СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ л.............................................................. 4
1.АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ В ПАРАХ ТРЕНИЯ.
1.1 .Обеспечение работоспособности трущихся
поверхностей......................................................9
1.2.Методы образования покрытий..................................15
1.3.Анализ структурных особенностей напыленных
материалов и работоспособность их в парах трения ...............21
1.3.1 .Формирование покрытий.....................................21
1.3.2.0бесиечение работоспособности покрытий.....................25
1.3.3.Пути увеличения прочности покрытий.........................28
1.4.Вывод ы......................................................34
2.РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ УПРОЧНЕННОГО ДВУХФАЗНОГО ПОКРЫТИЯ.
2.1.Приэлектродные процессы в электрической дуге.................36
2.1.1.Катодное пятно электрической дуги......................... 36
2.1.2.Анодное пятно электрической дуги...........................39
2.2.Теплофизические аспекты процесса воздействия
электрической дуги на покрытие...................................42
2.2.1.Физическая модель процесса.................................42
2.2.2.Образование элемента объема расплавленного
материала покрытия при воздействии импульса тока.................47
2.2.3.Охлаждение элемента объема расплавленного
материала покрытия...............................................55
. 2.3.Модель расчета прочности двухфазного покрытия... ............60
2.4.Вывод ы......................................................66
2
4р
3.МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ и ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.
3.1.Триботехнические испытания..........;.................., ...67
3.1.1 .Испытание при линейном контакте в
сопряжении..................................................... 67
3.1.2.Испытание фрикционного сопряжения торцевого уплотнения......................................................69
3.2.Испытапие прочности материала при сжатии....................71
I . .
3.3.Исследование электрических параметров ЭДПМ, возбуждаемой в потоке низкотемпературной плазмы.................71
Г ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫ Е ИССЛЕДОВАНИЯ.
4.1.Исследование электрических характеристик ЭДПМ...............76
4.2.Исследованис прочности напыленного материала
при использовании ЭДПМ..........................................87
4.3.Металлографическое исследование образцов....................91
4.4.Вывод ы................................................. 99
.РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА [АНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С АКТИВАЦИЕЙ ПОВЕРХНОСТИ •ЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ МОЩНОСТИ.
5.1.Разработка требований к источнику питания ЭДПМ
и контрольно-измерительной аппаратуре..........................102
5.2.Разработка макетных образцов источника питания
ЭДПМ......................................................... 104
5.3.Разработка макетных образцов устройств контрольноизмерительной аппарагуры....;..................................109
5.4.Вывод ы....................................................113
з
і.
І.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ІАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭДПМ.
6.1.Алгоритм конструироваїшя покрытий...................114
6.2.Разработка процесса нанесения антифршщионного
покрытия................................................118
6.3.Разработка антифрикционного, износостойкого покрытия и технологии его нанесения на детали узла магнитножидкостного уплотнения (МЖУ)............................121
6.4.Вывод ы.............................................134
■СНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ........................... .... 135
ПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................:..........................137
РИЛОЖЕНИЕ....................................................146
ВВЕДЕНИЕ
Условия эксплуатации изделий механизмов предъявляют высокие требования к узлам и деталям, входящим в их состав. •
При заданной долговечности, детали в составе механизма должны об-1адать необходимой надежностью, которая обеспечивается как конструктив-.шми мерами, так и технологическими особенностями изготовления.
В эксплуатационных условиях работоспособность деталей в сопряже-шях в большой степени обеспечивается комплексом физико-механических и химических свойств поверхностей.
В контакте деталей, образующих сопряжения, развиваются высокие на-фяжения и сопутствующие им деформации, высокие температуры и другие ^благоприятные факторы.
С цслыо придания необходимых служебных качеств поверхности на деталях образуют различного типа покрытия с использованием достаточно большого количества технологических процессов. Применяют процессы термической, термохимической и термомеханической обработки, диффузионного 4асыщения, наплавки, вакуумного и газотермического напыления.
Одним из наиболее универсальных методов нанесения покрытий с заданными служебными свойствами является газотермическое напыление по-срытий, в свою очередь, подразделяемое на газопламенное, электроискровое, шазменное и детонационное.
Покрытия, получаемые этими способами, характеризуются высокой технологичностью процесса нанесения и разнообразными служебными свойствами, в большинстве случаев являющимися интегральной характеристикой свойств компонентов материалов, входящих в состав покрытия.
Из технологических процессов образования покрытий наибольшей уни-*ерсальностью обладает процесс плазменного напыления, как по ряду мате-
риалов (металлы, керметы, керамика), используемых для образования покрытий, так и по технологичности приемов напыления.
Сдерживает широкое применение технологии плазменного напыления покрытий в народном хозяйстве сравнительно невысокие прочностные свойства покрытий, определяющие работоспособность сопрягаемых деталей в нагруженных механизмах.
Использование антифрикциошых, износостойких покрытий позволяет в ряде случаев отказаться от применения в конструкции подшипников качения, что также дает выигрыш в весо-габаритных показателях механизмов. Твердосмазочные материалы: графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, фтороциа-нид меди, сульфид теллура и др. - входят в состав смазок для многих узлов зрения в различных изделиях. Эти смазочные материалы обеспечивают малые потери на трение, но из-за низкой адгезионной и когезионной прочности выдавливаются из зоны контакта и ограничивают работоспособность сопряжения. Обеспечить прочное закрепление твердосмазочных материалов на поверхности возможно путем плазменного напыления их совместно с материалом покрытия. Образование антифрикционных покрытий с высокой прочностью и износостойкостью, позволяет существенно повысить надежность и долговечность узлов и механизмов.
Достаточной работоспособностью обладают плазменные покрытия при нагрузках порядка 20...60 МПа. Дальнейшее увеличение нагрузочной способности связано с дополнительными технологическими приемами, как-то: спекание, оплавление, пропитка, термомеханическое уплотнение и т.д.
Одним из путей решения проблемы увеличения прочности плазменных покрытий является создание гибридной технологии напыления с использованием дополнительных источников энергии для активации поверхности деталей в процессе нанесения покрытия.
6
У
Разработка и исследование процесса плазменного напыления покрытий с использованием активации поверхности детали электрической дугой пульсирующей мощности положена в основу данной работы.
Целью работы является повышение качества покрытий за счет увеличения их контактной прочности, а именно:
- разработка гибридной технологии плазменного напыления покрытий с локальной активацией поверхности электрической дугой пульсирующей мощности;
- разработка расчетной модели образования упрочненного покрытия за счет локального проплавления участков покрытия, прочно связанных с материалом детали и являющихся своеобразной решеткой, обладающих большей, по сравнению с дисперсной частью напыленного покрытия, прочностью;
- экспериментальное исследование процесса плазменного напыления покрытий с использованием ЭДГТМ;
- разработка технических требований к аппаратурному обеспечению процесса нанесения покрытий с использованием ЭДПМ и изготовление макетных образцов аппаратуры для реализации и контроля параметров процесса;
- исследование физико-механических и триботехнических свойств покрытий и разработка рекомендаций по использованию процесса нанесения упрочненных покрытий.
Основные положения, выносимые на защиту:
расчетную модель образования упрочненного покрытия; расчетную модель определения параметров ЭДПМ; алгоритм конструирования упрочненных плазменных покрытий.
- технологические процессы нанесения упрочненных покрытий, включающих в себя плазменное напыление с использованием активации поверхности электрической дугой пульсирующей мощности;
В разделе 1 приводится краткий анализ, систематизация и классификация работоспособности сопряжений и разрушения поверхности при контакте
7
деталей в парах трения. Рассматриваются методы образования поверхностей с заданными служебными свойствами. Анализируется прочность дисперсно-наполненных композиционных материалов и делается вывод о возможности упрочнения дисперсных структур за счет создания монолитных включений, прочно связанных с основой и с дисперсной частью материала покрытия.
Поскольку предложенный технологический процесс предполагает использование дополнительного источника энергии в виде элекгрической дуги пульсирующей мощности (ЭДПМ), возникает необходимость расчета ее мощности в зависимости от теплофизических параметров материала покрытия.
5 ..
Расчет длительности контактирования твердой и жидкой фаз материала позволяет оценить возможность образования прочного металлургического соединения материалов. Прочность покрытия зависит от количества упрочняющих включений. Математические выражения и вывод их приведены в разделе 2.
В разделе 3 рассматриваются методики испытаний покрытий и предлагается методика определения электрических параметров ЭДПМ, возбуждаемой в потоке низкотемпературной плазмы.
Экспериментальные исследования технологического процесса рассматриваются в разделе 4. Анализируются схемы реализации процесса, рассматриваются прочностные и структурные особенности полученных образцов.
Из анализа схем реализации процесса выводятся требования к аппаратурному обеспечению технологии, и в разделе 5 описываются принципиальные и структурные схемы источника питания ЭДПМ и контрольно-измерительной аппаратуры для реализации процесса.
В разделе 6 предлагается алгоритм конструирования покрытий для использования его в практике и приводится программа расчета необходимых технологических параметров процесса нанесения покрытия. Показаны примеры практической реализации разработанной технологии в образовании упрочненных антифрикционных покрытий.
8
Настоящая работа выполнена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта. Оценка применимости технологии нанесения покрытий проводилась в ЦСКБ, г. Самара, научно-производственном предприятии “Гиперон”, г. Дмитров, Москов.обл., на предприятии “Техпрог”, г. Москва, в научно-исследовательском институте специального машиностроения, г. Москва, научно-исследовательском институте конструкционных материалов и технологических процессов г. Москва. Результаты работы используются для обучения курсантов Военно-технического университета, г. Балашиха и в учебном процессе МГТУ им. Баумана, г. Москва.
9
1.АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ
ДЕТАЛЕЙ В ПАРАХ ТРЕНИЯ
1.1 .Условия работоспособности трущихся поверхностей
Взаимодействие трущихся поверхностей локализовано в тонких приповерхностных слоях, физико-механические и химические свойства которых оказывают существенное влияние на работоспособность пары трения. При отно-• сительном перемещении этих поверхностей происходит дискретное возникновение и разрушение площадок контакта, сопровождающееся деформированием приповерхностных слоев материалов.
В случае, если внедрившиеся неровности одной поверхности образовали связь с другой поверхностью, и величина этой связи выше прочности нижележащего слоя, т.е.
йох1йХ< О
где: Ъ - координата нижележащего слоя ах - напряжение в поверхностном слое, то взаимное перемещение поверхностей сопровождается разрушением некоторого объема материала.
При нормальном протекании процесса трения в поверхностном слое соблюдается правило положительного градиента механических свойств по глубине, т.е.:
бах/с!2>0
Правило положительного градиента является необходимым условием осуществления внешнего трения.
Обычно взаимное перемещение контактирующих поверхностей моделируется в виде единичной полусферической неровности, внедренной в материал [1,2].
В неподвижном состоянии поверхностей контакта материал может воспринимать достаточно большие нагрузки, находясь в условиях равномерного
10
к
всестороннего сжатия [3]. В случае неравномерного сжатия, которое происходит при сдвиге индентора, задняя поверхность его выходит из контакта, а напряжение на передней поверхности увеличивается. При деформации материала каждый элемент поверхности последовательно подвергается растягивающим и сжимающим напряжениям.
Многократные деформации материала поверхности приводят в определенных случаях к усталостному разрушению [4]. Усталостное разрушение материала возникает при образовании трещин на поверхности. Усталостные трещины с поверхности входят, сужаясь, вглубь материала. Развиваясь по длине, мелкие трещины образуют сетку на ограниченных или больших участках поверхности [5]. При развитии трещин в глубине материала параллельно поверхности, участки поверхностного слоя разрушаются.
Физический процесс разрушения можно разделить на зри основные стадии [6,7]:
- образование трещин;
- квазистатический рост трещин;
- динамическое распространение трещин.
Энергетический принцип виртуального приращения площади трещины 68 утверждает, что
ёАЛ18£с1и/с18
где А - затраченная работа внешних сил; и - диссипация энергии.
Если приращение работы на единицу виртуального приращения площади трещины равно скорости диссипации энергии, то трещина находится в равновесии; однако, если скорость приращения затраченной работы превосходит скорость диссипации энергии, то трещина будет распространяться.
Уравнение разрушения Гриффитса определяет критическое напряжение ас, соответствующее неустойчивому состоянию трещины для плоского напряженного состояния [6]:
11
Где: у-поверхностная энергия разрушения материала; Е-модуль уируго-сти материала; с-длина трещины; к-коэффициент, зависящий от конфигурации трещины, ее расположения, вида нагружения и размера трещины по отношению к размеру тела.
Приведенное условие разрушения согласуется с выводами теорий изнашивания о решающей роли в процессах трения модуля упругости Е и величины поверхностной энергии материала у.
Обеспечить внешнее трение с минимальным изнашиванием поверхностей смазочного материала возможно только при соблюдении следующих ус-
« .
ловий:[8, 9, 10] .
- поверхность должна иметь меньшую прочность, чем глубинные слои материала;
- модуль упругости одного из материалов в контакте должен быть максимально большой, а чистота поверхности возможно более высокой;
- внедрение неровностей поверхностей должно находиться в области упругого деформирования.
Первое условие соблюдается за счет образования на поверхности тела покрытий, диспергирующихся при трении. Второе и третье условия, в случае трения одинаковых материалов, возможно реализовать путем нанесения прочного и твердого, достаточно толстого покрытия на одну из поверхностей трущихся пар.
ч/
Изучению изнашивания контактирующих поверхностей посвящено большое количество работ, в которых авторы с различных точек зрения рассматривают отдельные стороны этого явления.
Теоретические положения и экспериментальные данные показывают, что изнашивание трущихся пар происходит, в основном, за счет следующих факторов:
- механического зацепления и разрушения поверхности;
- усталостного разрушения неровностей поверхности;
12
- химического воздействия окружающей среды;
- местного схватывания отдельных точек поверхности;
- разрушения поверхности вследствие термической усталости.
В настоящее время известны классификации видов изнашивания трущихся тел, предложенные Б И Костецким, Д Н Гаркуновым, И В Крагельским, П А Ребиндером, Кофин и др. [1,5,11,12,13,14].
Б.И.Костецкий условно делит виды изнашивания на следующие [1,11]:
- изнашивание при заедании 1-го рода, возникающее при трении скольжения с малыми скоростями, на удельных давлениях, превышающих предел текучести на площади.физического контакта в условиях отсутствия смазочного материала и защитной пленки окислов; *
- окислительное изнашивание, выражающееся в механическом зацеплении, разрушении и выкрашивании твердых и очень хрупких слоев окислов;
- изнашивание при заедании 2-го рода, возникающее при скольжении с большими скоростями и высокими удельными нагрузками, вызывающими интенсивный рост температуры в поверхностных слоях трущихся материалов;
- абразивное изнашивание, обусловленное воздействием абразивных частиц, деформирующих поверхностный слой материала и срезающих при этом микростружку;
- усталостное изнашивание, возникающее при нагрузках, превышающих предел текучести поверхностных слоев материала. Этот вид изнашивания характеризуется развитием микротрещина поверхности трения.
В работе П.А.Ребиндера [12] процесс изнашивания определяется как поверхностное разрушение трущихся тел под действием тангенциальных усилий трения, вызывающих вблизи участков фактического контакта напряжения, превосходящие предел текучести или прочности.
Изнашивание рассматриваем как явление поверхностного диспергирования, сопровождающееся:
- Київ+380960830922