CC BY
33
УДК 669.018:548.1:541.1
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ НИКЕЛЬ-ФОСФОРНЫХ ПОКРЫТИЙ
© 2008 г. И.Н. Щербаков, В.В. Иванов
В настоящее время на основе представлений о самоорганизации и новых технологий конструирования материалов на атомном уровне открываются перспективы повышения запасов прочности и долговечности существующих машиностроительных материалов для достижения высокой производительности их при эксплуатации машин и механизмов. Открываются возможности в создании новых композиционных материалов для трибологических систем, обладающих уникальными, ранее не достигаемыми, физико-механическими характеристиками [1]. Однако невозможно создать новый антифрикционный материал или покрытие для трибологических систем без изучения структурных превращений поверхностных слоев этих материалов и покрытий в зоне фактического контакта [2].
Особое место среди композиционных материалов занимают никель-фосфорные покрытия (НФП). Высокая износостойкость такого покрытия и низкая интенсивность изнашивания сопряженной поверхности, высокие удельные нагрузки и скорости скольжения, выдерживаемые НФП, сравнительно низкий коэффициент трения и способность сопротивляться значительным циклическим контактным нагрузкам являются важными характеристиками покрытия. Одним из существенно важных свойств НФП является технологичность их нанесения с помощью метода химического осаждения и возможность при этом вводить в композит твердые смазочные материалы. Повышенная износостойкость, низкий коэффициент трения, прира-батываемость и равномерность толщины покрытия позволяют использовать НФП для увеличения долговечности деталей гидравлических, пневматических, топливных и иных систем.
К настоящему времени проделан большой объем работ по исследованию композиционных НФП (КНФП), модифицированных твердыми смазочными материалами. Разработаны технологии нанесения этих покрытий на детали трибологических систем, аналогичных парам трения плунжеров. Долговечность механизмов, где используются композиционные покрытия, значительно выше, чем в узлах трения с не модифицированными покрытиями [3].
Анализ условий работы ряда узлов трения, возможности нанесения тех или иных видов антифрикционных покрытий, а также предварительные испытания этих покрытий показали, что для решения проблемы повышения их надежности и долговечности необходима разработка КНФП повышенной твердости и износостойкости за счет введения в его состав комплекса твердых смазочных материалов [3, 4]. Для
решения вышеизложенной задачи были использованы научные и технические разработки в области структурной приспосабливаемости материалов и покрытий при трении. В частности, результаты физико-химического и кристаллохимического анализа вероятного состояния поверхностных слоев композиционного материала позволили разработать модель антифрикционных и износостойких свойств этой поверхности [4].
Установлено, что моделирование КНФП следует разделять на две стадии.
Первая стадия - определение характеристик фазо-во-разупорядоченного состояния поверхности при трении на основе данных об исходном количественном и качественном фазовом составе полученного химическим осаждением покрытий с учетом возможных физико-химических процессов, которые сопровождаются химическим модифицированием ряда фаз и фазовыми превращениями.
Вторая стадия - моделирование трибологических свойств КНФП на основе знания объемных концентраций и индивидуальных показателей диагностических свойств всех фаз, микроструктурных характеристик и особенностей распределения фаз в объеме покрытия и учета возможного в процессе трения синер-гетического эффекта взаимодействующих функциональных компонентов композиционного покрытия и компонентов материала сопряженной поверхности.
Триботехнические характеристики возможных композиционных покрытий на основе НФП скорость линейного износа I и коэффициент трения f могут быть рассчитаны в соответствии с неаддитивной моделью «концентрационной волны» [5] по следующим соотношениям:
I = а <1тв> + (1-а) <1См> + 8,(<1Тв > - <1См>),
f = а </Гв> + (1-а) <£м> - 8Х</Гв > - <£м>).
Здесь 5,- = Sf = 4(1-а)а2[1-к(1-кн)] - величина относительного синергического эффекта соответствующего свойства, а означает объемную долю твердой компоненты композиционного покрытия в двухком-понентном (твердая+смазочная) приближении, k и кн -соответственно размерный и наноструктурный факторы, (<1тв >, </Гв>) и (<1См >, </см>) - усредненные индивидуальные характеристики фаз твердой и смазочной компонент покрытия соответственно.
Проанализированы вероятный фазовый состав и триботехнические характеристики поверхности НФП и КНФП с различными модификаторами при средней удельной нагрузке при трении 1 МПа (табл. 1).
Таблица 1
Состав и свойства композиционных никель-фосфорных покрытий при трении без смазки (Р » 1 МПа)
Состав добавки к НФП Объемная доля твердых фаз, а Скорость линейного износа, I, мкм/ч Коэффициент трения, /
- 0,92 5,93 0,247
ПТФЭ 0,85 5,00 0,198
вк 0,90 3,70 0,240
MoS2 0,90 5,78 0,238
С(графит) 0,90 4,96 0,237
ПТФЭ, вк 0,83 0,76 2,89 3,34 0,195 0,166
ПТФЭ, MoS2 0,81 0,75 4,98 5,29 0,190 0,167
ПТФЭ, С(графит) 0,83 0,77 4,73 5,01 0,199 0,174
Расчётом по модели «концентрационной волны» установлено, что наилучшими показателями по износостойкости должны обладать КНФП, модифицированные нитридом бора и политетрафторэтиленом (ПТФЭ), с объемной долей твердых фаз а в интервале от 0,75 до 0,85.
Сравнительным анализом экспериментальных данных (I; /), полученных (при Р = 1 МПа и V = 0,048 м/с) для КНФП с модификаторами BN при а=0,9 (3,66 мкм/ч; 0,235), ПТФЭ при а = 0,851 (4,80 мкм/ч; 0,175), BN и ПТФЭ при а = 0,832 (2,8 мкм/ч; 0,181) [6], с соответствующими рассчитанными значениями (см. табл. 1) установлено удовлетворительное соответствие.
Сравнивая характер показателей износостойкости НФП и КНФП, модифицированного BN и ПТФЭ, необходимо отметить более пологий, плавный выход работы этого покрытия из стационарного режима трения к режиму заедания. Даже после 45 мин работы после появления следов основы покрытия не наблюдалось схватывания поверхностей трения, хотя коэффициент трения увеличивался с 0,18 до 0,21 [7].
На рис. 1 показан вид поверхности трения НФП и КНФП, через 45 мин после выхода из стационарного режима трения на режим заедания.
а б
Рис. 1. Фрагмент микроструктуры поверхности никель-фосфорного покрытия (а) и композиционного никель-фосфорного покрытия (б) после выхода из стационарного режима трения на режим заедания. х400
На поверхности НФП (рис. 1 а) видны следы не только схватывания, но и вырывов металла. На композиционном покрытии следов вырывов и схватываний не наблюдали (рис. 1 б).
Повышение противозадирных свойств КНФП можно с определенной степенью вероятности объяснить диффузионными процессами, происходящими в зоне трибологического контакта, и образованием в системе соединений металлов.
Разработанное КНФП было нанесено на изношенные плунжеры (материал основы - сталь ХВГ) дизельных двигателей. Восстановление плунжерных пар производилось методом переукомплектования, т.е. подбором изношенных деталей по размерам с дальнейшим нанесением композиционного покрытия на плунжер толщиной, необходимой для создания оптимального посадочного зазора между плунжером и втулкой.
Восстановление плунжерных пар, разобранных по группам, характеризующимся размерами необходимой толщины наносимого покрытия, производилось по технологии, изложенной в работе [8], с некоторыми дополнениями, касающимися промывки, обезжиривания и декапировании поверхности.
Нанесение покрытия осуществляли в два приема: после осаждения первого слоя толщиной 7 - 9 мкм, плунжеры декапировали в концентрированном растворе соляной кислоты (1:1) в течение 5 с, после чего их переносили в ванну со свежим раствором. Температура раствора 90 - 92 °С, плотность загрузки 1 - 2 дм2/л.
Проверка покрытия по длине плунжера после термообработки показала, что разность в его толщине не превышала 2 мкм (рис. 2). Дефекты в виде трещин и наслоений не наблюдались.
Сравнительные эксплуатационные испытания новых и покрытых разработанными КНФП плунжерных пар, подобранных по одинаковой гидравлической плотности, показали, что восстановленные химиче-
ским никелированием плунжерные пары по всем параметрам (состоянию поверхности, характеристикам подачи топлива, давлению впрыска) удовлетворяют техническим требованиям.
Для выявления возможности использования разработанного КНФП в высоконагруженных узлах трения автомобильного транспорта были проведены производственные испытания этого покрытия на распределителе моторнасоса МН - 56/32. Распределитель изготовлен из бронзы. Результаты сравнительных испытаний покрытий на износостойкость с начала работы узла трения распределителя показали, что КНФП износилось до основы, а долговечность его работы увеличилась на 22 % (табл. 2).
А Б В Г Д Е Ж З И
Рис. 2. Данные о равномерности толщины покрытия по длине плунжера: А - 16,1 мкм; Б - 15,9 мкм; В - 15,65 мкм; Г - 15,6 мкм; Д - 15,55 мкм; Е - 15,45 мкм.; Ж - 15,55мкм; З - 15,35 мкм; И - 15,30 мкм
Таблица 2
Сравнительные данные по износостойкости распределителя моторнасоса МН - 56/32
Время, ч Величина износа распределителя, мг
Без покрытия НФП КНФП, модифицированное BN и ПТФЭ
Первые 10 ч 562 63 27
Сумарный износ за 1000 ч 2720 2252 2121
Таким образом, получены композиционные покрытия на основе НФП, модифицированных нитридом бора и политетрафторэтиленом, обладающие достаточно высокими антифрикционными и износостойкими свойствами. Показано, что они могут быть использованы для повышения износостойкости узлов трения и механизмов автомобильного транспорта.
Литература
1. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения. М., 1984.
2. Кутьков А.А., Щеголев В.А. Структурно-кинематические аспекты антифрикционности материалов // Трение и износ. 1980. Т. 1. № 2. С. 209-216.
3. Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов: Учеб. пособие. Омск, 1996.
4. Иванов В.В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. Ростов н/Д., 2003.
5. Иванов В.В., Иванов А.В., Щербаков И.Н., Башкиров О.М. Синергический эффект в композиционных материалах при трении и износе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 3. С. 46-49.
6. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Иванов А.В., Башкиров О.М. Анализ синергического эффекта в композиционных никель-фосфорных покрытиях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 4. С. 62-64.
7. Щербаков И.Н., Иванов В.В., Башкиров О.М. и др. Струк-турообразование никель-фосфорных покрытий при термообработке и трении, полученных химическим осаждением // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спецвыпуск. Проблемы трибоэлектрохимии, 2005. С. 124-127.
8. Исследование технологических параметров получения никель-фосфорного покрытия с нитридом бора / В.Т. Логинов, Г.А. Данюшина, О.М. Башкиров, И.Н. Щербаков и др. // Новые технологии управления движением технических объектов: Сб. ст. по материалам 5-й Меж-дунар. науч.-техн. конф., Новочеркасск, 18-20 дек. 2002 / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Ростов н/Д., 2002. Вып. 3. Ч. 2. С. 65-67.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 19 февраля 2008 г.
