы «шейка вала – вкладыш подшипника» вследствие химических реакций и фазовых превращений в объеме или на поверхностях трения деталей трибосопряжения, которые вызывают уход параметров за допустимые пределы. Трибосистема «шейка вала – вкладыш подшипника» является термодинамически неравновесной, поэтому при разработке технологического процесса упрочнения шеек коленчатого вала необходимо решить задачу формирования в паре трения максимально устойчивых сочетаний материалов.

Для повышения надежности, безопасности эксплуатации, экономичности дизеля необходимо развивать методы многопараметрической диагностики, состояния, дефектоскопию узлов трения. Глубокое изучение механизмов возникновения и кинетики развития отказов, обеспечение систематического регистрирования, накопления фактического материала, выявление причин отказов должны сочетаться с перспективным технологическим обеспечением упрочнения шеек коленчатых валов и учитываться при эксплуатации.

Природа каждого отказа – задира, износа, образования рисок и царапин на шейках, биение шеек вала в большинстве случаев не одинакова. При этом причины возникновения однотипных отказов могут быть различными.

Следует иметь в виду, что вероятность возникновения функциональных отказов в сложных эксплуатационных условиях (например, буксировочные операции, переходные режимы, малый ход и т.д.) может возрастать в несколько раз по сравнению с работой дизеля на номинальных оборотах при постоянной нагрузке или лабораторными условиями эксплуатации. Для учета указанных обстоятельств необходимо рассчитывать показатели долговечности с учетом особенностей предполагаемых условий эксплуатации дизеля.

Большинство отказов коленчатых валов обусловлено износом или задиром шеек, поэтому ускорение износа в процессе триботехнических испытаний на машине трения достигается непрерывной работой испытываемых образцов в условиях трения при граничной смазке и повышенном уровне нагрузки для получения в течение нескольких часов такого же эффекта, как в течение нескольких лет нормальной эксплуатации трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника»

дизеля. При триботехнических испытаниях пар трения перспективным методом ускорения износа и выявления ранних отказов является применение многочисленных циклов включение – выключение с временем включенного состояния, достаточным для нагревания образцов. Хотя бы один выход определяющего параметра X за область допустимых значений Y означает появление функционального отказа сопряжения.

Очевидно, что задача повышения надежности коленчатых валов может быть решена лишь технологически путем создания металлокерамических покрытий на шейках вала для повышения триботехнических свойств сопряжения «шейка вала – вкладыш». Получить износостойкое покрытие можно модифицированием шеек вала композициями на основе минеральных или органоминеральных материалов (например, природных силикатов, имеющих слоистую структуру со слабой связью между слоями, которая облегчает сдвиг между ними, и избежать схватывания металлов вала и вкладыша в условиях трения при граничной смазке). Для повышения триботехнических характеристик и получения требуемых структурных и механических свойств тонкопленочных покрытий силикаты дополнительно модифицируют природными полисахаридами [74]. В этом случае даже при умеренном повышении триботехнических характеристик пары трения вероятность отказов коленчатых валов двигателей может быть существенно снижена.

Разрыв смазочного слоя, приводящий к режиму трения при граничной смазке и далее к явлениям задира и заедания, можно компенсировать наличием тонкопленочного износостойкого покрытия на шейках вала, обладающего низким коэффициентом трения в условиях трения при дефиците смазки в зоне трения.

3.4. Системное проектирование технологического процесса упрочнения шеек коленчатых валов судовых дизелей Сложность решения проблемы обеспечения заданной долговечности трибосопряжения заключается в необходимости учета взаимозависимых параметров комплекса «технология – подшипник коленчатого вала – эксплуатация».

Случайный характер изменения технологических и эксплуатационных факторов обуславливает сложность оценки параметров материала в процессе формирования, невозможность в большинстве случаев предусмотреть необходимые корректирующие воздействия для избежания их отклонений, а также учесть структурно-механические изменения в поверхностном слое материала в процессе технической эксплуатации.

Особенность проблемы в том, что важен не только факт достижения заданного уровня параметров материала, но и то, в каких пределах они могут изменяться, не нарушая несущей способности материала поверхностных слоев деталей сопряжения, как выбирать оптимальные интервалы их значений, чтобы обеспечить заданную долговечность восстановленных деталей.

Важной частью решения этой проблемы является разработка научнопрактического аппарата, позволяющего проектировать технологию восстановления и упрочнения шеек коленчатых валов, обеспечивающую заданную долговечность при приемлемой стоимости.

Проблему обеспечения заданной долговечности коленчатых валов судовых дизелей решали на основе применения системного анализа [76, 128]. С позиции теории управления коленчатый вал представляет собой в системе «технология – подшипник коленчатого вала – эксплуатация» объект исследования (рисунок 3.4), в который входят следующие блоки: входные параметры; процессы, происходящие в трибосистеме, и выходные параметры. Входные параметры поделены на три категории – технологические, эксплуатационные и помехи. Такое разделение позволяет в явном виде выделить влияние технологических параметров на трущиеся элементы системы. Входные эксплуатационные параметры системы образуют блок, характеризуемый с помощью параметров движения и приложенных к узлу трения сил.

Функция системы, приведенной на рисунке 3.4, состоит в преобразовании входных факторов в выходные параметры:

Входные факторы:

1) технологические параметры:

x1т – твердость материала шейки вала (покрытия) и вкладыша;

«технология – подшипник коленчатого вала – эксплуатация»

x2 – предел прочности (текучести) покрытия шейки вала и вкладыша;

x3 – модуль упругости покрытия шейки вала и вкладыша;

x4 – параметры шероховатости рабочих поверхностей шейки вала и вкладыша;

x5 – начальный зазор между втулкой и шейкой вала;

2) эксплуатационные параметры:

x1э – температура смазочного масла на входе и выходе;

x2 – давление смазочного масла;

x3 – динамическая вязкость смазочного масла;

x4 – содержание механических примесей в смазочном масле;

x5 – скорость скольжения шейки вала;

x6 – максимальная удельная нагрузка на подшипник;

v1 – царапины и риски на поверхностях трения шеек вала;

v2 – вибрация дизеля;

v3. деформация корпуса подшипника.

Выходные параметры:

1) частные:

y1 – скорость (интенсивность) изнашивания;

y2 – коэффициент трения;

2) обобщенные:

y3 – вероятность безотказной работы;

y4 – интенсивность отказов;

y5 – средний ресурс (срок службы);

y6 – технико-экономические показатели (например, стоимость и ресурс восстановленного или упрочненного вала).

Потери энергии на трение (характеризуются коэффициентом трения kтр) и потери материалов на изнашивание (определяются скоростью изнашивания ) [128] можно выразить в виде где X – рабочие переменные, а S = { A, P, R} – структура системы, A – элементы рассматриваемой трибосистемы: A = {a1, a2, …, an}, обладающие некоторыми свойствами P = {P(ai)} и взаимодействующие между собой R = {R(ai, aj)}.

Хотя параметры групп X и S не являются независимыми переменными, так как они связаны друг с другом трибологическими взаимодействиями R, приведенные выше символические записи характеристик трения и изнашивания удобно использовать в качестве исходных для практического применения системной методологии.

Износостойкость (выходной параметр) трибоузла определяет его ресурс и зависит от многих факторов, которые можно разделить на три группы [146]: 1 – внешние факторы (среда, смазка, температурный режим работы и др.), 2 – механические параметры взаимодействия и обстоятельства, определяющие вид изнашивания (трение скольжения, абразивное и др.), 3 – структурные факторы, определяемые материалом, его химическим составом, дислокационной и зеренной структурой, зависящими от них свойствами (прочность, трещиностойкость). Совокупность факторов из этих трех групп и определяет искомую величину износостойкости где т – предел текучести; K1с – трещиностойкость; Н – твердость,, – плотность дислокаций; dз – размер зерна; F – сила трения; T – температура;, – характеристики смазки.

При постоянных внешних условиях трения и виде контактирования структурные (материаловедческие) факторы играют решающую роль в резерве повышения износостойкости [146]. Следовательно, наиболее перспективным объектом управления для обеспечения заданной долговечности коленчатых валов являются химический состав и структура износостойкого композиционного материала, которые, в свою очередь, во многом определяют физико-механические свойства покрытия наряду с параметрами режима его получения (технологией).

Для систематизации знаний и практического опыта для более эффективного управления процессом формирования технологических и эксплуатационных свойств коленчатых валов необходимо разработать методику проектирования технологии упрочнения шеек нанесением композиционного покрытия, включающую все этапы исследований, получения математических моделей, решения оптимизационных и технологических задач.

Технологическое обеспечение заданной долговечности коленчатых валов включает в себя принципы, положенные в основу разработки теоретических положений по системному проектированию технологии упрочнения конкретной детали, позволяющие формировать оптимальные параметры поверхностного слоя металла при приемлемой стоимости восстановления.

Для обеспечения требуемой надежности узла трения «шейка вала – вкладыш подшипника» представляется полезной разработка и реализация системного проектирования технологического процесса упрочнения шейки вала, включающая следующие этапы: разработка критериальных параметров поверхностного слоя; выбор материалов и метода модифицирования шейки; получение зависимостей триботехнических свойств пары трения «шейка – вкладыш» от механических параметров поверхностного слоя шейки, необходимыми для управления процессом формирования покрытия; прогнозирование ожидаемого уровня долговечности.

При упрочнении шеек коленчатых валов решается задача повышения первоначальных эксплуатационных свойств валов путем применения при упрочнении новейших технологий и материалов для увеличения поверхностной твердости шеек коленчатых валов, улучшения триботехнических свойств сопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника», т. е. повышения первоначальной долговечности.

Для обоснованного выбора технологии упрочнения шеек коленчатых валов необходимо знание закономерностей изнашивания поверхностного слоя в трибосопряжении, что позволяет минимизировать толщину наносимого или упрочняемого при этом поверхностного слоя, снизить трудоемкость и себестоимость процесса. На эксплуатационные свойства коленчатых валов влияют как физикомеханические свойства материала поверхностного слоя (твердость, степень упрочнения, остаточные напряжения, пределы прочности и выносливости и другие), так и геометрические показатели поверхности (размерная точность, отклонения формы, шероховатость и др.).

Выбор формируемых параметров материала поверхностного слоя деталей основан, как правило, на установлении целей, основных требований, управляющих воздействий, ограничений, критериев эффективности, поиске оптимума, выявлении закономерностей процессов технологического формирования свойств материала деталей, а также установлении закономерностей изменения этих свойств в процессе эксплуатации и параметров разрушения поверхностного слоя.

Долговечность детали с износостойким покрытием будет зависеть от структурно-энергетических параметров покрытия (технологии) и условий работы (эксплуатационных факторов, а также от характера и степени влияния технологии нанесения покрытия на деталь в целом. Правильный выбор технологических решений, учитывающий изменение структурно-энергетических параметров детали в процессе эксплуатации, позволяет обеспечить требуемый ресурс детали при минимизации материальных и трудовых затрат на ее упрочнение.

Блок-схема проектирования технологии упрочнения шеек коленчатых валов нанесением композиционного покрытия приведена на рисунке 3.5.

Для проектирования оптимального технологического процесса, обеспечивающего требуемую долговечность коленчатых валов, необходимо выбрать или разработать критериальные параметры (блок 2.1).

Выбор номинальных значений критериальных параметров ТП осуществляется после определения особенностей изнашивания шеек коленчатых валов и доминирующего вида изнашивания (блок 3.1) и оптимального ресурса (блок 3.2). Физикомеханические и триботехнические параметры поверхностного слоя детали выбирают так, чтобы обеспечить заданный ресурс, т. е. определяются граничные технические требования к детали, предъявляемые к ней исходя из условий эксплуатации.

Минимальный ресурс обеспечивается физико-механическими и триботехническими параметрами поверхностного слоя детали, которые были заложены при проектировании ТП упрочнения в соответствии с техническими требованиями.

Способ механической обработки шеек коленчатых валов (блок 2.2) для получения необходимого размера назначается в зависимости от величины износа и твердости шейки (точение или шлифование).

Рисунок 3.5 – Блок-схема проектирования ТП упрочнения шеек коленчатых валов Наиболее важным этапом при проектировании технологии упрочнения является разработка новых износостойких композиционных материалов с учетом всех процессов, наблюдаемых в трибосистеме (блок 2.3). Наиболее перспективными композициями для упрочнения поверхностей трения являются минеральные и органоминеральные материалы [77].

Затем осуществляется выбор способа упрочнения шеек коленчатых валов (блок 2.4). В настоящее время модифицирование поверхностей трения минеральными и органоминеральными материалами осуществляется фрикционным методом или ультразвуковой обработкой [77, 154–157 и др.]. Для упрочнения шеек коленчатых валов наиболее перспективным является фрикционный метод.

Оптимизация параметров упрочнения шеек коленчатых валов (блок 2.5) осуществляется на основании полученных моделей влияния параметров режима обработки на механические и триботехнические свойства покрытий (блоки 2.6 и 2.7).

Оптимальным ресурсом для коленчатых валов СОД (блок 3.2) следует считать ресурс двигателя до его капитального ремонта, устанавливаемого техническими условиями.

Заключительным этапом анализа разработанного варианта ТП упрочнения шеек коленчатого вала является прогнозирование его ресурса, а также расчет стоимости и определение экономической эффективности и целесообразности упрочнения шеек вала (блоки 3.3 и 2.9).

Эффективность разработанного ТП зависит от целесообразности принимаемых решений. Часто мероприятия по повышению долговечности могут и не требовать существенных затрат, поскольку наука и практика подсказывают рациональные решения. Анализ различных вариантов достижения рационального уровня долговечности должен исходить из условия получения наибольшего суммарного экономического эффекта с учетом затрат на упрочнение детали и последующую эксплуатацию оборудования. Суммарный экономический эффект при эксплуатации оборудования складывается, во-первых, из затрат на упрочнение детали, включая проектирование ТП, опытную эксплуатацию, доработку ТП и т. д., во-вторых, из затрат на эксплуатацию коленчатого вала, включая техническое обслуживание и ремонт.

Расчет стоимости упрочнение коленчатого вала (блок 2.9) осуществляется путем составления калькуляции ТП.

Для оценки целесообразности и эффективности восстановления деталей необходимы модели, позволяющие с достаточной вероятностью определить ресурс детали (блок 3.2). Кроме того, изменяя технологию можно управлять долговечностью упрочняемой детали. Прогнозируемый ресурс деталей должен быть не менее заданного ресурса.

Упрочнение деталей считается целесообразным, если обеспечивается требуемая долговечность и экономия по сравнению с восстановлением или приобретением новой детали.

После проектирования технологии упрочнение на основании экономического анализа и расчета долговечности детали принимается окончательное решение — обеспечивает ли ТП все технические требования, предъявляемые к детали с учетом опыта предыдущей эксплуатации, и заданный ресурс. Кроме того, стоимость упрочняемой детали должна быть, как правило, в пределах 40–50 % от стоимости новой.

После принятия решения о целесообразности использования разработанного ТП изготавливается опытная партия деталей и проводится подконтрольная эксплуатация для оценки ресурса упрочненных коленчатых валов.

3.5. Обоснование выбора материала и способа его нанесения для повышения износостойкости трибосопряжения Для уменьшения вероятности схватывания и задира в период приработки и повышения долговечности трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника»

СОД за счет уменьшения скорости изнашивания, особенно в период приработки, наиболее перспективным направлением упрочнения шеек коленчатых валов является создание металлокерамического тонкопленочного покрытия на поверхностях трения шеек.

Для получения высокой износостойкости покрытия необходимо получить гетерогенную структуру, у которой пластичная и прочная матрица и твердые наполнители. Такую структуру имеют металлокерамические и металлоорганокерамические пленки. В настоящее время для модифицирования поверхностей трения широкое применение нашли композиции геоматериалов (природных силикатов, имеющих слоистую структуру) на основе серпентинита и вермикулита [77, 131] и полимер-силикатные нанокомпозиты на основе политетрафторэтилена и серпентинита [44], которые способны формировать защитные металлокерамические и полимерокерамические пленки на поверхностях трения.

Анализ публикаций и патентов показывает, что при использовании смазочных композиций (СК) с добавлением ГМТ типа серпентинитов работоспособность трибосопряжений может значительно увеличиться. При этом потери энергии на преодоление трения могут снизиться на порядок, а износостойкость сопряженных деталей повыситься в 2–4 раза. Шероховатость металлических поверхностей трения может также снизиться в несколько раз и составить Ra = 0,03–0,05 мкм. При использовании СК с ГМТ на поверхностях трущихся деталей может сформироваться защитный металлокерамический слой толщиной до 20–30 мкм. Скорость формирования (наращивания) слоя пропорциональна локальным вспышкам температуры и давлению на пятнах фактического контакта. В связи с этим высаживание слоя в первую очередь происходит на изношенных участках сопряженных поверхностей, в результате чего происходит восстановление размеров и формы деталей.

Природные [67, 70, 80, 102, 105, 131] и искусственные [170] силикаты имеют слоистую структуру со слабой связью между слоями, облегчающей сдвиг между ними. Например, в структуре серпентина чередуются магниевые [Mg(OH)2] слои с кремниевыми (Si2O3). Износостойкие металлокерамические пленки, образующиеся на поверхностях трения в присутствии смазочной композиции с добавкой порошкообразного гидросиликата магния, могут иметь твердость 65–72 HRC, шероховатость Ra от 0,04 до 0,30 мкм при коэффициенте трения 0,003 и температуру разрушения 1700–2000 °С. В силикатах Si может замещаться на А1, a Mg на — Al, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Ni. Образующийся слой способен «залечивать» дефекты на поверхности трения. Основной минерал, используемый для получения металлокерамических покрытий — серпентин (антигорит, хризотил, и лизардит). В переводе на окислы серпентин содержит 43 масс. % MgO, 44 мас. % SiO2 и 12,1–12, мас. % H2O. Состав ингредиентов в серпентинитах может изменяться в широких пределах [103].

Большой разброс химического состава и структуры природных минералов приводит к существенному различию и по их твердости, например, микротвердость серпентинита из разных месторождений изменяется в пределах 75–610 HV, кгс/мм2, а из одного месторождения изменяется в пределах от 1,7 до 3,0 раз [103, 152]. Разброс по коэффициентам трения в сопоставимых условиях испытаний может также изменяться в пределах от 3–4 раз при использовании минералов из разных месторождений и до 1,5–2,0 раз для одного месторождения [69, 103]. Это обстоятельство создает ряд дополнительных трудностей при их применении. Поэтому материалы для триботехнических задач после переработки должны сертифицироваться по 18–20 параметрам [103]. При отсутствии необходимого контроля за составом и свойствами материалов, используемых для формирования покрытий, влияние покрытия на долговечность трибосопряжения может изменяться в очень широких пределах и в ряде случаев приводить к негативным результатам [152, 157].

Наиболее широкое применение получил серпентинит, состоящий в основе из серпентина, но не являющийся самым эффективным по своим характеристикам [68, 77, 103]. Серпентины относятся к группе триоктаэдрических слоистых силикатов. Кристаллическая структура серпентина составлена двухэтажными слоями, образованными кремнекислородной, тетраэдрической и бруситоподобной октаэдрической сетками, сочлененными через общие вершины [141].

Для образования металлокерамического покрытия необходимо чтобы в смазке с добавкой минералов твердость частиц ГМТ не была ниже поверхностной твердости упрочняемой детали для очистки ее поверхности от окислов и загрязнений. Это означает, что взаимодействие частиц ГМТ с поверхностями трения начинается с процессов их шаржирования, т. е. внедрения в них более твердых частиц, входящих в состав ГМТ. В основном это оливины (MgFe)2SiO4, с твердостью по шкале Мооса 6,5 (67 HRC) и пироксены – частицы горной породы, состоящей из элементов Са, Na, Mg, Fe, Mn, Ni, Cr, Ti, Al и Si с твердостью 5–6 ед. по шкале Мооса (50 HRC).

Большинство ГМТ получают на основе природного материала серпентинита, состоящего из серпентина Mg6[Si4O10](OH)8, магнитного и хромистого железняка, частиц оливинов и пироксенов. Серпентин (твердость по Моосу 2,5–3,5 700– 1500 МПа) является наиболее мягкой основой серпентинита и по структуре напоминает гетерогенную структуру антифрикционных сплавов. В мягкой волокнистой основе серпентина присутствуют твердые кристаллы в виде кремнекислородных тетраэдров SiO4 [103, 131].

В условиях больших удельных нагрузок, возникающих на пятнах фактического контакта, и в случае отсутствия смазки образующееся металлокерамическое покрытие обеспечивает процесс локального гидродинамического (жидкостного) трения вследствие выделения кристаллизационной воды, содержащейся в целом ряде слоистых силикатов, и процессов релаксации напряжений в частицах минералов, протекающих за счет различия в размерах элементарных кристаллических ячеек силикатных и магниевых слоев, что способствует наращиванию на поверхностях трения защитных металлокерамических пленок, обладающих повышенной износостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами, но недостаточной теплопроводностью [103].

На основании анализа эксплуатационных свойств покрытий, получаемых при использовании геоматериалов, и применяемых для упрочнения поверхностей трения, были выбраны следующие минеральные и органоминеральные материалы для триботехнических испытаний и создания на их основе оптимальной триботехнической композиции для модифицирования шеек коленчатых валов, а именно: серпентинит; алюмосиликат природного происхождения; алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния; металлосилоксан.

Серпентинит, который применялся для исследований, имел следующий элементный состав:

Его брутто-формула: 4.5MgO0.7Fe2O30.3 CaO0.2MnO4SiO24H2O. Крупность размола серпентинита (до его обработки в диспергаторе) находится в пределах 1– 5 мкм.

Состав алюмосиликата природного происхождения имеет следующий элементный состав:

Его брутто-формула: Mg·Fe0.8·Al0.4·Si2.1O9·H2O·(CaSiO3)0.9. Крупность размола силиката (до его обработки в диспергаторе) находится в пределах 1–20 мкм.

Природный полисахарид имеет молекулярную массу < 200000 Д и следующие характеристики:

Модифицирование алюмосиликата природного происхождения полисахаридом проводили по известному методу [77]. Для модифицирования силиката готовят 1% раствор полисахарида, путем его растворения в 2%-ой уксусной кислоте.

Далее размолотый силикат вводят в раствор полисахарида из расчета 100 г силиката на 270–330 мл раствора полисахарида. Далее смесь размещают в емкости снабженной механической мешалкой с приводом и обеспечивают перемешивание смеси в течение 3 ч. По окончанию процесса перемешивания, добавляют 5%-й раствор аммиака, до получения смесью рН = 8. Далее силикат отфильтровывают известным образом и сушат до постоянного веса. Структура модифицированного алюмосиликата отличается от исходной, поскольку полисахарид внедряется в межслоевое пространство силиката, изменяя ее [70].

Для снижения фрикционных качеств природных силикатов и их композиций природный серпентинит заменили искусственным металлосилоксаном, который имеет стабильные химический состав и структуру. Кроме того, обеспечивается возможность плакирования частиц природного алюмосиликата при использования металлосилоксана. Кроме того, обеспечивается возможность использования недорогого металлосилоксана для модифицирования природного алюмосиликата.

При этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие. Благодаря этому повышаются стабильность, прочность и долговечность антифрикционного покрытия.

Металлосилоксан был выбран в качестве модификатора, так как он имеет слоистую структуру с d100 (рисунок 3.6 а) близкую к d100 алюмосиликата (рисунок 3.6 б), легко растворим в органических растворителях и таким образом его легко наносить на поверхность алюмосиликата.

Поиск оптимального химического состава материалов для упрочнения шеек коленчатых валов для решения задачи повышения их долговечности путем получения износостойких композиционных покрытий осуществлялось в соответствии блоксхемой (рисунок 3.7). d=12. Lin (Cps) Рисунок 3.7 – Блок-схема поиска оптимального химического состава материалов для модифицирования шеек коленчатых валов (См – стоимость модифицирования шеек; Св – стоимость восстановления вала; tв – ресурс вала с металлокерамическим покрытием ; tн – ресурс нового вала) Для формирования металлокерамических износостойких пленок на поверхностях трения в настоящее время используются следующие методы: подача минералов в зону трения во время штатной эксплуатации машины, механизма или оборудования [74, 101, 104, 106, 107, 151, 155 и др.]; ультразвуковая обработка с подачей смазки, содержащей минералы, в зону упрочнения [105, 128, 145, 159, 160 и др.] и фрикционно-механическая [77].

В настоящее время технологические особенности обработки трибосопряжений в каждом конкретном случае устанавливаются, исходя из накопленного опыта, или экспериментально. Заранее предсказать, как изменится их работоспособность после обработки препаратами с ГМТ затруднительно.

Формирование металлокерамических износостойких пленок на поверхностях трения шеек коленчатых валов при их восстановлении возможно следующими методами: ультразвуковой обработкой с подачей смазки, содержащей минералы в зону упрочнения и фрикционно-механическим методом.

Применение ультразвуковой обработкой с подачей смазки, содержащей минералы, в зону упрочнения для модифицирования поверхностей трения шеек коленчатых валов проблематично из-за наличия на их поверхности отверстий для подачи смазки, края которых при ударе индентором будут деформироваться и крошиться.

Наиболее простым и технологичным способом модифицирования шеек коленчатых валов является фрикционно-механический, так позволяет производить механическую обработку и модифицирование на одном станке без его переустановки.

Для модифицирования шеек коленчатых валов фрикционно-механическим методом используется стальной или чугунный индентор, который прижимается к упрочняемой поверхности с требуемым усилием. Смесь минеральных или органоминеральных материалов со смазкой подается в зону трибоконтакта. Коленчатый вал приводится во вращение на токарном или специализированном станке для шлифования коленчатых валов.

3.6. Разработка механизма формирования износостойкого Первоначально в качестве рабочей гипотезы для случая обработки стальных пар геомодификаторами была принята схема, основанная на упрощенном рассмотрении серпентинитов как смеси силикатов магния и включающая в себя элементы моделей образования защитного покрытия, заимствованные из теорий холодной сварки и порошковой металлургии [74].

Согласно данной схеме при использовании ГМТ условно выделялось несколько фаз. На начальном этапе происходит очистка и микрошлифование поверхностей пар. Выступы микрорельефа трибосопряжений измельчают частицы ГМТ до размеров, соизмеримых с геометрией рельефа. Под действием контактного давления измельченные частицы вдавливаются во впадины рельефа. Поверхностно-активные вещества способствуют плотному контакту частиц состава с поверхностью металла. При трении в процессе разрушения выступов рельефа происходит выделение тепловой энергии. Благодаря тепловой энергии в присутствии катализаторов, ускоряющих ионно-обменные реакции, происходит замещение атомов магния в силикатах на железо, а атомов железа в приповерхностных слоях стальных деталей на атомы магния. Заключительной фазой процесса является спекание частиц состава под действием контактного давления и нагревания с образованием сплошного защитного металлокерамического покрытия. Недостаток рассмотренной схемы в том, что она не дает информации о составе покрытия, и о зависимости свойств покрытия от условий обработки, а также от свойств серпентинитов.

При работе подшипника коленчатого вала в зоне контакта шейки вала и вкладыша наблюдаются процессы не только механические, но и физико-химические. Установлено [146, 160], что в зоне контакта трибосопряжений происходит выделение тепла; существуют поля не только напряжений и деформаций, но и тепловые, электрические и др.; изменяется структура сплавов (количество и расположение дефектов, их эволюция), даже синтезируются новые вещества. В этом активно участвует окружающая среда, смазка. Новые структурные состояния вещества на рабочей поверхности, образующиеся при трении, являются «вторичными» структурами. Для установления физической природы вторичных структур, образующихся при трении скольжения, В. В. Горский проанализировал условия внешнего воздействия на материал в точке (пятне) контакта. Оно характеризуется следующими параметрами [146]:

– удельная нагрузка 7–14 ГПА;

– относительная скорость сдвига 106 с–1;

– время жизни пятна контакта – менее 10–4 с;

– время охлаждения 10–3–10–5 с;

– мощность импульса 105–106 Вт/см2.

В результате мощного импульсного энергетического воздействия в пятне контакта образуется новая структура, которая может течь как квазижидкость.

Квазижидкое состояние вещества после прекращения контактирования тел в данном месте переходит (при определенных условиях трения) в аморфнокристаллическую структуру с содержанием кислорода до 40 % [146].

Экспериментально доказано, что эволюция поверхностного слоя материала при трении [146] это процесс стадийный. Первая стадия – пластический сдвиг, разрыхление поверхностного слоя материала. Вторая стадия – ротация. Результатом завершенной ротации является образование «молей» вещества. На третьей стадии вновь осуществляется пластический сдвиг, приводящий к намазыванию вещества «молей».

При механо-температурном воздействии в зоне трибоконтакта при наличии минеральных и органоминеральных материалов возникают механизмы трансформации структуры и свойств частиц минералов, механизмы абразивного взаимодействия частиц минералов с поверхностью трения; механизмы наращивания защитных металлокерамических и металлоорганокерамических пленок из наноразмерных частиц, образующихся после деградации исходных продуктов минералов в трибосопряжении; механизмы диффузии химических элементов в поверхностный слой детали [131].

Механизм формирования износостойкого металлокерамического покрытия на поверхности трения при фрикционно-механическом методе обработки путем подачи смазочной композиции, содержащей минералы, органоминерали или полимероминеральные композиции условно можно разделить на 2 этапа, которые выполняются за две технологические операции:

– нанесение композиционного модифицирующего материала на поверхность трения и формирования отдельных участков покрытия. Время выполнения данной технологической операции в зависимости от энергетических параметров (скорости скольжения и усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности) составляет от одной до нескольких минут (максимум 6 мин);

– формирование износостойкого металлокерамического покрытия. Время выполнения данной технологической операции составляет не более 1 часа (45– 50 мин.). Износостойкость покрытия зависит от параметров режима формирования (обкатки).

Следует отметить, что в случае невыполнения технологической операции по формированию износостойкого покрытия наблюдается переход частиц минералов с поверхности вала и их внедрение в антифрикционную поверхность вкладыша подшипника, вследствие этого происходит интенсивное изнашивание вала, а износ вкладыша практически отсутствует.

Формирование износостойкого металлокерамического покрытия происходит в результате протекания следующих процессов.

Во время первой технологической операции происходит шаржирование поверхности трения более твердыми частицами по сравнению с твердостью упрочняемого материала, входящими в состав минерала или композиции и плотная нагартовка частиц в углубления микрорельефа. Эти процессы являются необходимым условием запуска двух процессов: абразивного изнашивания (приработки) и неустойчивого процесса формирования защитной керамической пленки. Микрорельеф очищается от всех загрязнителей (продуктов износа и разложения смазок и т. д.), присутствующих на поверхности трения. Часть частиц минералов имеет большие размеры по сравнению с размерами выступов и углублений микрорельефа или соизмеримые с ними. Выступы микрорельефа, как зубья мельницы, размалывают их. При размоле происходит интенсификация процессов микросваривания и микросхватывания, т.к. большее количество микровыступов будет разрушено в результате контакта с частицами минералов.

Для образования адгезионных связей с формируемым покрытием необходимо, чтобы в углублениях микронеровностей вместо загрязнителей находились частицы композиции. В ходе домола минералов чисто механически, вдавливаясь противоположным выступом микрорельефа сопряженной поверхности трения, очищают другую поверхность. При этом также происходит плотная нагартовка частиц композиции в углубления микрорельефа. Чем меньше будет продуктов загрязнения, тем активнее будет происходить стадия нагартовки домолотых частиц минералов. Именно при плотной нагартовке, в результате энергии, выделяемой при трении, протекает реакция замещения атомов магния в кристаллических решетках силикатов на атомы железа поверхностного и подповерхностного слоев металла, а также диффузия элементов смазочной композиции в поверхностный слой металла. Кроме того, они выстраиваются по направлению наименьшего механического сопротивления, а выступы микрорельефа при контакте еще и утрамбовывают частицы.

Образование отдельных кристаллов на поверхности трения. При движении поверхности индентора относительно упрочняемой поверхности выступы микрорельефа удаляют не только пленки окислов, смазки и т. д., имеющиеся на поверхности но, и набегая друг на друга, разрушаются. В местах разрушения выступов происходят микровспышки. При наличии минералов в местах разрушения при высоких температурах (температура зависит от скорости разрушения и твердости самого выступа и может достигать 1400 C [74]) протекают своеобразные микрометаллургические процессы с образованием новых кристаллов. При этом вследствие диссипации энергии и высокой скорости охлаждения вновь образовавшийся объем металлокерамики кристаллизуется. Так в местах выступов появляются первые пятна покрытия.

Во время второй технологической операции происходит формирование износостойкого покрытия. Предыдущая операция обеспечила контакт частиц композиции с ювенильной поверхностью упрочняемого металла. Необходимая энергия для прохождения реакции замещения — это энергия трения или удара. В результате диффузионных, ионозамещающих, металлургических и ротационных процессов в углублениях и на выступах микрорельефа образуются кристаллы металлокерамики, которые и составляют износостойкий защитный слой, параметры шероховатости уменьшаются, т. е. происходит выравнивание микрогеометрии поверхности трения детали. При этом механические и триботехнические свойства металлокерамического слоя остаются стабильными в течение длительного срока эксплуатации не только упрочненной детали, но и трибоузла в целом.

4. Исследование свойств износостойких покрытий и выбор оптимальных технологических параметров их нанесения 4.1. Исследование влияния твердости шеек коленчатого вала и типа антифрикционного покрытия на износостойкость трибосопряжения На морских судах установлены среднеоборотные дизели (СОД) в качестве главных и вспомогательных двигателей, имеющих коленчатые валы с твердостью шеек в интервале от 164 НВ до 58 HRC, и укомплектованные различными типами вкладышей подшипников.

Сравнительные триботехнические испытания образцов из стали 45 различной твердости и элементов натурных вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий были проведены по методике п. 2.2.

Основной целью проведения сравнительных триботехнических испытаний являлась оценка фрикционной совместимости шеек коленчатых валов с различной твердостью и вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий и методами их нанесения, используемых в СОД. Совместимость оценивали по трибостойкости узла, т. е. способности данного сочетания материалов обеспечивать при переходных режимах работы приемлемо малые и стабильные значения сил трения, интенсивности изнашивания и вероятности заедания в заданном диапазоне рабочих давлений, скоростей и температур.

Образцы изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость была 212±10 НВ, часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения величин твердости 44±1 HRC и 54±1 HRC. В качестве неподвижного образца использовалась колодка, изготовленная из вкладышей подшипников СОД с различными антифрикционными покрытиями.

Наиболее широкое распространение у СОД, работающих на дистиллятных сортах топлива, получили трехслойные стале-бронзово-PbSnCu вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu (коды вкладышей 03, 13, 23, 75, 81, 303, 329). СОД, работающие на тяжелых сортах топлива, укомплектованы преимущественно вкладышами с напыленным антифрикционным слоем из сплава АО20 (Miba 34, 36, 37) и современными канавчатыми трехслойными стале-алюминиево-PbSnCu вкладышами (Rillenlager) (коды вкладышей 24, 26, 33, 336) [71].

Сравнительные триботехнические испытания пары трения «вал – вкладыш»

при различных величинах твердости вала и материала антифрикционного слоя вкладыша (таблица 4.1. и рисунок 4.1) позволили установить, что износостойкость напыленного сплава АО20 наибольшая среди исследуемых антифрикционных покрытий. Наименьшую износостойкость имеют вкладыши с гальваническим антифрикционным покрытием. Современные вкладыши с покрытием Rillenlager (Miba 33) занимают по износостойкости промежуточное положение между гальваническими и напыленными сплавом АО20. При этом износ стального образца при любой твердости наименьший при использовании вкладышей с гальваническим антифрикционным покрытием, наибольший — у вкладышей с покрытием Rillenlager. Суммарный износ сопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника»

наименьший при использовании вкладышей с напыленным антифрикционным сплавом АО20. Скорость изнашивания стали 45 и материала вкладышей по мере снижения твердости вала возрастает.

Следует отметить, что вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2 в условиях трения при граничной или полужидкостной смазках обладают низкой долговечностью из-за малой его толщины (0,02–0,04 мм). После изнашивания гальванического слоя шейка вала скользит по среднему слою из бронзы (Z30 (БрС30) или CuPb22Sn), т. е. подшипник работает в паре трения «сталь–бронза», которая характеризуется более высокими величинами коэффициента трения, температуры в зоне трения и скорости изнашивания шейки коленчатого вала.

Наиболее низкий коэффициент трения в случаях, когда сталь подвергнута закалке, обеспечивают вкладыши №33 (Rillenlager).

В парах трения с образцами из незакаленной стали наиболее высокие триботехнические свойства обеспечивают вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2.

Таблица 4.1 – Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных величинах твердости вала и материала антифрикционного слоя вкладыша АО20 – сталь сталь 45 (54 HRC) сталь 45 (45 HRC) сталь 45 (45 HRC) сталь 45 (212 HB) сталь 45 (212 HB) Примечания. * – выход на бронзу.

Рисунок 4.1 – Зависимости скорости изнашивания стали 45 от ее твердости и типа антифрикционного слоя вкладыша для пары трения:

1 –сталь 45 (212 HB) – №33 (гальванический); 2 – сталь 45 (54 HRC) – АО20;

3 – сталь 45 (45 HRC) – №33 (Rillenlager); 4 – сталь 45 (212 HB) – АО20;

Повышение удельной нагрузки на пару трения при любых сочетания твердости вала и материала вкладыша (таблица 4.1) приводит к росту коэффициента трения и температуры в зоне трибоконтакта, причем с уменьшением твердости стали величина температуры растет более интенсивно.

Таким образом, для пары трения «незакаленная сталь–вкладыш подшипника»

по триботехническим свойствам предпочтительными являются вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем из свинцово-оловянного сплава PbSn18Cu2, однако они характеризуются низким ресурсом вследствие малой толщины гальванического слоя (0,02–0,04 мм) и низкой износостойкости. При нагрузке 200 Н в течение 1 ч антифрикционный гальванический слой полностью изнашивается и подшипник к концу испытаний начинает работать в паре трения «сталь–бронза».

Для валов с закаленными шейками наилучшие триботехнические свойства и долговечность пары трения обеспечивают вкладыши с напыленным антифрикционным слоем материалом АО20.

Повышение твердости вала позволяет снизить скорости его изнашивания и антифрикционного слоя вкладышей и температуру в зоне трибоконтакта.

4.2. Выбор оптимальных параметров модифицирования шейки вала металлосилоксановыми полимерами, минеральными и Формирование эксплуатационных свойств композиционного покрытия определяется химическим составом покрытия и параметрами его получения. Основными параметрами модифицирования стального диска фрикционным методом являются: усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности Ри и время упрочнения t. Линейная скорость упрочняемой поверхности была постоянной и составляла 0,71 м/с (5–1 с). Интендор представляет собой ролик диаметром 45 мм и шириной 10 мм, изготовленный из стали или серого чугуна. Модифицирующий состав, состоящий из смеси полимера металлосилоксана и моторного масла марки М-14-Д2 (цл 30), наносился на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подавалась в зону трения каждые 15–20 с капельным методом.

На основании литературного анализа по получению металлокерамических покрытий [69, 71] и серии предварительных экспериментов были выбраны следующие уровни факторов и интервалы варьирования (таблица 4.2).

Таблица 4.2 – Уровни факторов и интервалы их варьирования Усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности Ри, Н Диски для упрочнения были взяты из стали 45 твердостью 212 НВ, так как свыше 80% коленчатых валов имеют твердость шеек в диапазоне 201–230 НВ. В качестве сопряженной детали использовали элементы из вкладыша № (Rillenlager), обеспечивающие достаточную долговечность для испытаний.

Усилие прижатия индентора менее 100 Н не обеспечивает качественного упрочнения. Увеличение нагрузки свыше 400 Н приводит к задиру. Триботехнические испытания проводили по методике, изложенной в п. 2.4, режим №1 (таблица 2.1). Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в таблице. 4. и в таблице приложения А. В качестве функций отклика выбраны величины скорости изнашивания металлосилоксанового слоя диска и антифрикционного покрытия вкладыша подшипника при нагрузке 200 Н.

Таблица 4.3 – Матрица планирования и результаты экспериментов Примечания.

1. В числителе приведены величины скорости изнашивания, коэффициента трения и температуры при нагрузке 200 Н, в знаменателе – 400 Н.

2. * – опыт №5 – ступенчатая схема увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности с интервалом 100 Н, минимальная величина усилия 100 Н, максимальная – 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке 1 мин.

В результате исследований получены зависимости величин скоростей изнашивания металлосилоксанового слоя диска (4.1) и вкладыша подшипника (4.2) от параметров режима упрочнения стального образца Наибольшее влияние на скорости изнашивания металлосилоксанового слоя диска и вкладыша подшипника оказывает парное взаимодействие усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности и времени упрочнения (4.1 и 4.2). При времени упрочнения 1 минута с увеличением усилия прижатия индентора величины скоростей изнашивания диска и вкладыша незначительно уменьшаются (рис. 4.2). При времени упрочнения 6 минут с увеличением усилия прижатия индентора величины скоростей изнашивания диска и вкладыша резко возрастают.

Рисунок 4.2 – Зависимость скоростей изнашивания покрытия диска (линии 1 и 2) и вкладыша подшипника (линии 3 и 4) от нагрузки на индентор и Оптимальным по всем триботехническим параметрам является режим упрочнения, при котором минимальное усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности (100 Н) и максимальное время упрочнения (6 мин).

Учитывая, что обеспечить линейную скорость обрабатываемой поверхности точно 0,71 м/с при различных диаметрах шеек коленчатых валов, были проведены исследования влияния скорости вращения образца на скорость изнашивания при нагрузке 100 Н. Из зависимостей скорости изнашивания поверхностей трения трибосопряжения следует, что увеличение энергетических параметров в зоне трибоконтакта приводит к возрастанию износостойкости покрытия и уменьшению необходимого времени для его образования, поэтому были проведены дополнительные исследования при скорости упрочнения 1,0 м/с и времени упрочнения 1 мин. Дальнейшее увеличение скорости упрочнения приводит к схватыванию и задиру. Установлено, что увеличение скорости упрочнения с 0,71 до 1,0 м/с приводит к повышению износостойкости вала и уменьшению износа вкладыша в 1,3 раза.

Параметры режима упрочнения металлосилоксановым полимером оказывают весьма существенное влияние на механические свойства покрытия (таблица 4.3 и П1). Причем покрытие характеризуется большими величинами модуля упругости по сравнению со сталью. Наиболее высокой твердостью характеризуется покрытия, полученные на режимах №3 и 5, которые обладают и более высокой износостойкостью. Следует отметить, что покрытие, полученное на режиме №5 обладает более стабильной износостойкостью на различных режимах трения в условиях граничной смазки.

Минимальный коэффициент трения обеспечивается при упрочнении на режиме №3 (таблица 4.3), максимальный – на режиме №1.

Таким образом, оптимальными по всем триботехническим параметрам при нагрузке на трибоузел 200 Н являются следующие режимы упрочнения металлосилоксановым полимером:

– усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности 100 Н, линейная скорость упрочняемой поверхности 0,71 м/с, время упрочнения 6 минут;

– усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности 100 Н, линейная скорость упрочняемой поверхности 1,0 м/с, время упрочнения 1 минута.

Для нагрузки на трибоузел 400 Н при упрочнении вала металлосилоксановым полимером (таблица 4.4) предпочтительным является режим ступенчатого увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности с интервалом 100 Н, минимальная величина усилия 100 Н, максимальная – 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке составляет 1 минуту.

Для модифицирования стальных образцов минеральными и органоминеральными материалами была реализована ступенчатая схема увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности с интервалом 100 Н, минимальная величина усилия 100 Н, максимальная – 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке составляло 1 минуту [73].

4.3. Исследование влияния состава минеральных и органоминеральных материалов, используемых для модифицирования шейки вала, Для определения оптимального состава минеральных и органоминеральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов и обеспечения заданной долговечности были проведены триботехнические испытания в соответствии с блоксхемой, приведенной на рисунке 3.4. Исследования проводили в несколько этапов.

Сначала исследовались вещества, которые нашли применение для создания износостойких покрытий или могут найти применение в составе композиций материалов:

серпентинит (состав №1), алюмосиликат (состав №2), искусственный силикат магния (состав №3), металлосилоксановый полимер (состав №4) и серпентинит, модифицированный полисахаридом природного происхождения (состав №5).

Для получения модифицирующего состава предварительно размолотые минералы до размера частицы не более 0,1 мм вводят в масло марки М-14-Д2(цл 30) из расчета 350–400 г на литр и затем подвергают обработке в гидродинамическом кавитационном диспергаторе, с частотой около 200 Гц не менее 30 минут, обеспечивая конечную дисперсность твердых частиц в суспензии в пределах от 0,05 до 3 мкм.

Модифицирование поверхности стального образца минеральными и органоминеральными материалами осуществляли фрикционным методом на режиме:

скорость вращения образца 5–1 с (линейная скорость упрочняемой поверхности 0,71 м/с), усилие ступенчато увеличивали со 100 Н до 400 Н с интервалом 100 Н и времени воздействия при каждой нагрузке 1 мин.

Модифицирование поверхности стального образца металлосилоксановым полимером осуществляли на режиме: усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности 100 Н, линейная скорость упрочняемой поверхности 0,71 м/с, время упрочнения 6 минут.

Модифицирующий состав, состоящий из минерального или органоминерального материала и масла, наносился на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подавалась в зону трения каждые 15–20 с капельным методом.

Триботехнические испытания проводили в соответствии с методикой, приведенной в п. 2.4, режим №2.

Так как шейки коленчатых валов различных типов СОД имеют разную твердость (201–230 НВ, 43–53 HRC и 51–57 HRC) для исследований были взяты три группы образцов из стали 45 твердостью: 212±6 НВ, 42–45 HRC и 54±1 HRC.

Наибольший объем исследований выполнялся для стали 45 твердостью 212 НВ, так как свыше 80% коленчатых валов СОД имеют твердость шеек в диапазоне 201–230 НВ.

В процессе испытаний фиксировали следующие параметры: интенсивность (величину) изнашивания, силу (коэффициент) трения и температуру фрикционного разогрева (таблица 4.4).

В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 212 HВ установлено (таблица 4.4 и рисунки 4.3–4.5), что модифицирование стали позволяет снизить коэффициент трения после приработки сопряженных поверхностей (примерно через 45 минут после начала испытаний) и существенно уменьшить износ модифицированной стали и антифрикционного слоя вкладышей подшипников, при этом величины износов существенно зависят от состава модификатора.

Следует отметить, что приработка пары трения «вал – вкладыш» в условиях трения при граничной смазке происходит примерно в 2 раза быстрее (рисунок 4.3) в результате модифицирования поверхности стального образца любым материалом (составы 1, 2, 4), причем алюмосиликат и металлосилоксан обеспечивают наиболее стабильный коэффициент трения, который при увеличении нагрузки сначала возрастает, а затем стабилизируется. Модифицирование серпентинитом позволяет получить покрытие, коэффициент трения которого после приработки с увеличением нагрузки плавно снижается и достигает минимума при 400 Н.

Таблица 4.4 – Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 212 HВ (Rillenlager) – № 33 (Rillenlager) – модифицированная модифицированная композицией сана + 50% серпентинита № 33 (Rillenlager) – модифицированная модифицированная композицией 50% + 50% препарата Продолжение таблицы 4.4 – Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 212 HВ № 33 (Rillenlager) – модифицированная модифицированная цированный металлосилоксаном № 33 – сталь 45, модифицированная алюмосиликатом, полисахаридом и карбонатом магния Гальванический Гальванический модифицированная металлосилоксаном Примечание. * – выход на бронзу.

Скорость изнашивания стального образца уменьшается более чем в 2 раза при различных упрочняющих покрытиях. Причем скорость изнашивания стального немодифицированного образца монотонно возрастает по мере увеличения нагрузки. Модифицирование алюмосиликатом позволяет получить покрытие, скорость изнашивания которого практически не зависит от нагрузки. Металлосилоксановое покрытие после приработки обеспечивает низкую скорость изнашивания даже при увеличении нагрузки. Модифицирование серпентинитом менее эффективно по сравнению с алюмосиликатом и металлосилоксаном.

Рисунок 4.3 – Зависимости коэффициентов трения при граничной смазке в зависимости от нагрузки для трибосопряжения «вал (сталь 45 твердостью 212 HВ) – вкладыш (№ (Rillenlager))» при различных упрочняющих покрытиях, полученных в результате модифицирования стали: 1 – алюмосиликатом; 2 – металлосилоксаном;

3 – композицией 50 % металлосилоксана + 50 % препарата «Ресурс»;

4 – контрольный (без покрытия); 5 – серпентинитом; 6 – алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния;

7 – алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном;

8 – композицией 50% металлосилоксана + 50% серпентинита Скорости изнашивания трибосопряжения «вал – вкладыш» при граничной смазке существенно зависят от материала, использованного для получения упрочняющего покрытия. Модифицирование стали алюмосиликатом приводит к увеличению скорости изнашивания трибосопряжения по сравнению с неупрочненной сталью за счет более интенсивного изнашивания вкладыша подшипника, поэтому алюмосиликат целесообразно использовать только в составе композиций.

Модифицирование стали металлосилоксаном позволяет снизить скорость изнашивания трибосопряжения «вал – вкладыш» при граничной смазке примерно в 2 раза, причем по мере увеличения нагрузки эффект от упрочнения существенно возрастает и при 400 Н достигает 3,9 раза.

Рисунок 4.4 – Зависимости скоростей изнашивания стального образца в условиях трения при граничной смазке в трибосопряжении «вал (сталь 45 твердостью 212 HВ) – вкладыш (№ 33 (Rillenlager))» от нагрузки и типа покрытия, полученного в результате модифицирования стали: 1 – серпентинитом; 2 – алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном; 3 – алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния; 4 – композицией 50% серпентинита + 50% металлосилоксана; 5 – металлосилоксаном; 6 – контрольный;

7 – алюмосиликатом; 8 – композицией 50 % металлосилоксана Модифицирование стали серпентинитом позволяет снизить скорость изнашивания трибосопряжения «вал – вкладыш» при граничной смазке трибосопряжения «вал – вкладыш» при граничной смазке эффективно только при малых нагрузках.

С повышением нагрузки скорость изнашивания трибосопряжения возрастает за счет роста скорости изнашивания вкладыша подшипника, но все равно суммарная скорость остается меньше скорости изнашивания контрольной пары в 2 раза.

Модифицирование стали серпентинитом, алюмосиликатом и металлосилоксаном позволяет существенно снизить температуру в зоне трибоконтакта при больших нагрузках (свыше 200 Н).

Рисунок 4.5 – Зависимости скоростей изнашивания трибосопряжения «вал (сталь твердостью 212 HВ) – вкладыш (№ 33 (Rillenlager))» при граничной смазке в зависимости от нагрузки при различных упрочняющих покрытиях, полученных в результате модифицирования стали:

1 – алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном;

2 – алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния;

3 – серпентинитом; 4 – композицией 50% серпентинита + 50% металлосилоксана;

5 – контрольный; 6 – алюмосиликатом; 7 – металлосилоксаном;

8 – композицией 50 % металлосилоксана + 50 % препарата «Ресурс»

На основании выполненных исследований и опыта создания композиций на основе серпентинита и алюмосиликата [73] можно предположить, что композиции материалов будут более эффективны по своим триботехническим параметрам, чем исходные материалы. Для дальнейших исследований были разработаны следующие композиции: 50% металлосилоксана + 50% серпентинита (состав №6), 50% металлосилоксана + 50% препарата «Ресурс» (состав №7), алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном (состав №8), алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния (состав №9).

Анализ сравнительных триботехнических испытаний композиций позволил установить, что они обладают более высокими эксплуатационными свойствами.

Наиболее высокую износостойкость вала обеспечивает модифицирование составом №9 (рисунок 4.4), особенно при больших нагрузках (свыше 100 Н), а при малых нагрузках предпочтительнее состав №8 (повышение износостойкости по сравнению с немодифицированным образцом достигает 6 раз).

Наименьший коэффициент трения при граничной смазке обеспечивает модифицирование композициями алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном и 50% металлосилоксана + 50% серпентинита.

Максимальную износостойкость трибосопряжения при нагрузках до 200 Н обеспечивает состав №8 (повышение износостойкости по сравнению с немодифицированным образцом достигает 8 раз). Максимальную износостойкость трибосопряжения при нагрузках свыше 200 Н обеспечивает состав №9 и при 400 Н состав №7 (повышение износостойкости по сравнению с немодифицированным образцом достигает 10 раз).

Таким образом, для увеличения долговечности трибосопряжения «вал – вкладыш (типа Rillenlager)» шейки незакаленного вала необходимо модифицировать составами №8 (алюмосиликат модифицированный металлосилоксаном) и № (алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния), которые позволяют повысить износостойкость трибосопряжения от 8 до 10 раз в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в 2 раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира.

Модифицирование незакаленной стали 45 металлосилоксаном при ее работе в паре трения с вкладышами с гальваническими антифрикционными покрытиями позволяет избежать ее изнашивания при нагрузках менее 200 Н (рисунок 4.6), однако уменьшить скорость изнашивания вкладыша можно только при нагрузке 200 Н.

Температура в зоне трибоконтакта и коэффициенты трения практически одинаковы для модифицированного образца и контрольного (таблица 4.4).

В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 42– 45 HRC установлено (таблица 4.5 и рисунок 4.7), что модифицирование стали минеральными и органоминеральными материалами повышает коэффициент трения.

Рисунок 4.6 – Зависимости скоростей изнашивания стального образца и трибосопряжения «вал (сталь 45 твердостью 212 HВ) – вкладыш гальванический»

при граничной смазке в зависимости от нагрузки и модифицирования стали металлосилоксаном: 1 – износ модифицированной стали;

2 – износ немодифицированной стали; 3 – износ пары трения при модифицировании стального образца; 4 – износ пары трения с Исключение составляет покрытие, полученное при обработке стали серпентинитом: в диапазоне нагрузок 40–300 Н коэффициенты совпадают с контрольной парой трения, а при нагрузке 400 Н даже ниже на 33%. Коэффициент трения в трибосопряжении с неупрочненным образцом остается постоянным в диапазоне нагрузок 40–200 Н, затем возрастает и при нагрузке 400 Н увеличивается в 2 раза.

Коэффициенты трения в трибосопряжениях с металлокерамическими покрытиями по мере увеличения нагрузки до 200 Н плавно возрастают. Наибольший коэффициент трения получается после упрочнения стали серпентинитом, модифицированным полисахаридом.

В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при граничной смазке при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 42–45 HRC установлено (таблица 4.4 и рисунок 4.8), что модифицирование стали позволяет существенно снизить скорость ее изнашивания.

Рисунок 4.7 – Зависимости коэффициентов трения при граничной смазке для трибосопряжения «вал (сталь 45 твердостью 42–45 HRC) – вкладыш»

в зависимости от нагрузки и типа антифрикционного слоя вкладыша при различных упрочняющих покрытиях, полученных в результате модифицирования стали:

1 – вкладыш АО20 – сталь, упрочненная серпентинитом, модифицированным полисахаридом; 2 – вкладыш АО20 – сталь, модифицированная металлосилоксаном;

3 – вкладыш №33 – сталь, модифицированная металлосилоксаном;

4 – вкладыш №33 – сталь, модифицированная серпентинитом;

Скорость изнашивания контрольного образца сначала плавно увеличивается до нагрузки 200 Н, затем резко возрастает. Наименее эффективны покрытия, которые были полученны в результате упрочнения стали серпентинитом и серпентинитом, модифицированным полисахаридом. Перспективным является модифицирование стали металлосилоксаном, так как, во-первых, позволяет снизить скорость изнашивания стали более чем 2,6 раза по сравнению с неупрочненной сталью; во-вторых, с увеличением нагрузки скорость изнашивания повышается незначительно по сравнению с другими покрытиями. При этом влияние антифрикционного материала вкладыша минимально. Модифицирование стали металлосилоксаном позволяет снизить температуру в зоне трения при нагрузке 400 Н в 1,7 раза, при меньших нагрузках температура примерно одинакова в парах трения как с упрочненной, так и неупрочненной сталью.

Таблица 4.5 – Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 42–45 HRC (контрольный) модифицированная серпентинитом модифицированная металлосилоксаном модифицированная серпентинитом, модифицированная металлосилоксаном Скорости изнашивания трибосопряжения «вал (сталь 45 твердостью 42– 45 HRC) – вкладыш» при граничной смазке имеют те же зависимости (рисунок 4.9), что и скорости изнашивания стального образца. Модифицирование стали металлосилоксаном позволяет снизить скорость изнашивания трибосопряжения более чем 2,8 раза. Применение вкладышей подшипников с антифрикционным напыленным слоем АО20 предпочтительно по сравнению с канавчатыми вкладышами типа Rillenlager, так как они позволяют повысить долговечность трибосопряжения.

Рисунок 4.8 – Зависимости скоростей изнашивания стального образца в условиях трения при граничной смазке в трибосопряжении «вал (сталь 45 твердостью 42–45 HRC) – вкладыш» от нагрузки, типа антифрикционного слоя вкладыша и покрытия, полученного в результате модифицирования стали: 1 – вкладыш АО20 – сталь, упрочненная серпентинитом, модифицированным полисахаридом;

2 – вкладыш АО20 – сталь, модифицированная металлосилоксаном;

3 – вкладыш №33 – сталь, модифицированная металлосилоксаном;

4 – вкладыш №33 – сталь, модифицированная серпентинитом;

В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при граничной смазке при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 54 HRC установлено (таблица 4.6 и рисунки 4.10–4.11), что модифицирование стали оказывает меньшее влияние на триботехнические характеристики по сравнению с парами трения с меньшей твердостью стали.

Коэффициент трения из исследованных пар максимальный у контрольной пары и трибосопряжения со стальным образцом, упрочненным серпентинитом (рисунок 4.10). Минимальный коэффициент трения при нагрузке до 200 Н имеет трибосопряжение со стальным образцом, упрочненным серпентинитом, модифицированным полисахаридом, при больших нагрузках – со стальным образцом, модифицированным металлосилоксаном. Низкий коэффициент трения обеспечивает также модифицирование стали искусственным силикатом магния.

Рисунок 4.9 – Зависимости скоростей изнашивания трибосопряжения «вал (сталь твердостью 42–45 HRC) – вкладыш» при граничной смазке в зависимости от нагрузки и типа антифрикционного слоя вкладыша при различных упрочняющих покрытиях, полученных в результате модифицирования стали:

1 – вкладыш №33 – контрольный образец; 2 – вкладыш №33 – сталь, модифицированная серпентинитом; 3 – вкладыш АО20 – сталь, модифицированная серпентинитом, модифицированным полисахаридом;

4 – вкладыш №33 – сталь, модифицированная металлосилоксаном;

5 – вкладыш АО20 – сталь, модифицированная металлосилоксаном Следует отметить, что коэффициент трения в трибосопряжении со стальным образцом, модифицированным металлосилоксаном сначала резко возрастает в диапазоне нагрузок 40–100 Н, однако после приработки сопряженных поверхностей плавно снижается.

Таблица 4.6 – Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал – вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 54 HRC модифицированная серпентинитом модифицированная полисахаридом модифицированная силикатом магния модифицированная металлосилоксаном контрольный Модифицирование стали минеральными и органоминеральными материалами позволяет снизить скорость ее изнашивания по сравнению с контрольным образцом (рисунок 4.11). Скорость изнашивания неупрочненного стального образца зависит от величины нагрузки, причем в период приработки по мере роста нагрузки она растет, затем несколько снижается, при увеличении свыше 200 Н монотонно возрастает. Максимальное увеличение износостойкости наблюдается при модифицировании стали металлосилоксаном: при нагрузке до 100 Н износ стали отсутствует, при увеличении нагрузки до 200 Н и более скорость изнашивания стабилизируется, при этом повышение износостойкости достигает 2,0–2,8 раза.

Минимальный эффект от упрочнения стали наблюдается при использовании серпентинита, модифицированного полисахаридом.

Рисунок 4.10 – Зависимости коэффициентов трения при граничной смазке для трибосопряжения «вал (сталь 45 твердостью 54 HRC) – вкладыш АО20»

при граничной смазке в зависимости от нагрузки и покрытия, полученного 1 – серпентинитом, модифицированным полисахаридом; 2 – искусственным силикатом магния; 3 – серпентинитом; 4 – контрольный; 5 – металлосилоксаном Перспективно также использование искусственного силиката магния для модифицирования стали и повышения ее износостойкости и трибосопряжения в целом.

Наибольший эффект от модифицирования на повышение долговечности трибосопряжения наблюдается при использовании металлосилоксана (рис. 4.12), так как суммарная скорость изнашивания в зависимости от нагрузки снижается в 2 и более раз. Перспективно также использование серпентинита. Наименьший эффект от упрочнения достигается при использовании серпентинита, модифицированного полисахаридом.

Рисунок 4.11 – Зависимости скоростей изнашивания стального образца в условиях трения при граничной смазке в трибосопряжении «вал (сталь 45 твердостью 54 HRC) – вкладыш АО20» от нагрузки и покрытия, полученного в результате модифицирования стали: 1 – металлосилоксаном; 2 – серпентинитом;

3 – искусственным силикатом магния; 4 –серпентинитом, модифицированным полисахаридом; 5 – контрольный Рисунок 4.12 – Зависимости скоростей изнашивания трибосопряжения «вал (сталь твердостью 54 HRC) – вкладыш АО20» при граничной смазке в зависимости от нагрузки при различных упрочняющих покрытиях, полученных в результате модифицирования стали: 1 – контрольный; 2 – серпентинитом, модифицированным полисахаридом; 3 – искусственным силикатом магния;

Таким образом, анализ результатов сравнительных триботехнических испытаний пары трения «шейка вала – вкладыш подшипника» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала позволил установить:

– применение модифицирования шеек вала минеральными и органоминеральными материалами вне зависимости от ее исходной твердости позволяет повысить как ее износостойкость так и трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» не менее чем в 2 раза;

– эффективность от модифицирования шеек вала минеральными и органоминеральными материалами возрастает по мере снижения твердости шеек вала;

– наиболее высокие триботехнические характеристики достигаются при применении композиций материалов: алюмосиликата, модифицированного металлосилоксаном и алюмосиликата, модифицированного полисахаридом и карбонатом магния, которые позволяют повысить износостойкость трибосопряжения от 8 до 10 раз (для незакаленной стали) в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира;

– композиции на основе алюмосиликата и металлосилоксана позволяют управлять триботехническими характеристиками в зависимости от условий эксплуатации трибосопряжения и открывают широкие возможности дальнейших исследований в данном направлении для повышения эффективности тонкопленочных покрытий и долговечности пар трения;

– перспективным материалом для включения его в композиции для модифицирования стальных поверхностей трения и повышения их износостойкости и трибосопряжения в целом является искусственный силикат магния.

4.4. Влияние температуры смазки на триботехнические свойства Температура циркуляционного смазочного масла на входе в дизель для обеспечения заданной вязкости в зависимости от марки двигателя находится в пределах 40–60 °С. Для определения влияния температуры циркуляционного смазочного масла на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 – антифрикционное покрытие» были проведены ускоренные испытания в течение 1 ч при нагрузке 400 Н в условиях трения при граничной смазке с использованием следующих материалов для модифицирования стали 45 твердостью 212 HB:

1) серпентинита;

2) металлосилоксанового полимера;

3) композиции алюмосилкат модифицированный металлосилоксаном;

4) алюмосиликата;

5) алюмосиликата, модифицированного полисахаридом и карбонатом магния.

Для подогрева смазочного масла до заданной температуры установка для триботехнических испытаний была доукомплектована нагревателем масла. Перед испытаниями образец с покрытием также нагревался до температуры смазки. Результаты испытаний представлены в таблице приложения Б и на рис. 13–15. В качестве базовой была взята пара трения «сталь 45 твердостью 212 НВ – вкладыш»