ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2015
УДК 620.178.162.4:539.538
© 2015 г. Сачек Б.Я., Мезрин А.М.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭПИЛАМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ТРЕНИЯ
Институт проблем механики РАН, г. Москва
Проведено исследование триботехнических характеристик эпиламированных трибосопряжений в условиях трения без смазки. Показано, что задиростойкость эпиламированных сопряжений в условиях трения без смазки одноименных пар выше неэпиламированных примерно на 70%.
Одним из перспективных и освоенных на практике методов повышения износостойкости, не требующим дополнительной финишной обработки деталей, является технология эпиламирования [1]. В ряде исследований [2—4] установлено, что эпила-мирование представляет собой процесс образования на поверхности твердого тела пленки плотноупакованного монослоя перфторированных углеводородных соединений из раствора ПАВ, которая имеет низкую поверхностную энергию, но высокую адгезионную прочность. В качестве рабочей среды для процесса эпиламирования широкое распространение получили растворы перфторполиэфиркислоты общего вида RfCOOH (Rf — фторсодержащий радикал) в хладоне 113 (ГОСТ 23344-79), в частности, эпилам 6СФК-180-05. Покрытие наносится погружением в раствор с последующей сушкой для удаления растворителей.
Тщательно выполненные эксперименты по исследованию отечественных эпиламов (Эфрен-1, Эфрен-2, Амидофен, 6СФК-180-05) позволили [3, 4] установить основные свойства и механизм действия эпиламов при трении. В качестве эпиламируемых материалов использовали образцы армко-железа, меди и никеля в отожженном состоянии. Показано, что толщина образующейся пленки порядка 3—6 нм (но не более 30 нм), она не влияет на дислокационную структуру и твердость металла, а ее поверхностная энергия зависит от вида эпилама и не зависит от эпиламируемого материала. Установлено [5], что эпиламосодержащее покрытие благодаря своей малой толщине и высокой адгезии прочно удерживается на поверхности не только твердых, но и эластичных материалов.
Экспериментально установлено, что основная функция эпиламированного слоя состоит в удержании смазочного материала (СМ) в зоне трения энергетическим барьером на границе "металл-эпилам", в связи с чем искусственно создаваемая ячеистая структура эпиламирующего слоя, так называемое "прерывистое эпиламирование", оказывается эффективнее сплошного покрытия. В обзоре [6] подчеркивается также вторая, не менее важная функция пленки эпилама, как эффективного твердосмазоч-ного покрытия, предотвращающего схватывание и микрозадиры в период приработки трибосопряжения.
Анализ данных, представленных в работе [7], показывает, что статический и кинетический коэффициенты трения эпиламированного трибосопряжения, исследованного в нормальных условиях при V = 1 мм/с, Р = 0,5 ... 5,0 МПа, практически равны
между собой (разница не превышает статистического разброса), при этом оба они примерно на 10 и 30% соответственно меньше, чем для неэпиламированного сопряжения.
В работах [8, 9] представлены результаты исследования не только эксплуатационных свойств эпиламирующих покрытий, но и их зависимость от технологии подготовки эпиламируемых поверхностей и параметров процесса нанесения покрытия. В частности, показана целесообразность проведения эпиламирования в ультразвуковом поле частотой / = 15...22 кГц, после которого износ сопряжения сталь 45—бронза БрОЦС5-5-5 уменьшился практически в 7 раз, а коэффициент трения — в 1,7 раза.
Для эпиламирования трибосопряжений использовали [8] смазочную композицию 6СФК-180-05. Обработку поверхностей испытываемых образцов эпиламом производили при температуре 293 К в течение 15 ч с последующей сушкой покрытий при этой же температуре. Триботехнические испытания проводили по схеме вал—вкладыш. Материал вала — сталь 40Х, вкладыша — бронза БрОЦС5-5-5. Сопряжения испытывали при фитильной подаче смазочного материала (масло МС-20) в зону фрикционного контакта. Показано определяющее влияние поверхностного массопереноса на трибо-технические свойства покрытий из эпилама.
Исследование долговечности пленок эпилама в условиях трения без смазки проводили на парах сталь-бронза [8]. Испытания проводили на машине трения СМТ-1 по схеме вал (ШХ-15) — вкладыш (бронза БрОЦС5-5-5) при давлениях 0,25 и 0,34 МПа и линейной скорости, изменяемой от 0,20 до 0,47 м/с. Обработку стального вала эпиламом и сушку покрытий осуществляли при комнатной температуре. Предельную долговечность эпиламированных пар трения характеризовали временем стабильного износа до заметного отклонения термоизносной характеристики. Установлено, что долговечность узлов трения в значительной степени зависит от нагрузочно-скоростного режима испытаний и изменяется по зависимости, близкой к экспоненциальной, дающей основания полагать, что механизм разрушения пленок эпилама имеет термоакти-вационный характер.
Большое внимание в работе [9] уделено высокотемпературному контакту металлических и полимерных материалов, который характеризуется целым комплексом физико-химических процессов (окисление, диффузия), в большой степени определяющий такие их свойства, как адгезионная способность, износостойкость, прочность и др. Подчеркивается, что в общем случае основными актами, влияющими на состояние пленки, являются тепловая десорбция молекул эпилама или их фрагментов, перенос молекул ПАВ на сопряженную поверхность, и химические изменения в адсорбционном слое, приводящие к уменьшению энергии адсорбции.
По результатам анализа публикаций можно констатировать, если технология эпи-ламирования, свойства пленок эпилама и эффективность их использования в трибо-сопряжениях со смазкой исследованы достаточно полно, то при отсутствии смазки, когда они используются как твердосмазочное покрытие, оценка их служебных свойств, в частности, долговечности и термостойкости особенно после выдержки в экстремальных условиях, исследованы недостаточно.
Задача настоящего исследования состояла в определении зависимости основных эксплуатационных характеристик (коэффициента трения, интенсивности изнашивания) эпиламированного покрытия от режимов его эксплуатации в условиях трения без смазки, в том числе и при высоких температурах.
Методика испытаний. Испытания проводились в 2 этапа. На первом исследовали триботехнические характеристики (коэффициент трения и интенсивность изнашивания) эпиламированного покрытия в нормальных условиях. На втором исследовали функциональную способность покрытия в зависимости от объемной температуры, т.е. его термостойкость. Мерой работоспособности в этих условиях был выбран коэффициент трения как в состоянии покоя (статический), так и в движении (кинетический).
Исследование износостойкости пленки эпилама. Испытания проводили на трибомет-ре иМТ-2 по пальчиковой схеме. Общий вид узла трения представлен на рис. 1. Опи-
Рис. 1
сание триботестера фирмы СЕТЯ ИМТ-2 и работа на нем достаточно подробно изложены в [10].
Образцы были выполнены в виде шайб диаметром 11,3 мм = 1,0 см2) и толщиной 5 мм из стали 14Х17Н2 (Ra 0,8—1,3), на один или оба торца которых наносили исследуемое покрытие — эпилам 6СФК-180-05. В качестве контробразца использовали стальной диск (HRc 62...65), обработанный плоским шлифованием с шероховатостью рабочей поверхности Ra 0,1 мкм.
К испытаниям были предъявлены три серии по 3—5 образцов в каждой серии. В первую серию вошли образцы без покрытия. Во вторую образцы с нанесенной на обоих торцах тонкой пленкой эпилама (6СФК-180-05). Третья серия включала образцы с таким же покрытием, которые предварительно были
торр, выдержка
350°, вакуум 10-3
подвергнуты термовакуумным испытаниям (Т -t = 25 часов).
Испытуемый образец устанавливали до упора в точечную опору в гнезде своего держателя с небольшим кольцевым зазором, что обеспечивало возможность его автономной самоустановки и гарантировало плоскостность контакта в процессе испытаний. После нагружения образца нормальной нагрузкой до необходимого давления P включался привод вращения контробразца. Каждый из экспериментов проводили по новой дорожке трения при сохранении постоянства линейной скорости скольжения V. Испытания проводили в нормальных условиях.
Режимные параметры (Р и V) выбирали таким образом, чтобы, с одной стороны, они не были бы для исследуемых покрытий критичными и не приводили бы к их моментальному задиру, а с другой стороны, чтобы они были вполне реальны для узлов трения. В итоге решено было испытания вести при давлениях Р = 0,5.5 МПа и, учитывая работу без смазки, при невысокой скорости скольжения V = 10 мм/с. В ходе испытаний вели непрерывную запись коэффициента трения /
Образцы испытывали до истирания покрытия, о чем свидетельствовало начало необратимого роста коэффициента трения. Время, соответствующее этому моменту, принимали за время стойкости Т данного покрытия толщиной к. Зная примерную толщину к покрытий, величину которой для оценки брали равной 3 нм [3] и путь трения Ь = Vt, на котором произошел износ покрытия, можно, пользуясь общеизвестной зависимостью I = к/Ь, оценить интенсивность его изнашивания. Это и является мерой его износостойкости.
Исследование термостойкости эпиламированных материалов. Испытания второго этапа проводили на триботестере фирмы СЕТЯ модели ИМТ-3, отличающимся от ИМТ-2 лишь кинематикой движения по схеме пальчик—пластина при однонаправленном движении с заданной скоростью. Прибор оснащен термокамерой, обеспечивающей нагрев до 350°С. Схема расположения узла трения в термокамере представлена на рис. 2 (1 — контробразец, 2 — образец).
Испытания проводились при атмосферном давлении и объемной температуре образцов Т, равной соответственно 25, 150, 200, 250, 300°. Следует иметь в виду, что для обеспечения этой температуры в камере она должна быть немного выше, поскольку большинство камер управляются датчиками, расположенными на нагревательных элементах. Такое расположение датчиков позволяет минимизировать ошибки измерения температуры, но на образцах она оказывается заниженной, так как они крепятся к подвижным частям, не имеющим прямого контакта с нагревательными э
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.