Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ работы деталей бытовых машин 13
1.1. Краткий анализ бытовых машин, используемых в домашних условиях и на сервисных предприятиях. Классификация 13
1.2. Анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя узлов бытовых машин и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания и коммунального хозяйства 28
1.3. Выводы по главе 51
Глава 2 Механизмы потери работоспособности поверхностями деталей бытовых машин и технических средств коммунального хозяйства 52
2.1. Механизм фрикционного разрушения рабочих поверхностей 52
2.2. Механизм разрушения рабочих поверхностей с учетом действия контактных нагрузок 62
2.3. Взаимодействие водорода с металлами 66
2.4. Водородное изнашивание контактирующих поверхностей деталей бытовых машин 76
2.5. Выводы по главе 89
Глава 3 Теоретические основы технологического обеспечения защиты от наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин 90
3.1. Влияние наводороживания поверхностных слоев и технологической наследственности на разрушение рабочих поверхностей деталей - 90
3.2. Механизм разрушения контактирующих поверхностей деталей бытовых машин 104
3.3. Теоретическое обоснование прогностической модели разрушения контактирующих поверхностей деталей и повышения срока службы подшипниковых опор 115
3.4. Теоретическое обоснование технологических методов повышения срока службы машин и оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания 121
3.5. Теоретическое обоснование прогностической модели повышения срока службы подшипниковых опор при использовании металлоплакирующих материалов и прогрессивных технологий зашиты рабочих поверхностей 137
3.6. Теоретическое обоснование состава металлоплакирующих композиционных полимерных материалов и прогнозирование их свойств 141
3.7. Основы принятия технологических решений по обеспечению защиты от наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин 157
3.8. Критерии принятия технологических решений 164
3.9. Автоматизация принятий технологических решений при изготовлении и сервисном обслуживании бытовых машин 170
3.9.1. Разработка банка технологических знаний прогрессивных процессов повышения работоспособности деталей бытовых машин и оборудования сервиса 170
3.9.2. Применение метода анализа иерархий для оценки эффективности технологических мероприятий снижения наводороживания поверхностных слоев деталей и увеличения ресурса бытовых машин 178
3.10. Выводы по главе 184
Глава 4 Обоснование инструментария для исследования и разработки технологических методов защиты от наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин 187
4.1. Методика и установка для исследования общего содержания водорода в образцах 190
4.2. Методика и комплекс приборов для исследования триботехнического наводороживания материалов 194
4.2.1. Методика и испытательный комплекс для триботехнических исследований 197
4.2.1.1. Газоаналитический блок комплекса приборов для исследования триботехнического наводороживания материалов 211
4.2.1.2. Методика и комплекс для исследования перераспределения водорода в системе юаимодействующих материалов 214
4.2.1.3. Методика и устройство для определения объемного наводороживания образцов 4.2.1.4. Методика и комплекс приборов для исследования локального содержания и распределения водорода в образцах 224
4.2.1.5. Методика исследования локального содержания диффузионно-активного водорода в образцах 231
4.2.1.6. Методика оценки работоспособности материалов при водородном изнашивании 232
4.3. Методика исследования работоспособности материалов подшипников в условиях многоциклового ППД 233
4.4. Выводы по главе 237
Глава 5 Технологические методы повышения срока службы машин и оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания 239
5.1. Оценка применимости эксплуатационных и технологических методов повышения срока службы деталей машин и оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания 239
5.2. Финишная антифрикционная безабразивная обработка рабочих поверхностей деталей 253
5.3. Термическое старение деталей с использованием ФАБО 264
5.4. Использование металлоплакируюших смазочных материалов 273
5.4.1. Разработка композиционного металлоплакирующего смазочного материала 273
5.4.2. Сравнительные испытания смазочных материалов, используемых в подшипниках машин коммунального хозяйства и бытового обслуживания 288
5.4.3. Исследование влияния контактной нагрузки и частоты вращения на срок службы материалов подшипников в условиях многоциклового ПГЩ. Экспериментальное исследование прогностической модели повышения срокаслужбы подшипниковых опор 289
5.5. Поверхностное пластическое деформирование в металлоплакирующих средах как средство борьбы с водородным изнашиванием 295
5.6. Применение металлоплакирующих материалов для улучшения эксплуатационных характеристик уплотнительных элементов 305
5.6.1. Применение металлоплакирующих материалов в качестве пропиточных для сальниковых набивок 305
5.6-2. Применение металлоплакирующих материалов для улучшения эксплуатационных характеристик узлов с манжетными уплотнениями 315
5.7. Разработка и использование композиционных полимерных материалов при изготовлении и ремонте деталей 317
5.8. Нанесение твердых графитовых покрытий, формируемых импульсными лазерными технологиями 342
5.9. Легирование поверхностных слоев деталей машин лазерными технологиями с нанесением защитных покрытий 354
5.10. Оценка эффективности исследованных технологических методов повышения срока службы деталей бытовых машин и оборудования коммунального хозяйства 365
5.11. Выводы по главе 69
Глава 6 Стендовые испытания разработанных мероприятий,производственная апробация и использование результатов исследований на предприятиях сервиса 372
6.1. Стендовые испытания подшипниковых узлов технических средств коммунального хозяйства и бытового обслуживания 372
6.2. Стендовые испытания ушютнительных узлов технических средств коммунального хозяйства и бытового обслуживания 376
6.3. Рекомендации по использованию результатов исследования для машин и оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания 381
6.4. Использование результатов исследования на предприятиях коммунального хозяйства и бытового обслуживания 383
6.5. Использование результатов исследования в учебном процессе при подготовке специалистов сервиса 3 88
6.6. Выводы по главе 389
Основные выводы по работе 391
Библиографический список 397
Приложен ия 429
- Анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя узлов бытовых машин и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания и коммунального хозяйства
- Водородное изнашивание контактирующих поверхностей деталей бытовых машин
- Теоретическое обоснование состава металлоплакирующих композиционных полимерных материалов и прогнозирование их свойств
- Методика и комплекс для исследования перераспределения водорода в системе юаимодействующих материалов
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке научно обоснованных технологических методов защиты деталей бытовых машин от водородного изнашивания.
Работа выполнялась в соответствии с Постановлениями ГКНТ СССР № 349 от 03.07.85 г. и № 193 от 09.06.86 г., Постановлением Совета Министров СССР № 359 от 26.03.87 г., приказами Минбыта РСФСР, планами НИР Минбыта РСФСР, Московского технологического института (в настоящее время Московского государственного университета сервиса).
Исследования и разработки, представленные в диссертации, выполнены в лаборатории «Избирательный перенос и водородное изнашивание» МТИ (МГУС) совместно с другими научно-исследовательскими организациями, а также при выполнении диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук В.А. Бардиным, И.Н. Бестаевым, В.Г. Жаровым и Н.П. Мацневым под руководством автора.
Актуальность проблемы.
Одним из основных направлений современного экономического развития стало феноменальное расширение сферы услуг, включая коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание населения. Качество оказываемых услуг во многом зависит от технического состояния бытовых машин и оборудования предприятий сервиса, которое определяется работоспособностью трущихся деталей.
Выход из строя технических средств связан в первую очередь с изнашиванием рабочих поверхностей деталей. Наводороживание поверхностных слоев деталей на этапе изготовления и эксплуатации приводит к их интенсивному изнашиванию и катастрофическому разрушению. Поиску путей борьбы с водородным изнашиванием посвящен целый ряд исследований российских и зарубежных ученых — Д.Н. Гаркунова, А.А. Полякова, А.К. Прокопенко, Л.В. Беспрозванных, В.М. Юдина и др.
В свете сказанного выше, повышение срока службы бытовых машин и оборудования предприятий сервиса защитой от водородного изнашивания является важнейшей проблемой, требующей глубоких научных исследований.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных технологических методов повышения срока службы деталей бытовых машин за счет снижения наводороживания поверхностных слоев на этапе изготовления и эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Разработка и исследование технологических методов, обеспечивающих защиту деталей от наводороживания, в том числе за счет формирования защитных покрытий, перестройки структуры и обезводороживания поверхностных слоев.
Исследование механизма наводороживания поверхностных слоев деталей машин на этапе изготовления и эксплуатации.
Обоснование инструментария для исследования процессов технологического и триботехнического наводороживания деталей бытовых машин.
Разработка и исследование металлоплакирующих композиционных материалов для уплотнительных элементов узлов бытовых машин и оборудования.
Методы исследований. Поставленные задачи решались теоретическими и экспериментальными методами с учетом современных представлений о процессах наводороживания поверхностных сдоев деталей и взаимодействия материалов в зоне фрикционного контакта. Лабораторные испытания проводились на приборах, позволяющих с высокой точностью измерять и непрерывно записывать исследуемые параметры, при этом использовались метод проведения трибо-технических испытаний конструкционных и смазочных материалов в режиме избирательного переноса и методика исследования водородного изнашивания материалов, разработанные при участии автора. Рабочие поверхности деталей и образцов исследовались металлографическими методами на оптических и электронных микроскопах с рентгеновскими микроанализаторами, методом просвечивающей (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и электронной микродифракщш (МД), обратного резерфордовского рассеяния (ОРРИ) ионов гелия, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) и микрорама-новской спектроскопии (МРС).
Научная новизна диссертационной работы заключается в результатах решения комплекса сопряженных задач, охватывающих проблему научного обоснования технологического обеспечения защиты деталей от наводороживания и поддержания их работоспособности на протяжении жизненного цикла бытовых машин с использованием предложенных:
прогностических моделей разрушения контактирующих поверхностей и повышения срока службы деталей бытовых машин;
описания механизма наводороживания поверхностных слоев деталей на этапах технологической обработки и эксплуатации;
теоретически обоснованного комплекса технологических методов повьппения срока службы бытовых машин и оборудования предприятий сервиса снижением уровня диффузионно-активного водорода в поверхностных слоях деталей за счет обезводороживания материалов деталей на этапе изготовления, формирования защитных покрытий и упорядочения структуры;
инструментария для исследования перераспределения водорода на этапах изготовления и эксплуатации бытовых машин и обеспечивающих получение данных, необходимых для разработки технологических методов повьппения срока их службы.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в повышении работоспособности деталей бытовых машин за счет применения комплекса технологических методов, направленных на снижение наводороживания поверхностных слоев деталей, и включающего термическое старение в ме-таллоплакирующей среде, финишную антифрикционную безабразивную обработку, поверхностное пластическое деформирование в металлоплакирующей среде, лазерное легирование поверхностных слоев с нанесением защитных покрытий и формирование покрытий импульсным лазерным осаждением; в применении металлоплакирующих смазочных материалов для подшипниковых опор и сальниковых уплотнений; разработке композиционных полимерных материалов для уплотнительных элементов бытовых машин.
Практические результаты работы сосредоточены в разработанных Руководящих технических материалах Минбыта РСФСР РТМ 01.101 -07.101 «Методы повышения износостойкости узлов трения бытовых машин на основе избирательного переноса (эффекта безызносности)», применение которых на ОАО «Вяземский машиностроительный завод», МУП «Мытищинская теплосеть», сервисном центре ООО «Берингов пролив» и предприятиях бытового обслуживания (в соответствии с приказами Минбыта РСФСР) позволило увеличить срок службы деталей бытовых машин в 1,9-2,2 раза.
Кроме того, результаты работы используются при подготовке инженеров и специалистов технических и технологических специализаций.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением основных положений фундаментальных научных направлений, таких как физическая химия, теория надежности и триботехника, использованием современных методов и контрольно-измерительной аппаратуры, приборов для исследования структуры и химического состава поверхностных слоев металлических деталей, практической реализацией разработанных технологических методов и технических решений.
Апробация работы. Результаты научных исследований, обобщенные в настоящей работе были представлены в отчетах по НИР: ГА—125/02 (тема 1.1.80) «Проведение исследований по повышению эффективности и ресурса оборудования тепловых сетей городского хозяйства на основе самоорганизующихся систем» (Грант Правительства Москвы); 1.5.99.Ф «Разработка научных основ создания металлоплакирующих композиционных полимерных материалов для уплот-нительных элементов машин и оборудования сервиса» (по плану Единого заказа-наряда Министерства образования России); 58—Т/02 «Разработка технологии обработки узлов и деталей машин в металлоплакирующих средах» (по плану НИР Московского комитета по науке и технологиям Правительства Москвы); МТ-26-83 «Разработка методики и проведение исследований индустриальных масел, реализующих эффект избирательного переноса в узлах трения технологического оборудования и бытовых машин»; МТ-82-83 «Мероприятия по повышению износостойкости узлов гидроагрегатов, реализующие режим избирательного переноса» и др.
Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на Втором международном научно-техническом семинаре «Повышение износостойкости деталей машин на основе самоорганизующихся процессов фрикционного контакта» (Москва, 1984); Всесоюзной научно-практической конференции «Теория и практика создания, испытания и эксплуатации триботехнических систем» (Андропов, 1986); республиканских научно-технических конференциях «Научно-технический прогресс в сфере услуг» (Уфа, 1986, 1988); научно-техническом семинаре Военной Академии тыла и транспорта «Проблемы эффективности автомобильной техники и пути ее решения (Ленинград, 1986); научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых ЦНИИбыт по экономическим, техническим и химическим аспектам бытового обслуживания населения (Москва, 1986); XI конференции молодых ученых Института машиноведения (ИМАШ) АН СССР «Актуальные проблемы машиноведения» (Москва, 1987); XVTH научно-технической конференции молодых ученых и членов НТО (Киев, 1987); XI конференции ученых и специалистов Московского авиационно-технологического института (Москва, 1987); V Всесоюзной конференции АН СССР «Методы определения и исследования газов в металлах» (Москва, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехнологии» (Николаев, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (Куйбышев, 1989); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) и его применение в технике» (Москва, 1989); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Московского технологического института Минбыта РСФСР (Москва, 1985—1992); научно-практической конференции «Научно-техническая продукция ВУЗов бытового обслуживания — рынку 91—95» (Москва, 1991, 1992); научно-практической конференции ГАСБУ «От фундаментальных исследований - до практического внедрения» (Москва, 1993-1995); I, II, Ш и IV Международных научно-технических конференциях «Наука-сервису» (Москва, 1996-1999); научно-технических конференциях профессорско-препода-
вательского состава, научных сотрудников и аспирантов Государственной академии сферы быта и услуг (Москва, 1993—1999); межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности - ПОИСК-2001» (Иваново, 2001); I, II и III Всероссийских конференциях «Индустрия сервиса в XXI веке» (Москва, Государственный Кремлевский дворец, 1999—2001); V, VI, VII и VIII Международных научно-технических конференциях «Наука-сервису» - секция «Новые материалы и производственные технологии в сфере сервиса» (Москва, 2000—2003); П международной научно-практической конференции «Материаловедение-2002» (Москва, 2002); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников МГУС (Москва, 2000-2004).
Выполненные при участии автора разработки экспонировались на ВДНХ СССР и ВВЦ, международных специализированных выставках «Интербытмаш» (Москва, 1985, 1989), Всемирной выставке молодых изобретателей (Пловдив, Болгария, 1985); Международной выставке изобретателей и рационализаторов «ZENIT-88» (Прага, Чехословакия, 1988) и др. Автор отмечен грамотами и дипломами выставок, награжден серебряной и бронзовой медалями ВДНХ СССР, дипломами ВСНТО. Отдельные результаты работы использованы в фильме «Третья проблема трения» (Леннаучфильм, 1985).
Основное содержание диссертации отражено в 2 монографиях, 6 авторских свидетельствах СССР и 2 патентах РФ на изобретения, 9 статьях в научных журналах, 16 статьях в сборниках научных статей, 11 руководящих технических материалах, методиках и рекомендациях Минбыта РСФСР, 33 тезисах докладов научных конференций.
Личное участие автора заключается в постановке и решении задач исследования, теоретическом обосновании и разработке комплекса технологических методов, обеспечивающих снижение наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин на этапе изготовления и эксплуатации, разработке методов и экспериментальных установок, проведении производственных испытаний и внедрении результатов исследования.
Основные положения, выводы и рекомендации, которые выносятся на защиту:
прогностические модели разрушения контактирующих поверхностей и повышения срока службы деталей бытовых машин, работающих в условиях контакта с водородсодержащими материалами и средами;
комплекс технологических методов повышения срока службы бытовых машин и оборудования предприятий сервиса за счет обеспечения защиты деталей от наводороживания;
комплекс приборов и методы исследования наводороживания материалов деталей на этапах их изготовления и эксплуатации;
рекомендации по использованию разработанных методов повышения срока службы бытовых машин и оборудования предприятий сервиса.
Объем и структура. Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Текст изложен на 460 страницах, включая 122 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 320 позиций на 32 страницах и приложения на 32 страницах.
Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе над диссертацией Д.Н. Гаркунову, А.К. Прокопенко, В.Т. Десятову, B.C. Муравьеву, коллективу научно-исследовательской лаборатории «Избирательный перенос и водородное изнашивание» Московского технологического института (в настоящее время Московский государственный университет сервиса).
Анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя узлов бытовых машин и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания и коммунального хозяйства
Анализ деятельности сервисных предприятий дал возможность определить основные виды бытовых машин, на долю которых приходится наибольшее количество отказов и рассмотреть особенности условий их эксплуатации, приводящих к поломкам техники [143, 217,276].
Оборудование предприятий химической чистки и прачечных Выше было показано, что основными техническими средствами на предприятиях химической чистки и прачечного производства являются машины химической чистки, мокрой обработки изделий и стирки белья, отжима, сушки, глажения и влажно-тепловой обработки. Анализ отказов оборудования показывает, что более часто выходит из строя сложное оборудование, имеющее большое количество сборочных единиц и, соответственно, обладающее пониженной надежностью. Несмотря на достаточно широкий спектр оборудования, используемого на сервисных предприятиях, оказывающих услуги по химической чистке одежды и стирке белья, перечень основных поломок невелик. По ранее полученным данным [143] на примере сти-рально-отжимных машин характер поломок следующий: износ и частичная коррозия подшипников вала внутреннего барабана вследствие износа и потери уплотняющей способности резиновыми армированными манжетами и щелевым уплотнением (46,4%), износ клиновых ремней (16,6%), выкрашивание и поломка зубьев муфты сцепления (7,9%),износ вала промежуточной опоры под большой звездочкой цепной передачи (8,2%); другие неисправности — засорение сливного клапана, срезание стопорных винтов шкива, трещины в кронштейнах и корпусных деталях и др. (20,9%). Анализ работы другого оборудования показывает примерно такой же характер распределения поломок и неисправностей, приводящих к нарушению работоспособности технических средств: большая часть отказов приходится на подшипниковые опоры валов, защищаемые уплотнения различных типов (манжетные щелевые, сальниковые, торцевые), трущиеся детали приводов машин, трубчатые электронагреватели, клиновые ремни. С точки зрения повышения работоспособности технологического оборудования наибольший интерес представляют детали подппшниковых опор и другие детали, работающие в условиях фрикционного контакта.
Машины химической чистки и стиральные машины независимо от конструктивного исполнения состоят из следующих узлов: внутреннего и наружного барабанов, привода, устройства для подвода в машину воды, пара, растворителей (или растворов моющих средств), а также для удаления отработанных растворов. Кроме того, они имеют контрольно-измерительные средства управления и автоматизации.
Внутренний барабан в машинах с торцевым обслуживанием устанавливается консольно в подшипниковой опоре задней стенки наружного барабана. На рис. 1.10. представлена подшипниковая опора стирально-отжимной машины КП-129. Эта опора может считаться типовой, т.к. содержит максимальное количество элементов, принадлежащих подшипниковым опорам различных машин.
Подшипниковые опоры машин химической чистки и стиральных машин монтируются на валу внутреннего барабана. От внешних воздействий все рассматриваемые подіпипниковьіе опоры защищены ступицей (стаканом), которая крепится к задней стенке наружного барабана при помощи сварки, болтов или шпилек. Со стороны привода машины подшипниковые опоры защищены крышками (фланцами). Основными деталями узлов опор моечных барабанов рассматриваемых машин являются подшипники (по СТ СЭВ 3795-82, ГОСТ 8545-75 или СТ СЭВ 3793—82 в зависимости от величины воспринимаемой нагрузки). Поскольку вал внутреннего барабана нагружен консольно, то подшипники расположены на некотором расстоянии друг от друга и удерживаются распорной втулкой, либо используются специальные подшипники с закрепительными втулками (ГОСТ 8545—75). Для защиты подглипников качения и других деталей узла опоры от воздействия поверхностно-активных веществ и растворителей, а также во избежание утечки индустриального масла И-20А из полости опоры во всех рассматриваемых конструкциях предусмотрены манжетные уплотнения (ГОСТ 8752—79). Для предотвращения утечки индустриального масла И-20А со стороны привода также предусмотрены манжетные уплотнения (ГОСТ 8752—79), которые по внешнему диаметру сопрягаются с крышкой подшипниковой опоры, или специальные подшипники с уплотнением (СТ СЭВ 3793—82), которые закрыты крышкой подшипниковой опоры.
Пара трения вал — манжетное уплотнение является наиболее ответственной. Манжеты для уплотнения валов (ГОСТ 8752-79) вьшолнены из резины на основе бутадиен-нитрильных каучуков. Под действием ПАВ при повышенных температурах и при наличии относительного перемещения в паре эластомер — металл происходит потеря упругих свойств и изнашивание детали из эластомера, то есть манжетного уплотнения и, как следствие, потеря их уплотняющей способности, в результате чего в полость подшипниковой опоры проникают агрессивные жидкости, что ведет к интенсивному коррозионно-механическому и водородному изнашиванию таких деталей, как подшипники качения.
Вместе с уплотнением изнашивается и сопряженная с ним деталь - вал подшипниковой опоры. Присутствие большого количества влаги и других водосодер-жаших сред создает условия для водородного изнашивания стального вала. Наличие абразива интенсифицирует износ вала и манжеты, поэтому во многих машинах предусмотрены предохранительные втулки, которые монтируются на вал в месте посадки манжеты. Для изготовления валов и подманжетных втулок используют сталь 45, термообработку которой ведут до твердости HRC 52...60. При изготовлении валов некоторых машин рекомендуется хромирование рабочих поверхностей.
Изнашивание манжеты происходит под действием радиальной нагрузки и относительного реверсивного перемещения вала по поверхности уплотнения. Радиальная нагрузка создается браслетной пружиной манжеты для стабилизации натяга и составляет 1,0-2,0 МПа. Скорость скольжения вала по уплотнению для рассматриваемых машин лежит в пределах 0,11-2,24 м/с.
Водородное изнашивание контактирующих поверхностей деталей бытовых машин
Как было показано выше, все детали бытовых машин, принятые во внимание в настоящей работе, а большей или меньшей степени подвергаются водородному изнашиванию. Этот вид разрушения рабочих поверхностей может быть основным или сопутствующим для какого-либо класса деталей или условий эксплуатации. Однако, даже в тех случаях, когда водородное изнашивание является сопутствующим видом разрушения, сопровождающие его процессы могут привести к накоплению дефектов в поверхностных слоях и разрушению деталей. Явление наводороживания поверхностных слоев деталей машин, находящихся во фрикционном взаимодействии, оказывающее значительное влияние на их износостойкость и проявляющееся в большей или меньшей степени во всех видах изнашивания, впервые было обнаружено советскими учеными Д. Н. Гар-куновым и А. А. Поляковым [33]. Как самостоятельный процесс разрушения поверхностей трения водородное изнашивание было зарегистрировано как научное открытие № 378 в 1990 г.
По мнению авторов открытия, существует принципиальное отличие водородной хрупкости от водородного изнашивания. Водородное изнашивание связано только с процессом трения и обусловлено трением. Для него характерна высокая локальная концентрация водорода в поверхностном слое металла, возникающая из-за больших градиентов температуры и напряжений при трении, которые обусловливают накопление водорода и особый характер роста трещин, приводящий к сплошному разрушению слоя стали. При этом под стальной поверхностью одновременно образуются многочисленные трещины, которые, сливаясь, могут мгновенно разрушить поверхностный слой детали. При водородном ох-рупчивании образуется и развивается только одна трещина, которая и приводит к разрушению детали. При водородном изнашивании концентрация водорода под поверхностью настолько велика, что никакой другой источник наводороживания не может создать и десятой доли подобной концентрации [54].
Водородное изнашивание характеризуется следующими явлениями [33,111]: - интенсивным выделением водорода и его непрерывным поступлением к поверхностным слоям трущихся деталей в результате трибодеструкции водородсо-держащих материалов; - адсорбцией водорода на поверхностях трения; - диффузией водорода в деформируемый слой металла, скорость и глубина которой определяется градиентами температур и напряжений, наличием электрических и магнитных полей; - накоплением водорода в поверхностных слоях с одновременной локализацией его в отдельных областях и развитием в них большого числа зародышей трещин; - разрушением поверхностных слоев под действием накопившегося водорода с характерным мгновенным образованием мелкодисперсного порошка металла. Исследование процесса трибодеструкции [54] показало, что при эксплуатации машин при трении из смазки, топлива, пластмасс, воды выделяется диффузионно-активный водород, который адсорбируется на поверхности металла. Фрикционное взаимодействие создает условия для протекания и ускорения физико-химических взаимодействий и химических реакций, связанных с выделением водорода. Водород присутствует практически во всех химических соединениях и средах, выполняющих функцию смазочного материала, а также в полимерных материалах, воде, водных растворах поверхностно-активных веществ. Химические реакции, связанные с выделением водорода, существенно ускоряются под действием механо-химического и теплового факторов, ионизации, давления, катализа, особенно при жестких режимах трения. При динамическом (в особенности фрикционном) контакте деталей машин, в том числе бытовых, происходит окисление рабочих поверхностей. Механизм окисления представляется тремя последовательными стадиями [54]: потерей веществом водорода, присоединением кислорода к металлу и потерей металлом электронов. Таким образом процесс окисления представляется в виде потери углеводородом водорода.
При рассмотрении каталитических процессов выделения водорода при трении показано [34], что в условиях фрикционного взаимодействия происходит непрерывное обновление поверхностей металлов, являющихся катализаторами диссоциации органических соединений смазочного материала. Трение инициирует развитие электрохимических реакций, механическую активацию, механо-химическую диссоциацию молекул смазочного материала и, кроме того, обеспечивает деполяризационный эффект за счет скольжения одной поверхности по другой, приводящий к самопассивации вплоть до разрушения оксидных пленок и ускорению коррозии и др. Таким образом, источником появления диффузионно-активного водорода в зоне трения являются водородные соединения смазочного материала или контртела. За счет процесса непрерывного образования водорода при трении происходит насыщение им металла вплоть до критического уровня, вызывающего разрушение металлической поверхности. Доказательством триботехнического источника наводороживания служат результаты многочисленных исследований [25, 33, 34, 97], в том числе полученных в лаборатории «Избирательный перенос и водородное изнашивание» при участии автора [136, 137,154].
Так, например [141], эксплуатация (фрикционный контакт) вала стиральной машины в паре со щелевым уплотнением, изготовленным из композиционного материала фенилон С2 на основе ароматического полиамида, приводит к значительному наводороживанию стальной поверхности. При этом повышается общее содержание водорода - от 1,844 10 5 до 2,219 10"8 м3/кг, но в основном за счет его диффузионно-активной составляющей - от 0,94 10 до 3,43 - 10" м /кг. Аналогичные результаты были получены при исследовании содержания водорода в стальном образце после трения его в паре с резиновым манжетным уплотнением, однако в этом случае наблюдалась большая концентрация водорода — 2,389 10 8 м3/кг и 5,18 МУ6 м3/кг соответственно. Аналогичные результаты получены автором [179, 183] при изучении защитных свойств покрытий, нанесенных методом финишной антифрикционной безабразивной обработки. Следовательно, можно говорить о вполне определенной способности каждой среды (твердой или жидкой) к образованию водорода при трении о стальную поверхность.
Теоретическое обоснование состава металлоплакирующих композиционных полимерных материалов и прогнозирование их свойств
Разработка научных принципов создания композиционных полимерных материалов, способных при фрикционном контакте реализовать механизм закрытия устьев микротрещин и пор, а также создать на поверхности раздела защитную металлическую пленку, препятствующую проникновению диффузионно-активного водорода в тело металлической детали с целью их применения в узлах трения бытовых машин, а также других технических средств (в качестве подшипников, уплотнений, при ремонте изношенных поверхностей) является важнейшей задачей, имеющей большое научное и хозяйственное значение.
Проблема рационального использования полимерных композиций в узлах трения бытовых машин настолько обширна, что в настоящее время ощущается недостаток в теоретических разработках и экспериментальных данных о поведении этих материалов в различных условиях эксплуатации. Они необходимы для принятия технологических решений о применении, создания основ расчета и конструирования, изыскания новых направлений, обеспечивающих повышение эффективности работы узлов бытовых машин, включающих детали из композиционных материалов (или с покрытиями из них).
Большую трудность представляет в настоящее время применение современных теорий фрикционного взаимодействия к наполненным полимерным материалам [198], При трении таких материалов по металлическим поверхностям наполнители играют существенную роль в процессах фрикционного взаимодействия путем модификации топографии сопряженной поверхности в результате фрикционного переноса, истирания или коррозии. В определенных условиях происходят химические реакции между компонентами и связующим композиций. Большое значение имеют условия совместимости элементов композиционного полимерного материала и ответной металлической поверхности. При фрикционном нагружении активизируются физико-химические процессы: физическая и химическая адсорбция, диффузия, окисление и др.
Несмотря на то, что до настоящего времени не разработано теории влияния наполнителей на триботехнические и другие эксплуатационные свойства узлов машин, создание композиций на основе полимеров — весьма эффективный путь получения антифрикционных материалов с заданными свойствами.
Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что одним из весьма эффективных путей повышения работоспособности полимерных материалов в узлах трения является создание композиционных материалов на основе полимеров и активных наполнителей [24, 93, 104, 136, 198, 199, 210, 316]. Решение этой, одной из наиболее актуальных проблем, требует, в частности: разработки основных принципов подбора наполнителей и других ингредиентов для композиционных материалов; определения природы воздействия наполнителей на процессы фрикционного взаимодействия; изучения кинетики образования, толщины и долговечности пленки фрикционного переноса; выявления механизмов изнашивания наполненных полимерных материалов; создания полимерных композиционных материалов, позволяющих образовывать при трении защитные металлические пленки.
Исследования позволили установить, что оптимальный выбор типа, концентрации наполнителей и армирующих веществ, а также формы и размеров их частиц является одной из главных проблем при создании новых композиций на полимерной основе. Если правильно подобрать тип и концентрацию наполнителей, то можно в десятки раз увеличить износостойкость, варьировать коэффициент трения в широком диапазоне в зависимости от назначения узла трения бытовой машины. Выбором наполнителей можно контролировать физико-механические и теплофизические свойства композиций, что очень важно для машин бытового назначения и технологического оборудования сервисных предприятий; можно получить теплостойкие композиции для большого диапазона температур, а при работе в условиях химически активных сред можно сохранить химическую инертность основного полимерного материала.
На практике триботехнического материаловедения доступны сотни потенциальных наполнителей [121, 201]. На основании анализа экспериментальных данных А.К. Погосяном [199] предложены основные принципы подбора наполнителей для композитов, исходя из тепловых, структурных, физических и химических свойств наполнителей, а также конфигурации, величины и характера обработки поверхности частиц наполнителя. Так, например, минимальная теплостойкость наполнителя ограничивается технологией изготовления композиции, а максимальная - заданными условиями эксплуатации; чешуйчатый наполнитель способствует фрикционному переносу, понижению сдвигового сопротивления и поверхностной активации при трении; дисперсность наполнителя определяется в зависимости от его твердости, а износостойкость композиции — размерами наполнителя; наполнитель не должен легко агломерироваться и быть гигроскопичным.
Поиск оптимального сочетания компонентов наполненной системы определяется конструкцией и назначением узла. Одни и те же наполнители или их сочетания в тех или иных объемах оказывают самые разные влияния на характеристики пар трения в зависимости от эксплуатационных условий и от полимерной матрицы. Разработка единой рецептуры, пригодной для использования в широком диапазоне эксплуатационных условий, практически не представляется возможной. Здесь требуется сложный системный подход [199, 304].
С целью значительного улучшения антифрикционных характеристик полимерных композиций требуется наполнение не менее 20 % мае. Наполнение более чем 30-50 % мае. может привести к уменьшению когезионной прочности композиции в связи с увеличением удельной поверхности наполнителей и уменьшением толщины межфазного слоя в наполненной системе. Для этих случаев большое значение имеет дисперсность, плотность и структурно-кинетические аспекты смазывающего действия наполнителей. С позиции образования на поверхности трения пленки фрикционного переноса достаточно вводить ламеллярные наполнители в количестве 2-Ю % мае.
Все композиционные полимерные материалы имеют одну общую характерную особенность — они способны образовать на поверхности трения пленку фрикционного переноса той или иной природы, обладающую всеми свойствами смазочной пленки. Механизм смазывающего действия композита определяется также принципом построения материала, компонентами, входящими в его состав, матрицей композиции, топографией и материалом ответной детали, условиями и режимами работы и т.д.
Методика и комплекс для исследования перераспределения водорода в системе юаимодействующих материалов
Многочисленные экспериментальные данные, подтверждающие основные положения работы [246], касающиеся методики расчета объема кратера, показывают, что при измерении его диаметра на глубине 0f05 Н от поверхности образца приближение объема реального кратера к объему, рассчитанному по формуле конуса, является наилучшим. Форму кратера проверяли приготовлением шлифа продольного среза кратера по оси симметрии.
На локальность и глубину отбора пробы влияет режим работы лазеров: энергия импульса, мощность излучения, длина волны излучения, длительность импульса. При обработке аналитического сигнала на компьютере, при глубине отбора пробы от 20 до 600 мкм и определении количеств водорода, на порядок превышающих нижнюю границу определяемых содержаний, погрешность метода не превышает 13%.
Проведение испытаний по локальному распределению водорода в образцах (например, после различных технологических обработок) проводят следующим образом. Берут две партии образцов, изготовленных из одного материала и имеющих одну и ту же технологическую обработку. Очищают образцы. Первую партию образцов подвергают испытаниям на объемное содержание в них водорода. Образцы второй партии поочередно помещают в камеру. Камеру герметизируют и вновь продувают до полного удаления примеси газов. С помощью микроскопа и устройства для перемещения образца выбирают микроучасток на поверхности образца. Лазерным лучом осуществляют отбор проб и при помощи хроматографиче-ской колонки и ТЭЯ определяют содержание водорода в отобранной пробе. Продувают камеру и выбирают новый участок на поверхности образца. После проведения испытаний на локальное распределение водорода в интересующих точках образец подвергают испытаниям на содержание в них объемного водорода. Проведение испытаний по определению локального перераспределения водорода в результате триботехнических испытаний осуществляют следующим образом. Берут три партии образцов, изготовленных из одного материала и имеющих одну и ту же технологическую обработку. Первую партию образцов подвергают испытаниям на содержание в них объемного водорода. Вторую и третью партии образцов подвергают триботехническим испытаниям с анализом жидкой и газовой сред на содержание водорода, в том числе по его локальному распределению.
Более полное представление о работоспособности материалов в условиях фрикционного контакта дает послойное исследование содержания диффузионно-активного водорода, реализуемое при помощи разработанного автором (А.с. СССР № 1409888) совместно с другими учеными способа [258]
Способ определения газосодержания заключается в том, что образцы изготавливаются составными - состоящими из тонкостенных обечаек, имеющих разную толщину. Образец закрепляют на держателе прибора для триботехнических испытаний, приводят в контакт с контрообразцом и проводят испытания при заданных программой исследований параметрах (нагрузке, скорости скольжения, температуре и смазке). После проведения испытаний и определения содержания диффузионно-активного водорода в каждой из обечаек можно определить послойное распределение водорода путем вычитания количества водорода, полученного в эксперименте при исследовании большей обечайки по отношению к меньшей. По результатам оценки содержания водорода в тонкостенных обечайках определяют количество водорода в материале сплошного образца в зависимости от расстояния от поверхности. Подготовка образцов, исследовательских комплексов и проведение испытаний проводится в соответствии с известными методиками.
При прогнозировании срока службы реальных узлов машин и технологического оборудования коммунального хозяйства и бытового обслуживания без их разборки используется способ, разработанный автором совместно с учеными МТИ (МГУС) и ГЕОХИ АН СССР [259].
Результаты многочисленных исследований различных сочетаний материалов на износостойкость и водородное изнашивание доказали, что между интенсивностью изнашивания, интенсивностью образования (выделения) водорода и содержанием водорода в металле существует прямая зависимость [140, 143, 184]. На основании этого вывода и был разработан указанный выше способ.
Способ осуществляют следующим образом. Выполняют модельные испытания на трение эталонного узла при постоянных значениях нагрузки, скорости скольжения и температуры. Испытания проводят в герметичной камере прибора для триботехнических испытаний. Непрерывно или через определенные интервалы времени регистрируют концентрацию водорода, образующегося в камере прибора в результате протекания процессов деструкции смазочных материалов и технологических сред. Определяют зависимость износа эталонного узла от концентрации выделяющегося водорода.
Затем испытывают реальный узел трения, например подшипниковую опору стирально-отжимной машины. При этом опору герметизируют в камере, устанавливаемой на машине, и при ее работе непрерывно ведут отбор проб газа и определяют концентрацию водорода. Прогнозируемую работоспособность (предельный износ) реального узла трения определяют с учетом зависимости износа эталонного узла от концентраций водорода.
