Введение к работе
Актуальность темы. Одна из самых острых и сложных проблем современного машиностроения – износ механизмов и машин – предполагает ежегодное увеличение расходов на их восстановление. В связи с этим любое продвижение в ее решении дает комплексный результат – это и повышение энергосбережений, и возрастание показателей надежности изделия, и улучшение функциональных характеристик изделия. Одно из перспективных направлений исследований по трибологии состоит в нанесении электролитических покрытий. Износостойкие покрытия, получаемые электролитическим осаждением, отличаются высоким сопротивлением износу, минимальной склонностью к заеданию, высоким сопротивлением коррозии. Среди электролитических покрытий наибольшее распространение в гальванотехнике получили никелевые покрытия. Для получения твердых и износостойких никелевых покрытий электролитическое осаждение никеля осуществляют при введении в электролиты никелирования гипофосфита натрия, в результате чего получаются никель-фосфорные (NiP) покрытия. Для повышения несущей способности покрытий в их состав, как правило, вводят различные упрочняющие добавки (карбиды, бориды и т.д.). Такие покрытия способны выдерживать большие механические нагрузки без изменения своих служебных свойств.
Большой вклад в изучение проблемы трения и изнашивания трибосопряжений внесли отечественные ученые Баранов В.Л., Буше Н.А., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Демкин Н.Б., Дроздов Ю.Н., Захаров С.М., Костецкий Б.И., Крагельский И.В., Колесников В.И., Лужнов Ю.М., Матвеевский Р.М., Михин Н.М., Мышкин Н.К., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М., Чичинадзе А.В. и др.
Трение узлов, имеющих покрытия, рассматривалось в работах Верещаки А.С., Гриба В.В., Куксеновой Л.И., Пичугина В.Ф., Рыбаковой Л.М. и др.
Интерес к электролитическим композиционным никель-фосфорным покрытиям вызван многообещающими данными, полученными по трению и изнашиванию в трибопарах с нанокристаллическими материалами, а также возможностью получать эти покрытия с мелкозернистой структурой электролитическим осаждением. Исследования известных отечественных и зарубежных ученых показали значительное улучшение сопротивлению изнашивания никель-фосфорных покрытий при введении в их матрицу твердых добавок. Однако, в этих работах отражены главным образом результаты, характерные для трения скольжения покрытий, а основным способом определения количества упрочняющих добавок остается метод подбора. Практически не изученными остаются триботехнические характеристики фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии никель-фосфорных покрытий, что связано с недостатками существующей методологии исследования обратных пар трения.
Данная работа направлена на восполнение этого пробела и посвящена изучению процессов трения и изнашивания электролитических никель-фосфорных покрытий с различными термообработкой и количеством упрочняющих добавок карбидов кремния в условиях скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии (с учетом амплитуды и нагрузки). Полученные результаты позволят уточнить методологию исследования обратных пар трения и изучить механизм изнашивания NiP покрытий в различных условиях трения, повысить эффективность использования электролитических никель-фосфорных покрытий и увеличить износостойкость деталей машин.
Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках гранта на выполнение за счет средств федерального бюджета работ по проекту Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», направление 1.7 (проект № 03-01-10976-з, 2001, 2004), гранта Президента Российской Федерации № МК-940-2004.8 «Молодые кандидаты наук» (2004 – 2005); грантов Фонда содействия Отечественной науки для выдающихся молодых ученых Российской академии наук (2004, 2005), гранта РФФИ (проект № 07-08-92001-ННС_а, 2007 – 2010), гранта NATO Research Fellowship № 1/5 – CVW.D5.771 на проведение научных исследований в лаборатории трибологии департамента металлургии и металловедения Католического университета г. Левена (Бельгия, 2002 – 2003). Часть работы выполнялась в рамках официального приглашения в Центре трибологии и диагностики университета г. Любляны (Словения, 2005) и в научно-исследовательской лаборатории DAC компании LG Electronics в г. Чангвоне (Южная Корея, 2005 – 2006).
Цель работы. Установление закономерностей влияния упрочняющих добавок карбидов кремния и термообработки на триботехнические характеристики никель-фосфорных покрытий в условиях трения непрерывного скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии и на этой основе улучшение их служебных свойств и качества работы подвижных сопряжений.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить термодинамические аспекты структурно-фазовой адаптации поверхностей
трения износостойких электролитических покрытий (ИЭП) и ее влияние на процесс изнашивания.
-
Уточнить методологию исследования обратных пар трения с учетом влияния различных условий трения (скольжения, фреттинг-изнашивания, фреттинг-коррозии) на триботехнические характеристики ИЭП.
-
Исследовать влияние термообработки и концентрации добавок карбидов кремния (SiC) на коэффициент трения и изнашивание NiP покрытий при трении скольжения, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии (с учетом изменяющихся нагрузки и амплитуды колебаний).
4. Выполнить металлографические исследования и химический анализ поверхностей
трения NiP покрытий, а также продуктов износа на различных стадиях изнашивания при
скольжении, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии.
-
Изучить механизм изнашивания ИЭП в различных условиях трения и на этой основе разработать принципы выбора термической обработки и концентрации твердых добавок карбидов кремния в NiP покрытиях, обеспечивающих повышение их износостойкости.
-
Разработать информационную базу данных по триботехническим характеристикам износостойких покрытий, в том числе электролитических NiP покрытий, для решения конкретных конструкторско-технологических задач.
-
Разработать практические рекомендации по повышению износостойкости изделий с NiP покрытиями и осуществить опытно-промышленную апробацию этих рекомендаций.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях и опытных данных термодинамики неравновесных процессов и самоорганизации, трибологии, моделирования и многофакторного планирования экспериментов.
При проведении экспериментальных исследований использовались методы статистического анализа результатов экспериментов; стандартизованные и оригинальные методики триботехнических испытаний, измерения микротвердости и шероховатости. Для исследования структурных особенностей и фазового состава испытуемых материалов и их поверхностей трения использовались современные методики: оптическая металлография (ОМ), растровая электронная микроскопия (РЭМ) и рентгеноспектральный анализ.
Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена многочисленными собственными экспериментальными данными и данными других авторов. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения прошли производственную проверку и внедрены в учебный процесс.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана термодинамическая модель изнашивания покрытий, полученная из условия устойчивости стационарного состояния трибосистемы с минимальным производством энтропии на подвижном фрикционном контакте;
выявлены химические составы вторичных структур, их распределение и развитие в приповерхностных слоях фрикционного контакта при скольжении, фреттинг-изнашивании и фреттинг-коррозии электролитических NiP покрытий;
установлено влияние условий трения на изменение механизма изнашивания покрытий с твердыми добавками и на этой основе разработаны научные принципы выбора термообработки и концентрации добавок, обеспечивающих повышение износостойкости покрытий;
представлено научное обоснование применяемой методологии исследования обратных пар трения для комплексной оценки триботехнических характеристик покрытий в различных условиях трения скольжения, фреттинг-изнашивания и фреттинг-коррозии;
- установлены зависимости триботехнических характеристик и интенсивности
изнашивания электролитических NiP покрытий от наличия в них твердых добавок SiC и их
концентрации, а также от термообработки и условий трения (скольжение, фреттинг-изнашивание,
фреттинг-коррозия при различных нагрузках и амплитудах сдвига);
- показано, что термообработка и твердые добавки SiC, с одной стороны, как упрочняющие
факторы уменьшают изнашивание NiP покрытий, а с другой стороны, как факторы, повышающие
структурную неоднородность поверхностей трения, интенсифицируют изнашивание
электролитических NiP покрытий; минимум изнашивания достигается при определенных
сочетаниях нагрузки и амплитуды сдвига;
- определяющую роль при фреттинг-коррозии NiP покрытий играет механическая
составляющая изнашивания, а степень влияния химической составляющей зависит от сочетания
нагрузки и амплитуды сдвига.
Практическая ценность. Практическую ценность представляют:
1. Разработанная и апробированная методология исследования и определения
триботехнических параметров обратных пар трения (в том числе с применением
электролитических NiP покрытий), позволяющая сопоставлять, анализировать и обобщать
результаты, полученные в различных условиях трения скольжения, фреттинг-изнашивания и
фреттинг-коррозии.
2. Способ определения концентрации упрочняющих добавок в износостойкие NiP
покрытия, обеспечивающий их минимальное изнашивание (патент № 2476629 от 27. 02.2013 г.).
3. Информационная база данных по триботехническим характеристикам электролитических
NiP покрытий, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и
оптимизировать расчеты при конструировании трибосопряжений.
4. Установленные зависимости коэффициента трения и интенсивности изнашивания
электролитических NiP покрытий от различных условий трения позволяют прогнозировать их
износостойкость уже на стадии конструирования трибосопряжений (с учетом технологии
изготовления деталей этих трибосопряжений и режима их эксплуатации).
5. Рекомендации по применению упрочняющих добавок и термообработки электролитических NiP покрытий, обеспечивающих высокую износостойкость деталей при эксплуатации в различных условиях трения.
Реализация результатов работы. Выполненные разработки внедрены:
- на предприятии ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» г.
Уфа (рекомендации применения износостойких покрытий для восстановления и упрочнения
деталей – корпусов, подвесок, обойм, втулок, хвостовиков лопаток авиадвигателя АЛ-31Ф), ОАО
«УАП «Гидравлика» г. Уфа (информационная база данных для автоматизации расчетов при
конструировании трибосопряжений).
- в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического
университета в виде учебно-методических указаний при подготовке инженеров.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 10 международных, 3 всесоюзных, 10 всероссийских научно-технических симпозиумах и конференциях за период с 1995 по 2012 гг. в городах Москве, Самаре, Уфе, Лондоне (Великобритания), Левене (Бельгия), Париже (Франция), Эсслингене (Германия), Варне (Болгария), Юрмале (Латвия), Варшаве (Польша), Любляне (Словения). Работа обсуждалась на заседании научного семинара «Трение и износ в машинах» им. М.М. Хрущова отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Института машиноведения РАН (2013 г.), на заседании научно-технического совета отделения «Транспортное материаловедение» ОАО «ВНИИЖТ» (2013 г.), на заседании семинара по механике фрикционного взаимодействия твердых тел им. И.В. Крагельского в Институте проблем механики РАН (2014 г.).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 80 научных работах, в том числе в 3-х монографиях, 25 – в научных журналах и сборниках из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения в виде основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений (акты внедрения), занимает 291 страницу, включает 96 рисунков, 36 таблиц и 236 наименований использованной литературы.
