Технические науки/4. Транспорт

Д.т.н. Леонтьев Л.Б., д.х.н. Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л., Токликишвили А.Г.

Дальневосточный федеральный университет, Россия

Повышение триботехнических свойств сопряжения
нанесением композиционных покрытий

Основной причиной отказов плунжерных пар топливных насосов высокого давления судовых дизелей является потеря гидроплотности вследствие увеличения зазора между плунжером и втулкой из-за абразивного изнашивания сопряженных поверхностей трения, а также гидроабразивного, кавитационно-эрозионного изнашивания.

В настоящее время все более широкое применение для повышения ресурса различных механизмов и оборудования находят минеральные материалы — силикаты, содержащие ионы Mg, Si, Fe, Ni, Al и др. в различной степени окисления. В настоящее время для модифицирования поверхностей трения применяется свыше 80 различных минералов, которые способны формировать защитные металлокерамические пленки [1, 2]. Наиболее широкое распространение в качестве модификатора получил серпентинит или композиции на его основе, которые применяют для ускорения приработки, повышения износостойкости и нагрузочной способности, снижения коэффициента трения трибоузлов механизмов. Природные силикаты имеют слоистую структуру со слабой связью между слоями, облегчающей сдвиг между ними.

Проведенные ранее исследования [3] позволили установить, что наилучшими триботехническими свойствами обладают следующие композиции: хром, модифицированный серпентинитом + силикатом природного происхождения; – хром, модифицированный серпентинитом + силикатом природного происхождения, модифицированным полисахаридом природного происхождения.

Для определения оптимального состава минеральных и органоминеральных материалов для модифицирования поверхностей трения и обеспечения заданной долговечности были проведены триботехнические испытания в течение 1 ч при нагрузке 500 Н. с различным содержанием силиката в композиции.

Серпентинит, который применялся для исследований, имел брутто-формулу: 4.5MgO∙0.7Fe₂O₃∙0.3∙CaO∙0.2MnO∙4SiO₂∙4H₂O. Крупность размола серпентинита (до его обработки в диспергаторе) находится в пределах 1–10 мкм.

Состав силикат природного происхождения имеет брутто-формулу: Mg·Fe_0.8·Al_0.4·Si_2.1O₉·H₂O·(CaSiO₃)_0.9. Крупность размола силиката (до его обработки в диспергаторе) находится в пределах 1–20 мкм.

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

Характеристики	H2O, %	h 1% р-ра, ммг/сек	Степень дезацетилирования	C, %	N, %
полисахарид	8.8	88.0	84.0	41.8	7.5

Для получения мелкодисперсных частиц в композиции смесь из исходных твердых частиц вводят в дизельное топливо из расчета 220–300 г смеси на литр дизтоплива, и подвергают обработке в гидродинамическом кавитационном диспергаторе не менее 30 минут, обеспечивая конечную крупность твердых частиц в суспензии в пределах от 0,05 до 3 мкм.

Модифицирование поверхности гальванического хрома осуществляли минеральными и органоминеральными материалами фрикционным методом. Модифицирующий состав, состоящий из минерального или органоминерального материала и дизельного топлива наносился на упрочняемую поверхность.

В процессе испытаний фиксировали следующие параметры: интенсивность (величину) изнашивания, силу (коэффициент) трения.

Минимальный износ покрытия и сопряженной детали из стали ХВГ наблюдается после упрочнения хромового покрытия композицией: 90% серпентинита + 10% силиката природного происхождения, модифицированного полисахаридом природного происхождения (табл. 1) — суммарная величина износа трибосопряжения всего 2,2 мг. Увеличение доли силиката в композиции до 20% приводит к возрастанию суммарной величины износа до 2,5 мг (на 13,6%) за счет увеличения износа как покрытия, так и стали ХВГ. При этом величина износа покрытия возрастает в 2 раза, а стали ХВГ всего на 5%. Повышение износостойкости трибосопряжения по сравнению с хромовым покрытием без упрочнения составляет 4,1 раза.

Таблица 1

Результаты триботехнических испытаний сопряжения сталь ХВГ – хром,
упрочненного композицией серпентинит + силикат природного происхождения,
модифицированный полисахаридом природного происхождения

Наименование параметра	Содержание серпентинита в композиции
	0	10	30	50	80	90	100
Величина износа покрытия, мг	0,5	1,2	1,2	1,0	0,4	0,2	1,0
Величина износа стали ХВГ, мг	3,2	3,1	2,8	2,6	2,1	2,0	1,9
Суммарная величина износа трибосопряжения, мг	3,7	4,3	4,0	3,6	2,5	2,2	2,9
Коэффициент трения после приработки	0,154	0,143	0,146	0,150	0,140	0,122	0,120

Затем по износостойкости следует композиция, содержащая 90% серпентинита и 10% силиката природного происхождения (табл. 2) — суммарная величина износа трибосопряжения всего 2,7 мг. Повышение износостойкости трибосопряжения по сравнению с хромовым покрытием без упрочнения составляет 3,3 раза.

Анализ результатов исследований (табл. 1 и 2) показывает, что количество силикатов в композиции оказывает большее влияние на величину износа сопряженной детали из стали ХВГ, чем покрытия. Причем величина износа стали ХВГ прямо пропорциональна величине силиката в обеих композициях. Введение силиката в количестве 10% в композицию позволяет уменьшить износ покрытия в 2,2 раза, а введение силиката, модифицированного полисахаридом природного происхождения, позволяет уменьшить износ покрытия в 5 раз по сравнению с покрытием, модифицированным только серпентинитом, благодаря упрочнению матрицы включениями Al₂O₃, которые обладают высокой твердостью и износостойкостью. Кроме того, Al₂O₃ устойчив к агрессивным средам, термостоек, при обычных условиях не разлагается и не превращается в другие соединения. Повышение содержания силиката в композиции свыше 10% приводит к увеличению величин изнашивания покрытия и стали ХВГ вследствие того, что серпентинит обладает низкой энергией связи между слоями, включения оксида алюминия попадают в зону трения. А так как твердость частиц Al₂O₃ значительно больше твердости сопряженных поверхностей, они оказывают режущее воздействие и тем самым увеличивают износ.

Таблица 2

Результаты триботехнических испытаний сопряжения сталь ХВГ – хром,
упрочненного композицией серпентинит + силикат природного происхождения

Наименование параметра	Содержание силиката природного происхождения в композиции
	0	10	25	50	75
Величина износа покрытия, мг	1,3	0,6	0,8	1,1	1,2
Величина износа стали ХВГ, мг	2,5	2,1	2,6	3,4	4,3
Суммарная величина износа трибосопряжения, мг	3,8	2,7	3,4	4,5	5,5
Коэффициент трения после приработки	0,129	0,137	0,143	0,148	0,146

На основании проведенных триботехнических испытаний были выбраны две композиции материалов, обладающие наиболее высокой износостойкостью и минимальным коэффициентом трения:

– хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% силиката, модифицированного полисахаридом природного происхождения;

– хром, упрочненный композицией 90% серпентинита + 10% силиката природного происхождения.

Образующийся слой металлокерамики толщиной 2–3 мкм обладает более высокими механическими и триботехническими свойствами по сравнению с закаленной сталью.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности применения для условий трения, характерных для прецизионных деталей топливной аппаратуры (плунжерная пара, игла-корпус распылителя форсунки) дизелей, композиционных износостойких покрытий. Модифицирование подвижной поверхности узла трения геоматериалами, модифицированными полисахаридом, приводит к существенному уменьшению параметров шероховатости и коэффициента трения, и как следствие – к снижению энергетического уровня контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величины износа трибосопряжения. Все эти положительные изменения триботехнических характеристик сопряжения позволяют говорить о перспективности использования данной технологии для повышения долговечности прецизионных деталей топливной аппаратуры.

Литература:

1. Лазарев С. Ю. Машины с аномально низким трением. – СПб.: Изд-во Военно-морской академии им. адм. Н. Г. Кузнецова, 2004. – 162 с.

2. Погодаев Л. И. Влияние геомодификаторов трения на работоспособность трибосопряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2005. – № 1. – С. 58–66.

3. Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л. Формирование износостойких покрытий на прецизионных узлах трения // Металлообработка. – 2011. – №3. С. 14–17.