Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов упрочнения поверхностей. Цель и задачи исследования 10
1.1 Методы формирования износостойких покрытий 10
1.2 Микродуговое оксидирование (МДО) 26
1.2.1 Суть метода микродугового оксидирования 26
1.2.2 Анодно-катодный метод микродугового оксидирования 34
1.3 Цель и задачи исследования 41
Выводы по главе 1 42
Глава 2 Обоснование и выбор материалов и методов исследования 43
2.1 Разработка установки микродугового оксидирования 43
2.2 Выбор алюминиевых сплавов 48
2.3 Выбор электролита 50
2.4 Методика определения толщины МДО-покрытий 51
2.5 Методика подготовки микрошлифов для изучения микроструктуры материалов 52
2.6 Методика проведения морфологического анализа и металлографических исследований МДО-покрытий 53
2.7 Методика определения микротвердости МДО-покрытий 54
2.8 Методика определения пористости покрытий 57
2.9 Методика определения адгезионных свойств покрытий 60
2.10 Методика определения триботехнических характеристик модифицированных МДО-покрытий 63
2.10.1 Выбор режимов испытаний и рабочих сред для определения триботехнических характеристик 66
2.10.2 Методика проведения испытаний на машине трения СМЦ-2 69
2.11 Методика обработки опытных данных 72
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Разработка метода создания антифрикционных композиционных покрытий на основе пористого МДО-слоя 79
3.1 Обоснование выбора материала для пропитывающего слоя 79
3.1.1 Требования к пропитывающему материалу 79
3.1.2 Анализ свойств подходящих полимерных материалов и предварительный выбор материала для пропитки 81
3.1.3 Определение характеристик порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена 89
3.2 Разработка технологии нанесения полимерного слоя на МДО-покрытия 90
3.2.1 Лабораторные методы нанесения слоя СВМПЭ на МДО-покрытия 92
3.3 Свойства композиционных МДО-покрытий, пропитанных СВМПЭ 99
3.3.1 Морфологический и металлографический анализ композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ 99
3.3.2 Определение пористости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ 104
3.3.2 Определение микротвердости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ 111
3.3.3 Исследование прочности сцепления СВМПЭ к МДО-покрытию 115
Выводы по главе 3 123
Глава 4. Исследование триботехнических характеристик новых композиционных покрытий 125
4.1 Особенности трения и изнашивания композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ в различных средах 125
4.2 Исследование износостойкости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ 154
4.2.1 Выбор метода оценки износостойкости 154
4.2.2 Разработка лабораторной установки для оценки износостойкости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ. 156
4.2.3 Исследование износостойкости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ на лабораторной установке. 162
Выводы по главе 4 166
Глава 5 Практические рекомендации использования композиционных керамико-полимерных покрытий на основе МДО-слоя 168
5.1 Области применения усовершенствованной технологии получения композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ 172
Основные выводы 181
Список литературы 184
Приложение 198
- Методы формирования износостойких покрытий
- Методика определения адгезионных свойств покрытий
- Особенности трения и изнашивания композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ в различных средах
- Области применения усовершенствованной технологии получения композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ
Введение к работе
Актуальность работы
Метод микродугового оксидирования (МДО) является одной из наиболее перспективных технологий формирования покрытий с универсальными свойствами поверхностного слоя. Сформированные этим методом покрытия за счет своих превосходных свойств - сочетания высокой износостойкости, коррозионной стойкости, а также тепло- и эрози-онностойкости, могут использоваться в производстве узлов и деталей для самых разных областей промышленности. Изучением свойств покрытий, сформированных МДО-методом, занимались как российские, так и зарубежные ученые. В частности исследованиями МДО-покрытий занимались: в ИНХ СО РАН - группа Маркова Г. А. - автора метода МДО; в НИТУ МИСиС - Тимошенко А. В., Ракоч А. Г.; в ИХ ДВО РАН - Гордиенко П. С, Руднев В. С; в ДХТИ (Днепропетровск) - Снежко Л. А., Черненко В. И.; в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина - Федоров В. А., Малышев В. Н, Ефремов А. П.; а также ученые в Китае, Англии и во многих других странах.
Микродуговое оксидирование осуществляют в анодном, катодном и анодно-катодном режимах. Наилучшие показатели высокой твердости, износостойкости, адгезии и возможности использования в качестве триботехнического материала имеют МДО-покрытия, получаемые анодно-катодным методом. При этом покрытия состоят из двух слоев: верхнего - пористого, и внутреннего - плотного, с высокой адгезией, прочностью, и практически беспористого. Основной проблемой использования МДО-покрытий в качестве триботехнического материала являются высокие значения коэффициента трения и необходимость обязательной механической обработки поверхностного слоя, который составляет от 10 до 30% от толщины покрытия, для ликвидации пористости и снижения шероховатости поверхности. В ряде случаев удаление поверхностного слоя МДО-покрытия методом алмазного шлифования создает определенные трудности, в особенности, если деталь имеет сложную конфигурацию.
В целом изучению снижения пористости поверхностного слоя МДО-покрытий уделяется большое внимание, поскольку величина пористости существенно влияет как на физико-механические, так и на триботехнические характеристики покрытий. При высоком содержании пор основные физико-механические свойства покрытия - HV, Е и другие -снижаются. Пористость также влияет на величину допустимой удельной нагрузки.
Поэтому для расширения диапазона триботехнических характеристик МДО-покрытий актуальной становится задача достижения минимальной пористости поверхностного слоя, путем его пропитки полимерным материалом, который при разогреве в процессе трения выходил бы на поверхность и работал как смазочный материал.
Разработкой полимерных покрытий для нанесения на стальную основу и изучением их свойств занимались Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В., Белый В. А., Петроковец М. И.,
Протасов В.Н., Савкин В. Г., Смуругов В. А. и другие. Основная проблема таких покрытий - низкое сцепление со стальной основой.
Устранение пористости поверхностного слоя покрытия, сформированного методом анодно-катодного микродугового оксидирования, пропиткой полимерным материалом лишено указанных недостатков и способно расширить сферу применения МДО-покрытий в узлах трения.
Объектом исследований в настоящей работе являются поверхности трения, состоящие из антифрикционного композиционного покрытия, на основе пористого МДО-слоя, пропитанного полимерным материалом с требуемыми свойствами, которые обеспечивают расширение диапазона триботехнический характеристик по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.
Целью диссертационной работы являлось расширение диапазона триботехниче-ских характеристик традиционных МДО-покрытий, за счет пропитки пористого поверхностного слоя, сформированного микродуговым методом, антифрикционным полимерным материалом.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработать способ получения антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий на основе МДО-технологии;
-
Обосновать выбор полимерного материала и разработать технологию пропитки поверхностного слоя МДО-покрытия;
-
Исследовать физико-механические свойства новых композиционных керамико-полимерных покрытий;
-
Исследовать триботехнические характеристики керамико-полимерных покрытий МДО - СВМПЭ в условиях трения скольжения в присутствии различных смазочных сред и в паре трения с закрепленным абразивом при различных режимах нагружения и сравнить их с показателями традиционных МДО-покрытий.
-
Разработать практические рекомендации по диапазону применения новых антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий для узлов трения.
Научная новизна работы
-
Предложен метод создания композиционного антифрикционного керамико-полимерного покрытия с улучшенными триботехническими характеристиками, заключающийся в заполнении порового пространства поверхностного слоя МДО-покрытия сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ), который при разогреве в процессе трения выходит на поверхность и работает как смазочный материал.
-
Показано, что пропитка МДО-покрытий СВМПЭ снижает коэффициент трения в
средах с низкими смазывающими свойствами (вода, 3% раствор NaCl) при
удельных нагрузках до 5 МПа от 1,1 до 1,7 раза, а при удельной нагрузки до 10
МПа - более чем в 3 раза, что обусловлено разогревом СВМПЭ, переходом в
высоко-эластичное состояние и работой в зоне трения в роли антифрикционного смазочного материала. Это обеспечивает повышение износостойкости поверхностей трения в 1,5 - 2 раза, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.
-
Показано, что для сред с хорошими смазывающими свойствами (керосин, вазелиновое масло) реализация процессов трения осуществляется в пределах полимерного слоя, удерживаемого в зоне контакта за счет пористости МДО-покрытия, за счет чего обеспечивается стабилизация коэффициента трения на уровне 0,05 - 0,1 в диапазоне удельных нагрузок от 2 до 15 МПа. Это способствует повышению износостойкости композиционного материала от 2 до 3 раз, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.
-
Разработана методика снижения сквозной поверхностной пористости МДО-покрытий при отсутствии традиционной механической обработки поверхностного слоя за счет пропитки поверхности МДО-покрытий СВМПЭ.
Практическая значимость работы:
-
Разработана технология формирования на поверхности трения композиционного антифрикционного керамико-полимерного покрытия на основе МДО-слоя с пропиткой СВМПЭ, которая позволяет существенно расширить номенклатуру деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок и жидкостных средах с низкими смазывающими свойствами.
-
Применение разработанной технологии формирования износостойких антифрикционных керамико-полимерных покрытий на основе МДО-метода с пропиткой СВМПЭ в производстве уплотнительных колец для штанговых плунжерных и поршневых насосов и шаров для шаровых кранов запорной арматуры, позволяет повысить срок их службы в 2-3 раза.
-
Разработана лабораторная установка для испытаний материалов и покрытий в условиях трения скольжения с системой самоустановки образца в процессе трения и регистрацией силы трения в диапазоне от 0 до 70 Н. Установка используется для проведения лабораторных работ по курсу "Основы трения и изнашивания". Научные положения, выносимые на защиту:
-
Метод создания антифрикционных керамико-полимерных композиционных покрытий с улучшенными триботехническими характеристиками по сравнению с традиционными МДО-покрытиями;
-
Результаты морфологического и металлографического исследований антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий;
-
Методика и результаты определения пористости МДО-покрытий до и после пропитки СВМПЭ;
-
Результаты исследования адгезионных свойств композиционных керамико-полимерных покрытий на основе пористого МДО-слоя, пропитанного СВМПЭ;
5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность применения антифрикционных керамико-полимерных покрытий в условиях трения скольжения в различных смазочных средах и расширяющих диапазон удельных нагрузок их применения по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования, использованием современных математических методов моделирования физических процессов при трении и изнашивании, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходе выполнения настоящей работы и их сопоставления с литературными данными, практической реализацией разработанных научных и технических решений.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях: V научно-технической интернет-конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2010), IX Всероссийской научно-технич. конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012), 67-й Международной молодежной научной конференции «НЕФТЬ И ГАЗ -2013» (Москва, 2013), Десятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2013), X Российской конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физика-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2013), Международном симпозиуме «ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ 2013» (Москва, 2013).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 3 опубликованы в рекомендованных ВАК РФ журналах, подана 1 заявка на изобретение.
Объем и структура работы
Методы формирования износостойких покрытий
Надежность подвижных сопряжений машин всегда была одной из основных проблем развития машиностроения, а ее решение остается актуальным и сегодня. Правильный подбор материалов с высокими физико-механическими характеристиками, методов их технологической обработки, а также новых методов конструирования повышают надежность в целом за счет увеличения таких показателей как износостойкость, коррозионная стойкость и др. [108], но этого зачастую не достаточно. Работоспособность большинства машин и аппаратов утрачивается вследствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, в которых происходят процессы трения и изнашивания подвижных сопряжений машин и оборудования. В процессе эксплуатации поверхностные слои деталей подвергаются наиболее сильному механическому, тепловому, химическому и другим видам воздействия [94].
В настоящее время происходит все большее ужесточение требований к качеству продукции машиностроения, что в свою очередь приводит к ужесточению требований к структуре и свойствам поверхностных слоев. От качества, физико-механических свойств, шероховатости, твердости, химической стойкости и структуры поверхностных слоев зависит износостойкость узла трения, надежность и долговечность машин и оборудования в целом [51]. Все это приводит к поиску и развитию новых методов модификации поверхностных слоев, а также к усовершенствованию уже имеющихся методов обработки. Совокупность названных методов в концепции современных терминов относится к единому понятию «Инженерия поверхности» [64].
Инженерия поверхности относится к одному из новых направлений в науке и технологии, включающему традиционные и инновационные процессы модифицирования поверхностей изделий, создающие на ней композиционный материал со свойствами, отличающимися от свойств основного материала [98, 99].
Инженерия поверхности относится к различным областям современного материаловедения и базируется на научных и технологических основах получения поверхностных слоев с необходимыми свойствами непосредственно в основном материале, а также нанесение на него различными методами прочно с ним связанных слоев другого материала [64]. При этом в инженерию поверхности входят как традиционно распространенные методы модифицирования, например, деформационное упрочнение, так и современные высокоэффективные и во многих случаях единственно возможные инструментально-физические методы, такие, как плазменная обработка в ионных пучках, в тлеющем разряде, обработка потоками электронов и другие методы воздействия концентрированными потоками энергии [64]. Все они различаются по способам модификации поверхности, по способам переноса энергии и вещества к обрабатываемой поверхности и по физико-механическим, триботехническим, эксплуатационным свойствам полученных поверхностей [26] (рисунок 1.1).
Существует несколько классификаций методов поверхностного упрочнения, но по своей сущности все их можно подразделить на группы:
механические;
термические;
термо-механические;
химико-термические;
гальванические;
физические.
Как известно, на износостойкость материалов, наряду с совокупностью механических, физических, фрикционных свойств, а также температурных, нагрузочных, скоростных и других характеристик, существенно влияет качество поверхностей трения. Помимо этого износостойкость в значительной мере зависит и от степени упрочнения (твердости) поверхностного слоя.
Поэтому для упрочнения рабочих поверхностей деталей трибосистем зачастую используются такие методы образования износостойких покрытий, как химико-термическая обработка (ХТО), наплавка, металлизация, гальванотехника (химические и электрохимические), импульсные (электрофизические), поверхностное легирование стального литья и другие [5,7, 17, 19,27,28,35,37,113].
Наиболее широкое применение получили наплавочные технологии, напыления и адгезионные методы.
Наплавляемые покрытия используются для упрочнения поверхностей деталей, вследствие чего повышается их долговечность [27, 28, 115]. При наплавке металл, формирующий поверхностный слой, подвергается интенсивному нагреву, вызывающему его плавление. Формирование значительного объема жидкого металла, полученного в результате плавления металла детали и присадочного материала, является отличительной особенностью наплавочных процессов [28].
Наплавочные технологии обеспечивают максимальную прочность сцепления поверхностного слоя с основой детали равную прочности монолитного металла. Высокая энергоемкость наплавочных процессов определяет их значительную производительность. Наплавкой получают поверхностные слои толщиной от 0,5 до 20 мм [27].
Однако интенсивный нагрев, свойственный наплавочным процессам, вызывает ряд отрицательных последствий, например, неэффективный нагрев металла детали, не участвующего в формировании наплавленного слоя, ограничивает минимальный размер детали, способных выдержать наплавочный процесс; разбавление высоколегированного присадочного материала низколегированным основным приводит к потере требуемых эксплуатационных характеристик. Существенными недостатками наплавочных процессов являются получение грубой чешуйчатой поверхности и значительный припуск на последующую механическую обработку.
Наплавочные технологии различаются - по виду используемых источников нагрева. Электродуговые методы наплавки включают широкий перечень технологий [28]:
- ручная дуговая наплавка используется при нанесении высоколегированных покрытий на детали сложной конфигурации с толщиной стенки от 3 мм;
- электродуговая наплавка под флюсом применяется для деталей диаметром более 50 мм при повышенных требованиях к качеству наплавленного материала. Толщина наплавленного слоя изменяется от 2 до 10 мм;
- электродуговая наплавка в углекислом газе выполняется на деталях диаметром от 20 мм, работающих в различных условиях;
- электродуговая наплавка в среде инертных газов применяется для нанесения высоколегированных присадочных материалов, а также для восстановления деталей, изготовленных из коррозионно-стойких сталей, и цветных металлов. Этот способ дает возможность получать слои с более высокими механическими свойствами, особенно по ударной вязкости и сопротивлению усталости;
- вибродуговая наплавка используется для деталей малых размеров (диаметром от 10 мм) при наплавке слоев небольшой толщины от 0,5 до 3,0 мм, работающих в различных условиях. Обеспечивает невысокий уровень сопротивления усталости.
Плазменно-дуговая наплавка применяется для нанесения покрытий на ответственные детали с повышенными требованиями к износостойкости и сопротивлению усталости полученных слоев.
Методика определения адгезионных свойств покрытий
Как известно, прочное сцепление (адгезия) полимерного покрытия с подложкой обусловливает надежную работу покрытия в условиях длительной эксплуатации. А на величину адгезии существенно влияют степень шероховатости поверхности, наличие окисной пленки, наличие полярных групп в полимере, его молекулярный вес, величина поверхностного натяжения расплава полимера с подложкой.
Существует множество различных способов определения адгезии покрытия [14, 45, 60, 73] при этом величина адгезии к подложке определяется непосредственным определением силы, необходимой для отделения (отрыва) пленки от покрываемой поверхности.
В рамках данной работы была использован «грибковый» метод определения адгезии слоя полимера к МДО-покрытию. Сущность метода заключается в том, что полимерное покрытие наносится между двумя МДО-поверхностями, затем расплавляется и после остывания образцы разрываются на разрывной машине. Величина адгезии определяется прочностью на отрыв полимерного покрытия и самим характером отрыва.
В ходе исследований МДО-покрытие формировалось на предварительно подготовленных образцах цилиндрической формы диаметром 25 мм из алюминиевого сплава Діб. Данный алюминиевый сплав был выбран в связи с его широким использованием в нефтегазовой, нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности. Его применение обусловлено свойствами, позволяющими конкурировать со сталью и другими материалами.
Образцы погружались в ванну со слабощелочным электролитом, состав которого, а также токовые характеристики процесса подбирались исходя из оптимальных технологических режимов получения покрытий с высокой износостойкостью и минимальной пористостью (см. п. 2.3).
Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 520 - 540 В на аноде и ПО - 150 В на катоде в течение 40 минут, при плотности тока -10 А/дм2. После завершения процесса оксидирования, образцы извлекались из ванны, промывались и сушились при комнатной температуре. Толщина МДО-покрытий после микродуговой обработки образцов составляла 90-100 мкм.
В процессе оксидирования температура электролита поддерживалась постоянной за счет охлаждения проточной водой. Перемешивание раствора производилось барботированием сжатым воздухом при помощи компрессора.
Далее на торцевую поверхность цилиндров шликерным методом (см. главу 3) наносился полимерный слой из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Шликер представлял из себя «сметанообразную» смесь порошка СВМПЭ с глицерином.
Слой шликера наносился между двумя образцами, которые помещались в специальное приспособление (струбцину), представленную на рисунке 2.6, и затем в предварительно нагретую до температуры 240 - 245 С муфельную печь.
Образцы нагревались и выдерживались при указанной температуре до оплавления полимерного слоя, затем приспособление вынималось, и пока образцы были горячие, они образцы сдавливались между собой, чтобы убрать (выдавить) излишек полимера. После остывания соединенные попарно образцы вынимались из струбцины и подготавливались для испытаний на разрыв на разрывной машине (рисунок 2.7).
В качестве оборудования использовалась универсальная испытательная машина SHIMADZU 20ED для испытания образцов на растяжение по ГОСТ 1497 со скоростью нагружения 1-100 мм/мин и предельной нагрузкой 200 кН.
С помощью программного обеспечения фиксировалась нагрузка, при которой произошел отрыв образцов. Значения нагрузки Ртах записывались в таблицу.
Особенности трения и изнашивания композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ в различных средах
Триботехнические испытания образцов проводились на машине трения типа СМЦ-2 по схеме трения «колодка - ролик» в условиях однонаправленного скольжения в технической воде по методике, описанной в п.2.10 данной работы. Линейная скорость скольжения составляла 0,9 м/с (для роликов 035 мм) и 1,3 м/с (для роликов 050 мм). Первоначальная удельная нагрузка составляла 2 МПа, с последующим (через 10000 оборотов) увеличением нагрузки до 5 МПа для одних образцов и до 10 МПа - для других. При испытании материалов на трение определяли коэффициент трения трущейся пары - колодки, изготовленной по предлагаемой технологии (см. главу 3), по контртелу (ролику) из стали 40X13 (HRC 44).
При исследовании антифрикционных свойств образцов фиксировалось время начала испытаний, и через 10000 оборотов замерялся весовой износ при увеличении удельной нагрузки, при этом путь трения образцов составлял 1099 м (при скорости 0,9 м/с) и 1578 м (при скорости 1,3 м/с) соответственно. Момент трения записывался в течение всего эксперимента, затем рассчитывался коэффициент трения и строился график.
На рисунках 4.1 и 4.2 представлены характерные графики изменения коэффициента трения в зависимости от времени при различной удельной нагрузке для образцов с МДО- и покрытиями МДО + СВМПЭ при скорости 0,9 м/с.
Для роликов диаметром 35 мм это отношение составит 10, а для роликов диаметром 50 мм — 15. Это означает, что образец ролик будет иметь износ по меньшей мере в 10-15 раз меньше, чем образец колодка, что доказывают результаты эксперимента.
По результатам экспериментов был построен график зависимости интенсивности изнашивания от удельной нагрузки (рисунок 4.4).
Из данного графика видно, что с увеличением нагрузки растет интенсивность изнашивания МДО-покрытий, а для покрытий МДО + СВМПЭ она изменяется несущественно. В случаях, когда износ МДО-покрытий был выше, чем для покрытий с дополнительным полимерным слоем, наблюдалось существенное истирание контробразца (ролика), а иногда приводило к нестабильному трению и заеданию. В свою очередь покрытия МДО + СВМПЭ проявляют лучшие износостойкие свойства, при этом интенсивность изнашивания с ростом нагрузки изменяется равномерно. Это дает возможность предположить, что при возможном увеличении нагрузки в связи с неполадками в работе оборудования или в момент его пуска / остановки, покрытия не будут значительно изнашиваться.
На рисунке 4.5 представлен график зависимости коэффициента трения покрытий от нагрузки в условиях трения скольжения в технической воде.
Результаты испытаний (см. рисунки 4.1 - 4.5) свидетельствуют о том, что применение дополнительной обработки (наполнение слоем СВМПЭ) приводит к повышению износостойкости МДО-покрытия и улучшению его антифрикционных свойств.
Снижение коэффициента трения при нагрузке 2 МПа составляет практически 70 %, а при нагрузке 5 МПа - 45 %. При удельной нагрузке 10 МПа образцы, изготовленные по рекомендуемой технологии, показали высокие результаты при относительно небольшой скорости изнашивания образца и контртела, в отличие от образцов без полимерного слоя. В некоторых случаях, особенно при высокой удельной нагрузке (10 МПа), это приводило к заеданию пары трения (см. эксперимент №2 в таблице 4.1).
На рисунке 4.6 представлены фотографии колодок, после испытаний на трение. На этих фотографиях хорошо видны следы и канавки трения, характерные для условий однонаправленного скольжения в воде, обладающей плохими смазывающими характеристиками. Однако для МДО-покрытий (рисунок 4.6, а) эти канавки более явные и глубокие, хорошо прослеживаются зоны трения, выделяющиеся более темным цветом. В свою очередь покрытия МДО + СВМПЭ более гладкие, и имеют практически зеркальную поверхность (рисунок 4.6, б).
После триботехнических испытаний по методике согласно п. 2.6 данной работы проводился металлографический анализ поперечных шлифов образцов типа «колодка».
На рисунках 4.8 - 4.9 приведены микрофотографии поперечных шлифов покрытий МДО+СВМПЭ, после триботехнических испытаний в технической воде. На этих фотографиях хорошо видно зоны СВМПЭ, оставшегося в порах покрытия после трения. МДО-покрытие в свою очередь выходит на поверхность по мере истирания. Важно отметить, что участки МДО-покрытия и СВМПЭ в его порах, при трении работают одновременно, что существенно снижает коэффициент трения. При этом СВМПЭ, обладая большим коэффициентом температурного расширения по сравнению с МДО-покрытием, выходит на поверхность при разогреве в процессе трения и работает как смазочный материал [8, 10 - 12].
Области применения усовершенствованной технологии получения композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ
Проведенные исследования позволяют поставить вопрос о широком применении покрытий МДО + СВМПЭ в узлах трения машин и механизмов и рассматривать их как полноценный заменитель (где это возможно) дорогостоящих и дефицитных материалов (легированных сталей, антифрикционных материалов и т.д.). В этой связи значительно расширяется перспектива применения модифицированных МДО-покрытий в различных отраслях промышленности.
Наибольшая эффективность использования рекомендуемой технологии получения износостойких покрытий с повышенными антифрикционными свойствами может быть достигнута применительно к деталям, имеющим сложный профиль, а также внутренние изнашиваемые поверхности.
В качестве предлагаемого объекта внедрения данной технологии были использованы уплотнительные кольца для механических уплотнений штанговых плунжерных и поршневых насосов типа НП-2СПхх, разработанных ООО «Экогермет-М», и шары для шаровых кранов запорной арматуры на основе шаров датской фирмы Danfoss.
Уплотнительные кольца являются основным элементом механического уплотнения в паре трения «кольцо - цилиндр» в поршневых насосах типа НП 2СПхх. Схема механического уплотнения (автор Захаров Б.С.) [31, 32] представлена на рисунке 5.1. Однако при выборе материалов колец необходимо учитывать то, что в поршневых кольцах также имеется и дополнительная пара трения «кольцо-кольцо», которая контактирует своими торцовыми поверхностями с двух сторон. Во время работы кольца должны оказывать минимальное сопротивление радиальному перемещению относительно друг друга.
Известно, что от количества колец зависит величина утечки. Чем больше колец, тем меньше будет утечка, но при этом возрастают габариты и стоимость уплотнения. Практика использования уплотнений с большим количеством колец [31, 32] показала, что нижние кольца в поршнях штанговых насосов типа 2СП (24 кольца) быстро изнашивались. На первом кольце со стороны высокого давления контактное давление минимальное, а на последнем кольце -максимальное. Например, в реальных рабочих условиях при перепаде давления, равном 12 МПа, контактное давление на первом кольце будет равно 0,65 МПа, а контактное давление на последнем кольце почти в 19 раз больше (12,15 МПа) [31].
Тем не менее, торцовые поверхности колец практически не изнашиваются, а изнашиваются цилиндрические уплотнительные поверхности колец и ответной детали. Это происходит потому, что силы трения на контактных поверхностях, которые зависят от контактных давлений, препятствуют свободному перемещению колец в радиальном направлении и мешают кольцам самоустанавливаться [31].
Снизить контактные давления на торцовых поверхностях можно за счет подбора соответствующих материалов пар трения с низким коэффициентом трения, но способных работать в условиях перепадов давлений. Таким материалом, имеющим высокие антифрикционные свойства и износостойкость, являются покрытия МДО + СВМПЭ, наносимые по рекомендуемой технологии, подробно описанной в главе 3 данной диссертационной работы.
Прототипы уплотнительных колец для поршневых штанговых насосов типа 2СП32 были изготовлены по рекомендуемой технологии. На рисунке 5.2 показана конструкция колец. В таблице 5.1 приведены размеры колец для поршневых насосов.
Прототипы подготавливались следующим образом. Кольца изготовленные из алюминиевого сплава Д16Т с припуском под дополнительную обработку погружались в ванну со слабощелочным электролитом на основе КОН (2 г/л) с добавлением жидкого стекла (9 г/л). Процесс велся в анодно-катодном режиме при напряжении 500 - 560 В на аноде и 50 - 80 В на катоде в течение 40 минут, при этом плотность тока была 10 А/дм , соотношение токов IJIa = 1,1. После завершения процесса оксидирования, образцы извлекали из ванны, промывали, сушили при комнатной температуре. Таким образом, в результате микродуговой обработки образцов толщина МДО-покрытий составила 80 - 90 мкм. Затем на обезжиренную поверхность образцов наносили сверхвысокомолекулярный полиэтилен путем предварительного нагрева поверхности образцов кислородно-ацетиленовым пламенем до температуры 300 - 320 С и пневматического распыления порошка СВМПЭ с одновременной активацией его кислородно-ацетиленовым пламенем. После этого окончательно оплавляли верхний слой полимера до пленкообразования (спекания) и охлаждали при комнатной температуре. Толщина полимерного слоя составила 60 - 70 мкм.
Внешний вид образцов после микродугового оксидирования и после нанесения полимерного слоя представлен на рисунке 5.3.
Применение разработанной технологии формирования МДО-покрытия с СВМПЭ в производстве уплотнительных колец для механических уплотнений штанговых плунжерных и поршневых насосов типа НП-2СПхх, разработанных ООО «Экогермет-М», позволяет повысить срок их службы в 2-3 раза. При этом покрытия МДО + СВМПЭ смогут заменить такие материалы для изготовления уплотнительных колец, как сталь 45, 40X13, 95X18. При работе в коррозионных средах такие покрытия можно применять в качестве замены бронзы и латуни, колец с медным и цинковым покрытием, а также фторопластов и пластмасс, обладающих высокими антифрикционными свойствами, но невысокой износостойкостью. При этом размеры колец могут меняться в широких пределах.
Сегодня в РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина совместно ООО «Экогермет-М», где поддержали предложенную технологию производства уплотнительных колец, ведутся работы по исследованию уплотнительных колец с покрытием МДО + СВМПЭ в натурных условиях.
Другим объектом внедрения данной технологии были шары для шаровых кранов запорной арматуры. Шары являются наиболее изнашиваемой деталью в узле трения шар - седло в шаровых кранах. Они работают в условиях, которые определяются многочисленными факторами: рабочим давлением среды и ее температурой, физико-химическими свойствами среды, скоростью потока, содержанием абразивных частиц и их природой, температурой окружающей среды, давлениями на поверхности уплотнения, режимом работы, и подвержены различным видам изнашивания: гидро- и газоабразивное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное и усталостное [119]. Кроме этого, присутствие в газовом потоке незначительного количества абразивных частиц способствует активизации коррозионных процессов.
