Підвищення зносостійкості деталей

Підвищення зносостійкості деталей

Вступ

зношування деталь гідроабразивний композиційний

В сучасному машинобудуванні на Україні спостерігається інтенсивне підвищення потреби в технологіях відновлення функціональних здібностей деталей машин і механізмів за допомогою нанесення зносостійких покриттів. У зв'язку з цим набувають особливої актуальності сучасні ремонтно-відновлювальні технології, які дозволяють відновлювати робото здатність деталей машин безпосередньо у виробничих умовах експлуатації цих машин.

Одним з напрямків сучасних ремонтних технологій для відновлення розмірів і функціональних властивостей зношених деталей, є використання різних технологічних методів, основи яких базуються на формуванні покриттів з зносостійких композиційних матеріалів. Зазвичай такі матеріали застосовуються при відновленні деталей машин, які вийшли з ладу або втратили свої експлуатаційні властивості внаслідок зношування робочих поверхонь. У таких випадках відновлення зношених деталей шляхом нанесення зносостійких покриттів, найчастіше більш доцільно, ніж їх заміна на нові, так як їх нормативний ресурс ще не вичерпаний повністю. Проте, для вибору типу покриттів зазначеного призначення і способу нанесення необхідно обґрунтувати вимоги до їх зносостійкості і фізико-механічними властивостями з урахуванням особливостей умов експлуатації, а також властивостей матеріалу самого відновлюваної деталі. Одним з найбільш підходящих в розглянутому випадку типів покриттів є покриття, що формуються на основі композиційних металополімерних або детонаційних покриттів.

На підставі викладеного можна зробити висновок, що розглянута тема, яка полягає в обґрунтуванні ефективності відновлення спрацьованих деталей машин за допомогою нанесення металополімерних і детонаційних композиційних покриттів, є актуальною науковою проблемою.

Мета дослідження - підвищення зносостійкості деталей машин, вузлів тертя. Формуванням композиційних покриттів на основі закономірностей впливу зовнішніх факторів на їх триботехнічні характеристики.

Для досягнення поставленої мети повинні бути вирішені наступні завдання:

• встановити причини пошкодження деталей машин вузлів тертя та визначити провідні види зношування.

• провести аналіз технологічних методів відновлення деталей вузлів тертя і обґрунтувати вибір композиційних покриттів для даних умов тертя.

• встановлення закономірностей впливу зовнішніх факторів (тиску, середовища, шляху тертя) на триботехнічні характеристики композиційних покриттів.

• аналітично дослідити напружений стан абразивних частинок, що знаходяться між тертьовими поверхнями і його вплив на процеси тертя та зношування.

• побудувати математичні моделі контактної взаємодії абразивної частинки з урахуванням зношування деталі з покриттям.

• встановити механізм зношування композиційних покриттів в умовах тертя ковзання в присутності вільного абразиву.

Об'єкт дослідження - процес поверхневого зміцнення та відновлення пар тертя деталей машин, нанесенням металополімерних покриттів.

Предмет дослідження - закономірності формування триботехнічних характеристик композиційних покриттів.

Методи дослідження в рамках магістерської роботи були наступними:

оптична мікроскопія, гранулометрия, методи трибологічних і механічних випробувань матеріалів;

математичні методи апроксимації емпіричних залежностей,

технологічні методи металопластики і детонації.

Публікації. Результати дослідження викладені в - доповідях та тез в працях наукової конференцій НТУ [26].

1. Сучасний стан проблеми та завдання дослідження

1.1 Абразивне зношування і його основні закономірності

Під абразивним зношуванням розуміють процес механічного руйнування поверхонь деталей в результаті ріжучого або дряпає дії твердих тіл або частинок, що знаходяться в закріпленому, наполовину закріплених або вільному стані.

Цей процес в чистому вигляді зустрічається рідко, зазвичай він являє собою складову змішаного зношування, коли поєднується кілька процесів. Так, наприклад, в чистому вигляді процес абразивного зношування спостерігається при шліфуванні матеріалів, роботі плуга, ковша екскаватора і ін.

Необхідною умовою прояви абразивного зношування є підвищена твердість зношують частинок, в якості яких можуть служити частки різних мінералів природного або штучного походження.

Абразивні частинки проникають в зону тертя з повітрям, мастилом, горючими матеріалами, різними рідинними середовищами, при обробці абразивами і ін. Абразивне дію можуть надавати також тверді структурні складові сполучених поверхонь тертя. Згідно, внаслідок різноманітності геометричних і міцності абразиву, в поверхневому шарі матеріалу при терті реалізується спектр контактних напружень, параметри якого можуть змінюватися від рівня напружень і частоти їх повторень, на поверхні металу можуть протікати процеси прямого руйнування (вузького і крихкого) або багатоциклічного (в пружною або пластичної області деформування). Зміни в поверхневих шарах матеріалів, що відбуваються в результаті взаємодії з зернами абразиву, виражаються в зміні напруженого стану і ступеня пластичної деформації поверхонь тертя. Перекочується з проковзуванням по поверхні металу зерна абразиву піддають її циклічному навантаженню.

При класифікації видів зношування враховують ступінь закріпленості абразиву, а також характер його впливу на зношувану деталь. Розрізняють зношування жорстко закріпленим абразивом, не жорстко закріпленими абразивними частинками, гідро - або газоабразивне зношування (вільним абразивом), зношування при наявності абразивних частинок в контакті, що труться, ударно-абразивне зношування.

Рисунок 1.1. Види зношування

У роботі [1], що містить відомості про класифікацію видів абразивного зношування використані різні класифікаційні ознаки: ступінь закріпленості і характер впливу абразиву на зношувану деталь, характер силового взаємодії абразиву з зношуються деталлю; форма прояву абразивних процесів та ін. За ознакою ступеня закріпленості і характером впливу абразиву на зношувану деталь автори [1] виділяють наступні види абразивного зношування: при терті про закріплений абразив; при терті про абразивну прошарок; при терті в абразивної маси; ударно-абразивну; в струмені абразивних частинок; газоабразивне; гідроабразивне.

Відповідно до класифікації абразивне зношування підрозділяється на наступні види: ковзання щодо м'якій поверхні по шорсткою твердої поверхні; переміщення твердого тіла по нерухомо закріпленим високо твердих мінеральним зернам; удар вільного абразивного зерна про руйнується поверхню під кутами від 0º до 90º; рух тіла в сипучої абразивної маси; переміщення рідини, що містить зважені абразивні частинки; дію абразивних частинок, стислих в зазорі між взаємно рухомими поверхнями, фрекинг-корозія; імпульсний вплив абразивних частинок при кавітації.

Згідно з дослідженнями [2] і щодо схеми контакту абразиву з зношуються деталлю розрізняють наступні види абразивного зношування: а) в масі абразивних частинок; б) контактно-абразивну; в) гідроабразивне; г) газоабразівное.

Залежно від способу контактної взаємодії абразиву з деталлю автори [1, 2] виділяють такі різновиди зношування в умовах абразиву: а) зношування при терті ковзання по моноліту абразиву, розташованими між поверхнями тертя ковзання; б) під час руху деталей в незакріпленої абразивної маси при коченні по моноліту і незакріплені абразиву; в) при ударі по різним видам абразиву; г) при впливі частинок абразиву, що рухаються в потоці повітря і рідини.

Характер впливу абразивних частинок на поверхневі шари деталей залежить від багатьох факторів, а саме: ступеня рухливості абразивних зерен, міцності і твердості частинок, їх розмірів, міцних властивостей деталей, структури їх поверхневих шарів, агресивності середовища та ін.

Механізм абразивного зношування і його інтенсивність визначаються співвідношенням фізико-механічних властивостей абразивних частинок і поверхневих шарів зношуваного матеріалу. При співвідношенні твердості металу Нм до твердості абразиву На більше 0,6  спостерігається механіко-хімічна форма зношування, а при К <0,6 - механічна форма пошкоджуваності [2].

Згідно з дослідженнями [2] при твердості металевої поверхні, що перевищує 60% твердості абразиву, зносостійкість різко зростає. Таке ставлення твердості називається критичним.

Аналізуючи можна зробити висновок, що в разі перевищення твердості металевої поверхні на 60-80% від твердості абразиву, настає механічна форма зношування, інтенсивність якої у багато разів менше, ніж механічної, що підтверджується висновками авторів [25-26].

При впливі абразиву можливі різні форми деформації поверхні матеріалу: пружне деформування, пластичне відтиснення і різання або викришування поверхні. При багаторазовому пружному деформуванні на поверхні матеріалу дряпання не відбувається. Значить, така деформація не може бути наслідком абразивного зношування.

Процес руйнування, пов'язаний з цим явищем, можна віднести до втомного або будь-якому іншому зношування. Абразивне зношування може бути наслідком тільки пластичного відтискування матеріалу переміщається абразивом або його ріжучої дії. При цьому більш інтенсивно відбувається процес зношування при різанні (сколюванні) і менш інтенсивно - при пластичній деформації.

Однак, часто зустрічаються випадки, коли сплави з меншою твердістю виявляються більш зносостійкими, ніж більш тверді. Тому окремі дослідники заперечували зв'язок між твердістю і опором зношування [1-3].

При цьому вони робили досить категоричні висновки: твердість не визначає зносостійкість. Однак, багато дослідників [4, 5] Не заперечують повністю вплив твердості на металевих деталей в абразивному середовищі. Вони вказують лише на відсутність однозначної залежності між зносостійкість сплавів і їх твердістю. У поєднанні з іншими характеристиками властивостей металів твердість визнається як фактор, який впливає на рівень опірності абразивного зношування. При цьому вказується, що зносостійкість не завжди може оцінюватися тільки за твердістю [2].

Характерно, що твердість сталі, придбана за рахунок вмісту вуглецю, сильніше позначається на зносостійкості, ніж твердість, отримана в результаті загартування, а підвищення твердості за рахунок наклепу не підвищує зносостійкість.

Істотний внесок в визначення залежності між твердістю і зносостійкість при абразивному зношуванні внесли автори [4-5]. Досліджуючи чисті метали і сталі, на установці Х4-Б вони встановили, що для кожної стали є своя лінійна залежність між зносостійкістю і твердістю. З підвищенням твердості зносостійкість чистих металів і сталей збільшується; при одній і тій же твердості стали різного хімічного складу відрізняється по зносостійкості. При цьому ілюструється нерівномірність впливу твердості сплаву, отриманої різними способами, на зносостійкість при абразивному зношуванні.

Велика кількість різних сталей, чавунів і наплавлень спеціального складу досліджував автор [5]. Він встановив, що механізм абразивного зношування включає в себе дві стадії, які безпосередньо пов'язані з твердістю, а саме: 1) впровадження абразивної частки в поверхню; 2) зрізання або пластичне деформування з утворенням канавки і валиків при її русі щодо деталі. Опірність металу абразивного впливу на цих двох стадіях зношування контролюється не тільки твердістю, але і іншими фізико-механічними властивостями.

Істотний вплив на зносостійкість в умовах абразивного зношування матеріалів крім твердості з фізико-механічних властивостей надають міцність і пластичність. При підвищенні міцності стали її зносостійкість збільшується, а при збільшенні пластичності - вона знижується.

На процеси абразивного зношування впливають не тільки фізико-механічні властивості взаємодіючих поверхонь, але їх структурні зміни, однак, не всякі структурні зміни відбиваються на абразивної зносостійкості металів.

Істотний вплив на опір залізовуглецевих сплавів абразивного зношування надає вміст вуглецю. З підвищенням вмісту вуглецю зносостійкість сталі зростає.

Інтенсивність розвитку процесів абразивного зношування залежить і від зовнішніх факторів і, зокрема, від навантаження. У більшості випадків зі збільшенням навантаження знос збільшується, при цьому відбувається дроблення абразивних зерен, що сприяє руйнуванню прямо пропорційній залежності між навантаженням і зносом.

При випробуванні стали в умовах закріпленого абразиву на кривій залежності зносу від питомого навантаження спостерігається три ділянки. Перша і третя ділянки відображають лінійну залежність, друга - характеризує сталість зносу в певному діапазоні питомих навантажень.

Вплив швидкості руху абразивних частинок на зносостійкість матеріалів неоднозначно. Так, згідно з дослідженнями [1], збільшення швидкості ковзання в межах 1,2-10,5 м /с інтенсивність зношування змінюється непомітно.

При цьому в інтервалі швидкостей ковзання 1,2 - 4,0 м / с відбувається абразивне зношування, а 4,5 - 10,5 м / с теплове. За інших постійних умовах величина зносу не залежить від швидкості ковзання. Інтенсивність зношування робочих елементів різального інструменту спочатку незначно залежить від швидкості ковзання, при досягненні деякої певної для даного експерименту швидкості інтенсивність зношування різко зростає.

Вплив розмірів абразивних частинок, що знаходяться в мастильному середовищі, на інтенсивність зношування, впливає неоднозначно. Мінімальний знос спостерігається при розмірі абразиву 1 - 5 мкм, максимальний 10-50 мкм. Знос сполучених поверхонь при наявності абразиву менше 1 мкм і від 5 до 10 мкм займає проміжне значення.

Знос зростає пропорційно збільшенню лінійного розміру абразивних частинок до деякого значення порядку 100-300 мкм, вище якого знос не підвищується.

Під впливом абразивних частинок відбувається безперервний, а в ряді випадків значний знос поверхні. Однак руйнується лише частина навантаженого обсягу, в той час як інша частина - пластично деформується. Співвідношення пластично деформованого і зруйнованого об'єктів залежить від глибини впровадження частинок, радіусу їх заокруглення, пластичності сплавів і ряду інших чинників. Оскільки абразивний знос - результат реалізації двох процесів - руйнування і деформування, то принцип зносостійкості повинен виходити з взаємозв'язку між ними.

Початковою стадією руйнування металів при зношуванні є утворення мікротріщин [3], які в процесі пластичної деформації, розвиваючись в макротріщини, призводять до відокремлення обсягу, що і становить елементарний акт зношування. Процес утворення тріщин, що відбувається при виникненні ковзання, тобто діяльність дислокацій, може здійснюватися за допомогою одного з механізмів, пропонованих дислокаційною теорією руйнування [4]. Створення умов, що ускладнюють зростання і особливо виникнення тріщин в металі при його взаємодії з абразивної середовищем, є однією з основних задач, які повинні вирішуватися при створенні зносостійких сплавів для деталей, що експлуатуються в умовах абразивного зношування.

Абразивний знос - це процес інтенсивного руйнування поверхні деталей машин, що виражається в місцевій пластичній деформації, мікроцарапини і мікрорізання абразивними частинками, при якому відбувається незворотні зміни мікрорельєфу, структури і міцності поверхневих шарів.

У загальному випадку контактне напруження залежить від умов зношування і властивостей металу. Причому в реальних умовах одночасно можуть мати місце різні механізми, і інтенсивність зношування визначається переважаючими процесами.

Таким чином, механізм абразивного зношування досить складний і складається з ряду взаємопов'язаних процесів, що включають вдавлення абразивного тіла в зношену поверхню, і подальше їх переміщення. При цьому освіту частинок зносу може здійснюватися в результаті одноразової дії абразивного тіла або багаторазового полидеформационного руйнування, малоциклова (пластичне деформування), багатоциклових (пружне деформування) або механічно-хімічним механізмом. Інтенсивність і повнота протікання кожної із складових частин цих процесів визначається як властивостями металу, так і умовами зношування [4].

1.2 Особливості гідроабразивного зношування конструкційних матеріалів

Одними з небезпечних процесів, що протікають на робочих поверхнях вузлів тертя, є гідроабразивне і газоабразівное зношування, при якому відбувається циклічне втомна деформація матеріалу, під впливом потоку рідини, газу та твердих частинок. При цьому розміри продуктів зносу і частота їх утворення визначаються умовами зовнішнього навантаження. Відділенню зношених частинок передує виникнення і розвиток досить великих під поверхневих тріщин як наслідок максимальне зміцнення поверхневого шару і накопичення найбільшої пластичної деформації.

Фундаментальні дослідження зношування конструкційних матеріалів в гідроабразивних і газоабразівних середовищах виконані багатьма вітчизняними, а саме Б.И. Костецким [21], И.В. Крагельским [22], М.Ф. Дмитриченком [23], та інші.

До основних факторів, що впливає на гідро- і газоабразівное зношування, відносяться наступні: швидкість удару частинок; кут нахилу вектора швидкості частинок до поверхні деталі (кут атаки); концентрація частинок в потоці; абразивні властивості твердих частинок (твердість), розміри і форма частинок, співвідношення мікротвердості частки і матеріалу деталей; режиму експлуатації трибосполучень, тривалість зношування; властивості і структура зношуються матеріалів; вплив фізичних і фізико-хімічних процесів: ерозії, кавітації, корозії; середовище та його активність.

Інтенсивність зношування деталей в гідроабразивному потоці залежить від характеру і швидкості зіткнення абразивних частинок об металеву поверхню, їх твердості і розмірів. Так, при куті атаки 90° поверхню металу зношується внаслідок проникнення в нього на деяку глибину вільних абразивних частинок.

Проведені дослідження впливу швидкості абразивного потоку, а також крупності частинок, на характер протікання процесу зношування при збереженні незмінними умов і параметрів контактування, дозволили зробити наступний висновок: процес гідроабразивного зношування матеріалів характеризується наявністю певних рівнів енергетичного бар'єру, перевищення яких абразивними частинками, що містяться в гідросуміші, викликає якісні зміни текучого процесу.

Встановлено, що найменший знос матеріалів має місце при середньому розмірі твердих частинок 0,1 мм і менше; зі збільшенням об'ємного вмісту твердих частинок в рідині знос композиції збільшується.

В умовах циклічного високошвидкісного навантаження металів при ударах абразивних частинок, критична швидкість удару не є для кожного металу постійною в процесі зношування величиною і зменшується в міру поглинання енергії деформуються шарами металу. Це означає, що для багатьох металів і сплавів навіть при середньому рівні зовнішнього силового впливу при гідроабразивного зношування існують умови для крихкого руйнування поверхневих шарів.

Твердість матеріалу не є однозначною характеристикою, визначальною його зносостійкість в умовах гідроабразивного зношування.

Проведені дослідження [21] показали, що широким умовою гідроабразивного зношування з точки зору забезпечення оптимальної зносостійкості деталі найбільш повно задовольняє сталь, зношуються шари якої зміцнюється до високих значень мікротвердості, тобто мають підвищену енергоємністю, в той же час самі зовнішні мікрооб'єми металів ефективно перешкоджають впровадженню в них абразивних частинок (розпушення і видалення цих шарів в межах 1,0 - 1,5 мкм відбувається менш інтенсивно).

Високий ступінь рівномірності пластичної деформації в мікрооб'ємах і, як наслідок цього, висока енергоємність зношуються шарів матеріалу відповідають зниженню коефіцієнта диспергування внаслідок зростання частки роботи пластичної деформації в загальній роботі. Ступінь зміцнення матеріалу при цьому, що характеризується різницею вторинної та вихідної мікротвердості і пропорційна роботі деформації, є вельми важливою характеристикою поведінки матеріалу при зношуванні [21].

Зносостійкість конструкційний матеріал визначається здатністю окремих структурних складових поверхні протистояти руйнівним деформацій. Тому, для забезпечення високої зносостійкості в умовах гідроабразивного зношування слід вибирати матеріали з полікристалічним будовою, що характеризуються досить тонкою мікроструктурою з елементами порядку 1 мкм.

Дослідженню механізму гідроабразивного зношування присвячено багато робіт [3,4,6].

Механізми поверхневого руйнування деталей машин можуть бути різними в залежності від конкретних умов експлуатації і швидкості потоку рідини. У разі невеликих швидкостей потоку рідин провідним є механіко-хімічний механізм руйнування. При цьому інтенсивність зношування контактних поверхонь невелика і стабільна в часі.

Відокремлення зношених частинок передує виникнення і розвиток досить великих підповерхневих тріщин як наслідок максимального зміцнення поверхневих шарів і накопичення найбільшої пластичної деформації.

При високому тиску в зоні мікрорізані абразивним зерном відбувається зміцнення металу внаслідок його пластичної деформації, яка спостерігається навіть у тендітних металів (чавун, загартована сталь). Деформаційне зміцнення тим більше, ніж пластичний метал. Зі збільшенням зміцнення відповідно зростає і опір деформації металу, а це призводить до інтенсивного зносу абразивного матеріалу.

Інтенсивного руйнування металів від гідроабразивного зношування передує період, протягом якого мікротвердість їх збільшується до граничного значення. За цей період виникають дислокації і інші мікродефекти поверхневого шару, накопичуючись, переростають в мікропори, які під дією наступних ударів зливаються і утворюють мережу мікротріщин різних розмірів. Створюються умови для крихкого руйнування. Тривалість початкового періоду залежить, з одного боку, від умов випробувань, а з іншого боку, визначається міцності випробовуваних металів.

При відносно низьких значеннях енергії удару руйнування локалізується в найтонших поверхневих шарах вторинних структур і протікає по механіко-хімічному механізму. У деяких випадках гідроабразивне зношування супроводжують процеси електрохімічної корозії.

Відповідно до спостереження механізмів руйнування різних конструкційних матеріалів при зміні питомої енергії контактування існує кілька критичних енергетичних рівнів W_k, значення яких в залежності від умов навантаження можуть змінюватися на 2 і більше порядку. Однак, через деякі параметри і умов взаємодії частинок з поверхнею аналітичне визначення значень W_k, а також інших параметрів, що характеризують абразивні і зносостійкі властивості контактних матеріалів, що виключає можливість створення універсальної розрахункової методики процесу зношування шляхом тільки теоретичного аналізу.

В роботі [5] проводили дослідження зносостійкості в умовах гідро - та ударно-абразивного зношування широкого кола сталей різних класів і сплавів кольорових металів. Встановлено, що зносостійкість матеріалів різних класів залежить від параметра, що характеризує жорсткість напруженого стану тонких зношуються шарів. Універсальним критерієм зносостійкості широкого кола металевих матеріалів є критична щільність потужності деформації, що визначається з урахуванням жорсткості напруженого стану зношуються поверхні.

До матеріалів, які працюють в середовищі швидкоплинної рідини, пред'являються вимоги високої конструкційної міцності, а також корозійної і ерозійної стійкості. В якості основного принципу вибору матеріалів, стійких в умовах гідроабразивного зношування, слід вважати структурний принцип. При цьому необхідно враховувати, як відзначають автори [5], що не може бути однієї марки сталі або сплаву, придатної для всього різноманіття умов експлуатації деталей (різні швидкості потоку рідини, хімічна активність і абразивність середовища, конструктивні особливості деталей та ін.). Тому в кожному окремому випадку вибір матеріалу повинен базуватися на глибокому вивченні умов, в яких відбувається його руйнування.

Задача вибору металів для роботи в умовах гідроабразивного зношування в загальному випадку повинна бути спрямована на відшукання металів, що володіють оптимальним співвідношенням між характеристиками міцності і пластичних властивостей. Цим вимогам задовольняють стали аустенітного і аустенітного-феритного класу, особливо з нестабільним аустенітом, і ряд марок сталей інших класів, наприклад, стали перлітного класу з початковою твердістю в межах 350-420 НV.

Перспективним напрямком підвищення роботоздатності деталей, що експлуатуються в умовах гідроабразивного зношування, є використання мінералополімерних композицій.

При загальній тенденції заміни в деяких видах устаткування гірської промисловості легованих зносостійких чавунів на неметалеві матеріали на особливу увагу заслуговує створення мінералополімерних композицій. Ці композиції складаються з мінерального наповнювача (електрокорунду, карбіду кремнію і ін.) І полімерної зв'язки. Однак, відомостей про таких композиційних матеріалів в широкому діапазоні впливу зовнішніх механічних факторів не існує.

До числа основних напрямків підвищення зносостійкості деталей, що піддаються гідроабразивного зношування, слід віднести застосування зносостійких матеріалів, технологічні методи, нанесення покриттів, наплавлень, і ін.

Таким чином, до теперішнього часу проведено значну кількість досліджень, присвячених вивченню процесів гідроабразивного зношування і розробці методів підвищення зносостійкості деталей машин, що працюють в гідроабразивних середовищах. Існуючі методи підвищення зносостійкості цих деталей не задовольняють пред'явленим до них вимогам. У зв'язку з цим розробка методів підвищення зносостійкості є актуальним завданням.

1.3 Аналіз сучасних методів відновлення зношених деталей машин

У сучасному машинобудуванні застосовуються багато методи відновлення геометричних розмірів і форм деталей машин, порушених в результаті зношування або інших пошкоджень, нанесенням металевих і композиційних покриттів. В результаті цього відновлюються функціональні спроможності деталей машин, в тому числі, їх зносостійкість та інші трибологічні характеристики пар тертя пошкоджених деталей машин і механізмів. До цих методів слід віднести: зварювання, наплавлення, паяння, заливку рідким металом, поверхневе пластичне деформування, хіміко-термічну, електромеханічну, електромагнітне і лазерну обробку, електроконтактні Припікання порошків, газотермічне напилення, нанесення дифузійних, вакуум-плазмових, полімерних, гальванічних, електрохімічних та інших покриттів.

Технологічними методами відновлення геометричних розмірів деталей займалися багато вчених [6-7]. Проте, до теперішнього часу універсального методу відновлення деталей не існує. Це обумовлено великою різноманітністю відновлюваних матеріалів їх хімічним складом і структурою, а також зовнішніми факторами, які впливають на деталі в процесі їх експлуатації. У зв'язку з цим для кожної групи деталей і умов їх роботи розроблялися практичні рекомендації для їх відновлення.

Рисунок 1.2. Методи відновлення геометричних розмірів і форм деталей

Одним із застосовуваних і широко поширених методів відновлення деталей є гальванічні і електрохімічні покриття. Особливістю цієї технології є можливість отримання композиційних електрохімічних покриттів, що володіють антифрикційними властивостями. Введення до складу покриттів хрому, нікелю і інших пластичних матеріалів істотно впливає на підвищення їх триботехнічних властивостей і характеристик. Додавання карбідів, оксидів, бор дозволяє підвищити зносостійкість деталей пар тертя.

З гальванічних або електрохімічних покриттів найбільш широке застосування для відновлення деталей знайшли хромування. Так, наприклад, хромуванням в практиці машиноремонтних підприємств відновлюють різні деталі двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ): втулки і циліндри, поршневі пальці, шийки колінчастих і розподільних валів, штовхачі і інші.

Для збільшення терміну служби деталей машин використовують наплавлення, що знайшла широке застосування для поверхонь зміцнення і відновлення різноманітних виробів - від великогабаритних, таких як шийки колінчастих і розподільних валів, до дрібних деталей типу вихлопних гнізд і клапанів.

До основних видів наплавлення відносяться: дугова під флюсом, дугова в вуглекислому газі, дугова з газополуменевим захистом, вібродугова, дугова порошковим дротом або стрічкою, дугова в середовищі аргону, контактна, електрошлакове, лазерна.

Для відновлення деталей з великими величинами зносу застосовують різні способи наплавлення. Це, як правило, деталі землерийних, будівельних і сільськогосподарських машин - зуби екскаваторів, ножі бульдозерів, наконечники культиваторів гусениці ходової частини тракторів і ін.

Однією з різновидів способів отримання наплавочних покриттів є електромагнітне наплавлення (ЕМН). Сутність даного способу полягає в наступному. На поверхню відновлюваної деталі подається феромагнітний порошок, який перебуває в постійному магнітному полі, з одночасним пропусканням постійного електричного струму великих значень через зону контакту. Під впливом електричного струму і виділеного при цьому тепла порошок розплавляється і, охолоджуючись на деталі, утворює покриття. Такі покриття відрізняються високою зносостійкість і встановленої міцністю. Вищі триботехнічних характеристики можна отримати при об'єднання методів ЕМН і ППД. Це сприяє підвищенню поверхневої міцності, твердості, втомної міцності, зносостійкості і зниження пористості і шорсткості.

Технологія ЕМН спільно з ППД відрізняється високою економічністю енергії і матеріалів універсальністю та простотою технологічного обладнання. Пристосування для ЕМН і ППД можна використовувати на будь-якому токарному верстаті.

Численні методи відновлення деталей супроводжуються високим нагріванням, що зумовлює зміну структури основного металу, погіршення його фізико-механічних властивостей. Газотермічні методи нанесення покриттів таких недоліків не мають.

Методи ГТН мають цілий ряд переваг, основними з яких є:

·        універсальний склад покриттів (від пластмас до тугоплавких карбідів);

·        універсальний склад зміцнюючих матеріалів (від металів і їх сплавів до пластмас);

·        незначне термічне вплив на напилюваний матеріал (нагрів до 80-150° С);

·        висока продуктивність процесу (до сотні кілограмів за 1 годину при електродугової металізації).

Кожен метод ВМД має свої переваги і недоліки. Так, наприклад, метод електродугової металізації найбільш економічний з газотермічних методів. Ступінь корисного використання енергії при застосуванні даного методу досягає 60-70%. Питомі втрати електроенергії в разі використання стаціонарних дугових металізатора (значення електричного струму - до 1200А) становить 0,3-1,3 кВт / кг. Товщина покриття може досягати 20 мм. Ця технологія забезпечує не тільки високу продуктивність при простоті обладнання і використання типової зварювального дроту, а й високі якості, а також коефіцієнт використання напилюваного матеріалу.

Для усунення таких недоліків ЕДН як великі залишкові напруги розтягнення в покритті, окислення його складових, останнім часом поширюється активована дугова металізація, сутність якої полягає у впливі додаткового джерела теплової енергії на напилювальний потік. Останнє здійснюються за рахунок добавок, які підвищують потенціал іонізації і температуру дуги.

При плазмовому напиленні покриття частки нагріваються і прискорюються в потоці низькотемпературної (5000…16000°С) плазми. Енергетика процесу напилення залежить від застосовуваного газу. Дослідженню плазмових покриттів присвячені фундаментальні роботи багатьох дослідників [2, 5, 6]. До переваг плазмових покриттів відносять їх низьку пористість (до 2…. 2,5%), велику товщину шару, що наноситься (до 1,5 мм), низьку температуру нагрівання деталі через локальності впливу плазмового потоку, можливість отримання високих значень антифрикційних і зносостійких характеристик.

Детонаційне нанесення покриттів здійснюється розпиленням порошкоподібних матеріалів продуктами згорання, що виникають в результаті спрямованої детонації газової суміші. Через можливість досягнення при детонації газових сумішей високих температур і швидкостей польоту напилювання порошків, цей метод забезпечує формування твердих і щільних покриттів з високими експлуатаційними властивостями. Застосування цього методу для відновлення деталей економічно доцільно для широкого діапазону деталей. Дослідженням детонаційних покриттів присвячені роботи [6-8]. Головною перевагою детонаційних покриттів є можливість нанесення покриттів в будь-яких поєднаннях матеріалів покриття і підкладки. Вони забезпечують високу щільність покриття, високу адгезійну міцність зчеплення його з підкладкою (до 80 МПа). Поверхня деталі при нанесенні покриття нагрівається незначно, тому температурні напруги і деформації відсутні. Детонаційні установки мають велику продуктивність.

До недоліків детонаційного методу відносяться неможливість нанесення покриттів на внутрішні циліндричні поверхні малих діаметрів і необхідність створення спеціально обладнаних боксів для напилення. Установки для детонаційного напилення відносно дешеві, вони дозволяють, застосовувати як природний і балонний газ (ацетилен, пропан - бутан), так і електроенергію, тому область їх застосування практично не обмежена.

Характеристики детонаційних покриттів значно перевершує відповідні показники плазмових і газополуменевих покриттів.

Основною областю застосування детонаційних покриттів є зменшення зносу тертьових сполучень деталей різного призначення.

Великими темпами розвиваються методи іонно-плазмової технології нанесення покриттів, а саме - методи PVD і СVD. Суть методу PVD полягає в осадженні іонізованих атомів молекул наносяться на зміцнюючих деталь, яка знаходиться під негативним потенціалом, що досягає до 103 В.

В даний час існує велика кількість різноманітних модифікацій іонно-плазмового напилення. Найбільшого поширення в машинобудуванні придбав, метод конденсації з іонним бомбування і осадженням в плазмі електродугового розряду.

Зносостійкі іонно-плазмові покриття в основному формуються на основі карбідів, нітридів, оксидів і деяких інших сполук перехідних металів. Покриття цього типу в більшості випадків використовується. Стійкість інструментів (свердел, фрез, різців та ін.) Після іонно-плазмового напилення N і Zr зростає в 1,5-3 рази.

Метод CVD заснований на конденсації газоподібних сполук на поверхні зміцнюючих деталей з наступним утворенням твердих опадів і дозволяє отримати високоміцні шари з карбідів, нітридів, боридів, силіцидів, а також оксидів.

Іонно-полум'яні покриття добре себе зарекомендували при зміцненні деталей, що працюють в умовах тертя ковзання без змащувального матеріалу, схоплювання і фреттинг-корозії.

Традиційним і широко поширеним методом поверхневого зміцнення, а в деяких випадках і відновлення розмірів шляхом механічного впливу на поверхневі шари деталей без зміни хімічного складу є поверхневе пластичне деформування (ППД).

Цей метод зміцнення металів і сплавів заснований на їх здатності пластично деформуватися без руйнування поверхневого шару. В результаті впливу зовнішніх факторів кристалічні решітки деформуються що призводить до порушення атомної структури, збільшення щільності дислокацій, подрібнення структури і виникнення залишкових напружень стиску. Все це сприяє підвищенню твердості поверхні міцності, зносостійкості.

Слід зазначити що, методами ППД відновлюються деталі, до яких не пред'являються вимоги високої чистоти.

Для більш ефективного одержання необхідних фізико-хіміко-механічних властивостей за рахунок зміни складу і структури поверхневого шару металевих виробів застосовують різні методи хіміко-термічної обробки (ХТО). Найбільш популярними методами поверхневого зміцнення металів і сплавів є наступні: цементація, нітроцементація, азотування, алітування, борировання, хромування.

Оптимальна товщина зміцненого шару залежить від виду і режиму дифузійного насичення. Так, наприклад, дифузійного хромування становить 20-25 мкм, титанування - 15-20 мкм, борировання - 120-150 мкм. При борированні розмір циліндричної деталі по діаметру зростає на 35-50 мкм, що дає можливість застосовувати даний метод для відновлення зношених деталей.

У процесі ремонту сучасної техніки для відновлення зношених деталей, застосування знаходить електромеханічна обробка (ЕМО), заснована на термічному і силовому впливі на зміцнюючу деталь. Вона дозволяє істотно змінити фізико-механічні властивості поверхневих шарів деталей і дозволяє різко підвищити їх зносостійкість, межа витривалості і інші експлуатаційні характеристики деталей.

Для відновлення геометричних розмірів деталей, підвищення опору зносу, збільшення твердості і захисту деталей від корозії застосування знаходить електроіскрове легування (ЕІЛ).

Особливістю методу ЕІЛ є можливість створення багатофункціональних покриттів, що володіють широким комплексом фізико-механічних властивостей.

Найбільш якісні покриття, суцільність яких досягає 80%, товщиною від 30 до 200 мкм і шорсткістю поверхні не менше 20-40 Кг отримують при ЕІЛ залізо-вуглецевих сплавів металами 4-6 групи таблиці Д.І. Менделєєва. Кількість шарів при нанесенні електроіскрових покриттів залежить від режимів обробки і міжелектродні середовища. Характерним є те, що, при формуванні шарів збільшення часу обробки призводить не до збільшення товщини покриттів, а навпаки, починаючи з певного часу - до її зменшення.

Неможливість отримання 100% суцільне покриття, висока шорсткість поверхневого шару, наявність істотних залишкових напружень, а також низька продуктивність технологічного процесу обмежують використання ЕІЛ для підвищення механічних властивостей.

Об'єктом пильної уваги вчених і працівників промисловості стало застосування лазерного променя для поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів шляхом зміни структури поверхневого шару або нанесення покриттів завдяки унікальним можливостям цієї технології.

Лазерну обробку застосовують для поверхневого зміцнення деталей працюють в умовах контактної взаємодії, а також при відновленні зношених деталей. Так, наприклад, в автотракторобудування лазерне зміцнення застосовується для повішення зносостійкості розподільних валів, колінчастих валів, зубчастих коліс, робочих поверхонь клапанів, клапанних сідла поршневих канавок, комресійних кілець і інших деталей.

До недоліків лазерної обробки слід віднести:

·        недостатність вивченістю механізму структуроутворення і неможливістю через це ефективно управляти процесами формування зносостійких структур;

·        зменшення глибини зміцнення при малих швидкостях променя за рахунок екрануючого дії плазми;

·        нерівномірність якості зміцненого шару при обробці великогабаритних деталей;

·        утворення тріщин під час обробки;

·        великий вартістю обладнання;

·        необхідністю високої технічної культури обслуговуючого персоналу.

Істотних результатів в отриманні необхідних триботехнічних характеристик при відновленні деталей можна досягти в результаті поєднання двох і більше технологічних процесів.

Технології поверхневого зміцнення і відновлення деталей вузлів тертя продовжать розвиватися і вдосконалюватися. Паралельно з їх розвитком створюються принципово нові технологічні процеси, до яких слід віднести методом високотемпературного синтезу (СВС - метод) і метод отримання покриттів з використанням концентрованої сонячної енергії.

Метод СВС заснований на поєднанні хімічних реакцій і з процесами теплового самовідновлення спеціальних порошкових сумішей. При їх хімічній взаємодії утворюються нові речовини відповідних хімічних сполук у вигляді карбідів, боридів, силіцидів, нітридів, інтерметалідів та ін., Які зраджують утворився покриттям необхідні фізико-механічні властивості.

Застосування сонячної енергії для отримання покриттів є однією з найбільш екологічно чистих та енергозберігаючих технологій поверхневого зміцнення і відновлення деталей машин.

Крім металевих покриттів на поверхні тертя деталей машин наносять полімерні покриття.

До основних способів нанесення полімерних покриттів слід віднести газопулуменевий, вихровий, вібровіхровий, струменеве напилення, пломбування та інші. Матеріалами для нанесення покриттів служать: поліетилен, поліпропілен, поліуретан, капрон і інші. Перспективними є металополімерне композиційне покриття.

1.4 Композиційні матеріали, що використовуються для нанесення відновних покриттів на зношені деталі машин

Для поліпшення фізико-механічних і трибологічних властивостей полімерних покриттів в їх склад вводять спеціальні наповнювачі залежно від умов роботи вузла тертя. Подальше підвищення антифрикційних і протизносних властивостей полімерних покриттів може бути досягнуто за рахунок використання в якості наповнювачів речовин, що стимулюють їх роботу, наприклад, в режимі виборчого перенесення. Так, додавання порошку міді в покриття дозволяє знизити коефіцієнт тертя пари сталь-поліамід в 1,2 - 3 рази, а величину зносу полімерного композиційного покриття в 10 - 15 разів. При цьому міцність покриття підвищується в 1,5 - 2 рази.

Металополімерні композиційні матеріали розрізняють по металевій основі - залізо-пластики, стале-пластики, бронзо пластики. Металополімери дозволяють просто і ефективно нарощувати, підганяти і ущільнювати зношені деталі. Завдяки надзвичайно високому вмісту металу в суміші (92… 96%) відремонтовані ділянки деталей тверді, безусадкова і мають хорошу когезію (адгезію) з поверхнею основного металу. Відновлені ділянки деталей добре обробляються і мають високу зносостійкість і антифрикційні властивості, практично подібні основного металу. Металополімери застосовують не тільки для відновлення зношених деталей, але і для додання їм необхідних експлуатаційних властивостей. Покриті ними поверхні мають високу корозійну стійкість, стійкість до впливу агресивних середовищ - кислот, лугів, спиртів і т. п. Застосування металополімерів дозволяє використовувати високу несучу здатність дешевих чорних металів, отримуючи антифрикційні і зносостійкі характеристики, що труться, як у кольорових металів. Застосування технології при відновленні деталей відрізняється простотою і дешевизною. Така технологія відновлення деталей не вимагає складних пристосувань, часто дозволяючи обійтися без розбирання вузлів, не вимагає спеціального устаткування і приміщень. Так як технологія відновлення металополімер мало залежить від типів деталей, то класифікацію покриттів на їх основі ведуть за їх типами, не зв'язуючи з самими деталями.

За експлуатаційними властивостями розрізняють тверді зносостійкі, антифрикційні покриття, для роботи при підвищених температурах, жаростійкі, тугоплавкі. Покриття використовуються також для відновлення форми і геометричних розмірів. Наносяться також покриття із спеціальними властивостями - підвищеною електропровідністю, діелектричні, напівпровідникові і т. п.

До твердих зносостійкиї металополімерів відносяться покриття з наповнювачем на основі порошків чавуну, легованих і звичайних сталей, бронзи. Вони застосовуються для ремонту зношених поверхонь деталей пар тертя, що працюють в умовах тертя без змащення або абразивного зношування. Такі покриття мають високу термостійкість (-40°C… + 200°C) і зносостійкість, високими антифрикційними характеристиками. До таких покриттів відносяться металополімер «Стандарт» (на основі заліза), рідко текучі металополімери на основі бронзи.

До твердих зносостійким детонаційними покриттів відносяться покриття на основі карбідів вольфраму, хрому, титану, кобальту та ін. З нікелевими зв'язками - WC + 18% Co, TiC + 15% Co, +15% Ni,  +15% NiCr, WC +15% Co. Ці покриття відповідають за властивостями металокерамічним твердим сплавам. Висока зносостійкість твердосплавних покриттів обумовлена тим, що тверда складова (карбід) вкраплена в м'яку основу кобальту або нікелю. У покритті навантаження сприймається твердими складовими, зменшуючи тим самим величину деформації. Завдяки високим експлуатаційним властивостям широко застосовують покриття на основі карбіду вольфраму WC. Зносостійкість даних покриттів зменшується при їх застосуванні в окислювальному середовищі при високих температурах - 540… 560° C.

Для роботи при підвищених температурах в умовах інтенсивного абразивного зношування застосовують покриття на основі карбіду хрому, оксидів, а також металополімерів на основі металокераміки («Рапід», TR -16). Покриття типу 15% Ni і + 15% NiCr можуть застосовуватися в якості зносостійких при температурах до 1200°C через високу термостійкість. При нанесенні в якості покриття тільки з карбіду хрому, поверхня виходить крихкою, що обмежує його застосування [9].

У порівнянні з перерахованими вище покриттями оксидні покриття мають значну міцність при високих температурах. Найбільш жаростійкими є покриття на основі оксидів алюмінію, хрому і титану - і їх композицій. Однак деталі з оксидними покриттями не можуть працювати в кислих середовищах через утворення агресивних середовищ між матеріалом підкладки та покриття.

При роботі деталей в умовах тертя за відсутності мастила використовують тверді мастила покриття на основі молібдену та його дисульфіду, а також металополімери на основі латуні, бронзи і міді. Ці покриття не можуть наноситися детонаційними способом через сублімації молібдену при температурі вище 500° C. Приблизно такими ж антифрикційними властивостями володіють детонаційні покриття на основі нікелю і хрому. Їх можна застосовувати для відновлення деталей зношених не більше, ніж на 1,5… 2 мм.

Для відновлення зношених поверхонь деталей, а також для ліквідації інших поверхневих ушкоджень, виправлення дефектів форми, додання поверхням необхідних механічних характеристик застосовують покриття на основі порошкових сумішей КХН, НАС, а також метало-полімери на металевих основах, аналогічних матеріалів підкладки. Відновлювальний ремонт деталей цими покриттями застосовують для глибини пошкоджень до 2 мм. При великих глибинах в сильно навантажених деталях може мати місце порушення міцності зчеплення покриття з матеріалом підкладки. Найкращими триботехнічними характеристиками володіють детонаційні покриття з порошкових сумішей на основі Co, Ni і Cr, такі як ВК, ВН, КХН, НАС. Вони добре працюють в умовах абразивного зношування, тертя без змащення і рідинного тертя.

Матеріали КХН і НАС мають найкращу пластичністю при високій твердості покриттів, відрізняються високою адгезійною міцністю з різними матеріалами підкладки, здатністю до деформування без порушення цілісності. Поряд з цим, вони мають високі триботехнічними характеристиками. Для нанесення покриттів при відновленні деталей цими матеріалами використовують випускаються промисловістю суміші порошків з переважанням нікелю ПНЕ-1, кобальту - ПК-1, алюмінію - ПА-1, кремнію - ПТЕ-1, хрому - ПХ-1. Гранулометричний склад частинок порошків дослідження покриттів: 40… 60 мкм - 73%; 10… 40 мкм - 21%; менше 10 мкм - 6%. Дані порошки випускаються заводом металевих порошків в м Бровари. Крім зазначених порошкових сумішей на вимогу замовника випускають і порошки інших типів на основі матеріалів КХН і НАС, володіють необхідними фізико-механічними характеристиками, температурою плавлення, пружними властивостями і т. п.

Для відновлення деталей машин, трубних виробів і т. п. застосовують металополімери на основі чавуну, сталі, леговані суміші, що володіють відносно високою твердістю (до 180 МПа), термостійкість в діапазоні від -50°C до + 250°C, міцністю при стисканні до 180 МПа, при розтягуванні до 90МПа, при вигині - до 110 МПа. Основною перевагою металополімери при відновлювальних роботах є порівняно короткочасний процес їх полімеризації (30… 40 хвилин) на невеликих площах пошкоджених поверхонь, що дозволяє застосовувати їх навіть в умовах експлуатації.

До металополімерів відносяться багатокомпонентні покриття на основі одного або декількох металів, а також матеріал, що пов'язує. Вони призначені для швидкого і ефективного ремонту виробів у всіх областях промисловості, для склеювання і нероз'ємного з'єднання деталей методом «холодного зварювання». До переваг можна віднести можливість їх застосування там, де не можна або неможливо застосовувати електрозварювання, а також для ремонту деталей систем знаходяться під тиском. Покриття з відрізняє висока механічна міцність, а також відсутність усадки і утворення тріщин в процесі твердіння в порівнянні з металополімерами.

Для відновлення зношених машинобудівних деталей, а також бракованих отворів, різь, ліквідації тріщин і т. п. пошкоджень застосовують металополімер на основі чавуну, сталі, алюмінію, бронзи і їх сплавів. Їх твердість після затвердіння досягає 120… 150 МПа, міцність при стисненні до 185 МПа, вигині до 90 МПа, при розтягуванні до 80 МПа. Час полімеризації сполучного в металополімері в середньому досягає 6 годин при великий проникаючої здатності [10].

Розглянуті способи відновлення деталей нанесенням покриттів при використанні гарячих робочих середовищ мають загальний недолік - необхідність розбирання механізмів та нанесення покриттів на спеціальному обладнанні. Це робить ремонтні технології дорогими, і в ряді випадків відновлення деталей стає економічно недоцільним.

У зв'язку з цим останнім часом набули широкого поширення технології відновлення деталей металополімерними матеріалами - двокомпонентних матеріалів, що складаються з сполучного полімерного матеріалу і металевих порошків, відповідних матеріалів відновлюваних деталей.

Застосування металополімерів для відновлення деталей економічно доцільно, так як вони мають суттєву перевагу перед іншими методами. Перш за все, вони не вимагають спеціального обладнання, а в ряді випадків, і розробки механізмів, що містять пошкоджені деталі. Для застосування не потрібно висококваліфікований персонал, так як навчання застосуванню більшості типів відбувається за дуже короткий період і в подальшому вимагає тільки суворого дотримання технологічних інструкцій.

На підставі аналізу застосування композиційних покриттів на основі металополімерних матеріалів, можна прийти до наступного висновку:

. Для відновлення зношених деталей машин загального призначення в виробничих умовах найбільш зручні металополімер. Вони дозволяють виконувати відновлення пошкоджених деталей практично без розбирання вузлів, не застосовуючи складні спеціалізовані пристосування і інструменти;

. Обробка поверхонь відновлених деталей виконується на звичайних верстатах або безпосередньо на місці ремонту із застосуванням абразивних кругів і фрез на ручних електроінструментах і т. п.;

. Вартість технологічної операції відновлення деталей металополімерами відносно низька, в порівнянні з іншими методами відновлення через простоту технології, невеликої витрати матеріалів і відсутності потреби в спеціальному обладнанні;

. Застосування металополімерних матеріалів гарантують екологічну безпеку в порівнянні з технологічними процесами, які застосовуються в даний час на ремонтних підприємствах, що спеціалізуються, перш за все, на виробництві наплавлень, газополуменевих покриттів або електролітичному осадженні покриттів.

На підставі проведеного аналізу методів відновлення деталей з використанням гарячих робочих середовищ також можна зробити наступні висновки:

. Для відновлення в виробничих умовах деталей машин, що експлуатуються в умовах абразивного зношування і мають невеликі товщини зношеного шару, доцільно використання покриттів, що наносяться детонаційними методом;

. Детонаційні метод нанесення покриттів у порівнянні з іншими методами відновлення має безсумнівні переваги: ​​екологічного плану, так як, технологія детонаційного методу не потребує утилізації екологічно шкідливих хімічних розчинів (гальванічні методи), при його використанні не виникають іонізуючі випромінювання, вимоги з охорони праці та санітарні норми для цього методу такі ж, як і для звичайних газозварювальних робіт;

. Детонаційні метод нанесення покриттів дозволяє проводити відновлення поверхонь деталей машин використовуючи широкий спектр порошкових матеріалів, в той час, як гідності інших методів проявляються в основному при роботі з певними матеріалами: плазмовий - при нанесенні тугоплавких покриттів; вакуумно-плазмові - з рідкоземельними металами, алмазоподібними покриттями, газовими сумішами; гальванічний - при роботі з хромовими і нікелевими покриттями і т. п.

2. Методика і устаткування для проведення досліджень

Відповідно до мети і завдань досліджень в цьому розділі описується комплексна методика, що включає технологію нанесення покриттів, методики і установок для проведення випробувань на тертя і зношування в умовах абразиву і гідроабразиву, а також опис металознавчих та інших видів аналізів.

2.1 Обґрунтування вибору досліджуваних матеріалів

Як зміцнюваного матеріалу була обрана конструкційна сталь 45.

Машинобудівна середньо вуглецева сталь 45 часто використовується для виготовлення широкого класу деталей машин і механізмів, а саме: вали, осі, шестерні, болтові з'єднання та ін.

При виборі покриттів керуються їхніми експлуатаційними характеристиками і функціональними властивостями, а також фізико-механічними характеристиками основного матеріалу. Так, при виборі матеріалів покриття для проведення експериментальних досліджень в даній роботі виходили з того, що при відновленні деталей необхідно застосовувати такі матеріали, які володіють необхідними триботехнічних характеристиками і були б доступні споживачеві. Як матеріали для детонаційних покриттів застосовувалися композиційні порошкові матеріали КХН і НАС, а для металополімерних покриттів - бронзові і залізні металополімери.

Тут необхідне зазначити, що при великих глибинах ушкоджень доцільніше для відновлення деталей застосовувати металополімер. Вони дозволяють ліквідувати тріщини і раковини глибиною до 10 мм при забезпеченні хорошого зчеплення з основою. Обрані матеріали для нанесення відновлювальних покриттів наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Обрані матеріали для нанесення відновлювальних покриттів

Найменування матеріалу	Вагове співідношення	Область застосування	Термостійкість в °С	Механічні властивості
Метало-полімери: А А / A Суперіор (Сталь, бронза та ін.)	0,65: 0,35 0,65: 0,35 1,15: 0,35	Ремонт пошкоджених деталей машин. Наноситься шаром довільної товщини і після затвердіння обробляється аналогічно основному металу. Застосовується з термостійкім загусниками; повільний дії;	- 40… + 200 - 40… + 200 - 40… + 200	Межа міцності при: стисканні - 160 МПа, розтягу. - 100 МПа, вигині - 110 МПа; адгезійна міцність 18 МПа; на зрушення 35 МПа. густина 3 г / см3. твердість 110МПа по HB.
Метали: Чавун, сталь, алюміній, бронза: P - стандарт (паста); FL - густотекучий; Rapid	0,95:0,55 10: 1 1: 1	Ущільнення і ремонт газо-, водопроводів. Наноситься шаром довільної товщини і після затвердіння обробляється аналогічно основному металу.	- 32… + 300 - 32… + 300 - 30… + 100	Межа міцності при: стисканні - 180 МПа, розтягувані - 90 МПа, вигині - 85 МПа. щільність 2,8-4,0 г / см3. твердість 95 МПа по HB. Усадка - нульова.

2.2 Методика нанесення покриттів

Дані про склад і твердості деяких порошків наповнювачів, обраних для використання в даній роботі для нанесення детонаційних покриттів, наведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2. Склад і твердість покриттів, наповнювачів, які були обрані, для нанесення відновлюють покриттів

№	Марка матеріалу покриття і його стан нанесенням	Спосіб нанесення	Хімічний склад, %	Твердість покриттів, ГПа
1	Композит НАС, порошкова суміш	Детонаційно-газове напилення	82Ni, 14Al, 6Si	11,0 по HV
2	Композит КХН, порошкова суміш	Детонаційно-газове напилення	62Ni, 18Cr, 20Co	10,8 по HV
3	Металополімер «Стандарт», порошкова суміш	Ручна формовка	90-бронза, 10 фірмовий затверджувач	0,3 по HB
4	Металополімер «Качество Супериор»	Ручна формовка	90-бронза, 10 фірмовий затверджувач	0,45 по HB

Детонаційні покриття на зразки і експериментальні деталі наносяться з використанням детонаційному-газових установок «Дніпро» за технологією, розробленою в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України. Ступінь заповнення стовбура при нанесенні порошкових а = 0,53 для порошку КХН і β = 0,48 для суміші НАС. Частота пострілів сумішей при нанесенні покриттів - 2,5… 3 Гц. Відстань від зрізу стовбура до площини установки зразків становила 170 мм. Газ, який транспортує порошок - азот, робоча газове середовище в детонаційній камері - ацетилен і кисень в співвідношенні 1: 1,2. Розрахунок швидкості і температури процесу нанесення детонаційних покриттів отримані на основі методики, розробленої в ОКТБ «Деметон» Інституту проблем машинознавства НАН України.

Рисунок 2.1. Схема установки «Дніпро»

- порошковий живильник; 2 - тильна частина розпилювача з буферною канавкою; 3 - ствол розпилювача; 4 - інжекційний змішувач; 5 - газорозподільний механізм; 6 - електродвигун; 7 - регулятор частоти обертання двигуна; 8, 9 - оптопара з відкритим оптичним каналом; 10 - розподільний вал; 11 - клапан; 12 - підсилювач потужності; 13 - блок підпалювання; 14 - клапан електромагнітний; 15 - генератор імпульсів; 16 - підсилювач; 17 - вібратор.

Випробовувані зразки закріплювалися в пристосуванні, а поверхні, на які не повинен потрапити матеріал покриття, захищалися спеціальними шаблонами. Покриття наносилися на очищені і знежирені поверхні зразків методом ручного формування. Попередньо компоненти ретельно перемішувалися в пропорціях 0.95: 0,55 і 1,15: 0,35 відповідно для металополімерів «Стандарт» і металополімер «Якість Суперіор». Час затвердіння відповідало технологічних інструкцій виробника та складало 3,5 год для металополімера «Стандарт» і 20 хв для металополімера «Якість Суперіор». Після затвердіння шару покриття зразки притиралися на абразивної плиті до отримання необхідної якості поверхні. Товщина покриттів на зразках перед випробуваннями становила 180…200 мкм. Вихідна шорсткість і мікротвердість вимірювалися за тією ж методикою, як і для детонаційних покриттів.

Методика визначення адгезійної міцності на зрушення і на відрив поверхні

Визначення міцності зчеплення покриттів з матеріалом підкладки проводили з метою:

) оцінки ефективності зміни режимів нанесення покриттів і обробки поверхні під покриття і таким чином оптимізувати умови досягнення необхідної міцності зчеплення;

) отримання більш глибокого уявлення про механізм утворення міцних адгезійних зв'язків між покриттям і підкладкою.

Випробування на зрушення здійснювали шляхом створення дотичних напружень на межі розділу покриття з підкладкою. Міцність покриття на зрушення щодо основи визначали за стандартною схемою навантаження, наведеної на малюнку 2.1, а.

Для експериментальної оцінки величини адгезійної міцності зчеплення покриттів на основі з матеріалом підкладки була обрана одна з модифікацій відомої схеми «штифта», наведена на рис. 2.1, б.

Рисунок 2.1а - Схеми випробування зразків із шаром покриття при визначенні міцності покриття на зрушення щодо основи - (а) і адгезійної міцності зчеплення шару з основою - (б)

Використовувані схеми випробування найбільш повно відповідає реальним умовам взаємодії матеріалів покриття і підкладки, коли має місце руйнування і розділяє їх між фазному кордоні, що і спостерігається на деталях з металополімерними покриттями. При нанесенні таких покриттів між фазна межа чітко визначена, так як зчеплення матеріалів відбувається без утворення нової мікроструктури на кордоні сполучення шарів.

Експериментальне визначення міцності на зсув τ_сдв і адгезійної міцності зчеплення металополімерного покриття зі сталевою основою σ_адг проводилися на зразках зі сталі 45 з металополімерних покриттям «Якість Суперіор». Спочатку виготовлялися зразки сталевої основи у вигляді пластин прямокутної форми з розмірами 3х10х40 мм. Потім на шліфовану і знежирену поверхню зразків відповідно до технологічної інструкції наносився шар металополімера «Якість Суперіор» товщиною 2 мм. На готових зразках тонким алмазним відрізним кругом АОК 105х0,5 виконувалися надрізи для реалізації стандартних схем механічних випробувань з визначення міцності нанесеного шару покриття на зрушення і на відрив від основи.

Механічні випробування покриттів

Механічні випробування виконувалися на розривній машині FP-10 з максимальним зусиллям, що розвивається машиною до 1000 Н. Значення адгезійної міцності покриття σ_адг на відрив визначалося з відносини руйнівного навантаження до сумарної площі двох смужок, за якими відбувався відрив покриття від основи.

2.3 Методика проведення випробувань на машині тертя СМЦ - 2

Для дослідження процесу зношування покриттів деталей в роботі використовувалась машина тертя СМЦ - 2. Досліджуючи процес контактної взаємодії поверхні торців зразків з контртілом можна відтворити механізм зношування більшості деталей машин, що експлуатуються в умовах абразивного зношування зносу. Ця машина проста по конструкції і дозволяє з достатньою точністю навантажувати зразків, забезпечувати необхідне змащення в зоні контакту зразка. Схема машини тертя СМЦ - 2 наведена на рис. 2.2, а загальний вигляд машини СМЦ - 2 - на рис. 2.3.

Рисунок. 2.2. Схема машини тертя СМЦ - 2

- візок; 2 - механізм навантаження; 3 - бабка нижнього зразка; 4 - датчик; 5 - привід; 6 - пульт керування; 7 - триступеневий ведучий шків; 8 - клинові ремені; 9 - ведений шків; 10 - редуктор; 11 - кінцевий вимикач; 12 - лічильник сумарного числа обертів нижнього зразка; 13 - показує і записує потенціометр.

Рисунок. 2.3. Машина тертя СМЦ - 2

Технічні характеристики тертя тіл: діаметр пальчикового зразка - 6 мм; діаметр диска (зі змінною шайбою контр тіла) - 200 мм; швидкість ковзання - до 20 м / с. До недоліків машини тертя СМЦ - 2 відносяться вібрації важеля навантаження, криволінійність траєкторій переміщення точок контакту в зоні ковзання, погіршення умов змащування при великих швидкостях обертання диска через відцентрових сил і ін. Це обмежує її застосування для дослідницьких цілей, але дає можливість в експерименті відтворювати реальні умови експлуатації деталей. Контактні тиску для всіх зразків приймалися в межах діапазону значень Р = 0,4… 2,4 МПа з кроком 0,4 МПа.

Зразки з нанесеними покриттями контролювалися перед проведенням експерименту з метою відбору зразків, які не мають тріщин, сколів і відшарувань. Шорсткість поверхні диска тертя - контртіла - становила 0,2 мкм, а пальчикових зразків - 0,1 мкм. Після притирання на пальчикові зразки наносилися лунки з метою визначення величин зношування.

При проведенні експериментальних досліджень зношування зразків з покриттями з і детонаційними покриттями визначали залежності величини зносу від довжини шляху тертя і зміни коефіцієнта тертя при роботі деталей з покриттями. Ці дані дозволять отримати реальне уявлення про деталей, відновлених за допомогою нанесення зносостійких покриттів. Зразки відповідно до паспортних даних машини СМЦ - 2 у вигляді циліндричних штифтів діаметром 6 мм і довжиною 12 мм і встановлюються в спеціальному кондукторі і захопленні машини. Одночасно встановлюється три зразка. Всі зразки кожного типу вихідного матеріалу і з кожним зі згаданих покриттів, виготовлялися з матеріалу однієї партії.

Перед проведенням випробувань зразки, перевіряємо міцність нанесеної поверхні, потім налаштовуємо на випробувальній машині при контактний тиску Р = 2,4 МПа. За момент закінчення процесу підробітки приймалося час, за який відбувається стабілізація моменту сил тертя, що фіксується динамометром. Значення коефіцієнта тертя визначалися за формулою:

                                         (2.1)

де W - зусилля, що вимірюється динамометром, що діє в секторі, радіус R₁;- сила нормального тиску на зразок; l - відстань від осі шпинделя до осі зразка.

Обумовлені значення шуканих величин зношування і коефіцієнта тертя є середніми значеннями, отриманими в результаті випробування зразків кожної досліджуваної комбінації пар тертя.

Для кількісної оцінки зносостійкості поверхонь тертя деталей машин найбільшого поширення набули методи визначення інтегрального і локального зношування, які поділяються на дві основні групи. До першої групи належать: методи мікрометрування, вимірювання місцевої поверхневої активності радіоактивними індикаторами, метод штучних баз (спосіб вирізаних лунок) [23]. До другої групи відносять методи визначення зношування: по втраті маси, за кількістю продуктів зношування в відпрацьованому змащувальному матеріалі, який визначається за допомогою хімічного, спектрального і сцинтиляційного аналізу, за інтенсивністю випромінювання продуктів зношування, що відділяються від попередньо активованих деталей [23].

Методи визначення інтегрального зношування відносять до непрямих, оскільки вони не дають інформації про характер зношування деталей в характерних точках, що труться. З методів визначення локального зношування методи поверхневої активації слід також віднести до непрямих, так як лінійну величину зношування при його застосуванні визначають шляхом перерахунку втрати активності в міру зношування активованої деталі. До активних методів визначення процесу зношування відносять метод мікрометрування, при застосуванні якого в різних точках, що труться виявляються втрати геометричного розміру. При його застосуванні, проте, не завжди залишається з’ясування питання про зміну геометрії деталі в найбільш навантажених точках контактуючих поверхонь. Слід мати на увазі й те, що при повторному мікрометрувані важко домогтися збігу нових і колишніх точок вимірювань, що вимагає застосування спеціальних приладь. Цей недолік методу притаманний і методом профілографу.

Перерахованих недоліків позбавлений метод штучних баз, М.Ф. Дмитриченко, Р.Г. Мнацаконов, О.О.Мікосянчик [23] і особливо його різновид - спосіб вирізаних лунок. Цей метод дуже широко поширений в машинобудуванні і ми використовували його при дослідженні зразків з детонаційними покриттями через його відносної простоти і зручності практичного застосування, а також можливості точного фіксування точки вимірювання зношування. Його методична сутність полягає в вирізання на вихідній поверхні зразка алмазним різцем або твердосплавним бором подовженою лунки, дно якої відповідає профілем різця - зазвичай по дузі окружності фіксованого радіусу. За розміром довжини лунки визначають відстань від поверхні деталі до її дна. При зношуванні треться поверхні довжина лунки зменшується. За зміною довжини лунки визначають величину лінійного зношування. На рис. 2.4. приведена схема вимірювання величини зношування на плоскій поверхні тертя.

Рисунок. 2.4. Схема вимірювання величини зношування методом лунок

Позначивши довжину лунки l₁ до початку випробування можна найти глибину лунки h₁ по формулі:

                                   (2.2)

де r - радіус вершини різця.

Для визначення величини лінійного зношування на будь-якій стадії експерименту слідує встановити глибину поверхні лунки за формулами (2.2). При цьому величина зношування при подальшому визначенні глибини h₂ ямки виявляються на підставі залежностей:

                                               (2.3)

Важливою перевагою способу вимірювання зношування за допомогою вирізаних лунок є його висока чутливість. Її можна оцінити за допомогою відносини змін величин l і h.

На рис. 2.5 приведена схема вимірів величини зношування з використанням способу вирізаних лунок.

Рисунок. 2.5. Оцінка похибки вимірювань при застосуванні методу лунок

З умови подібності трикутників випливає, що:

                                            (2.7)

Тоді при нескінченно малій зміні зношування d_h катет a зміниться на величину d_а. тоді отримаємо:

                              (2.8)

Таким чином, з урахуванням (2.7) і (2.8) отримаємо:

                                        (2.9)

З отриманої залежності випливає, що чутливість вимірювання залежить від співвідношення розмірів r і l, тобто від вихідної геометрії обрізана лунки на поверхні тертя.

2.4 Металографічний аналіз

Металографічне дослідження зразків з покриттями до і після трибо технічних випробувань проводили на мікроскопах ПМТ-3 в звичайному і поляризованому світлі при збільшеннях від 100 до 350 карат. Об'єктом дослідження були шліфи, які після шліфування та полірування алмазними пастами піддавалися травленню в розчинах.

Після травлення шліфа виявили характерні зміни в структурі, які проходили в процесі тертя і зношування. Особливу увагу приділяли виявленню пошкоджень, пластичного деформації, окислення і інших процесів, які проявлялися при випробуванні. Характер зміни структур поверхневих шарів величина коефіцієнта тертя і зносу давали можливість встановити провідний вид зношування і механізм його розвитку.

2.5 Методика визначення механічних властивостей

Для встановлення зв'язку структурних змін з механічними властивостями досліджуваних матеріалів та покриттів визначали їх твердість і мікротвердість.

Твердість визначали на приладі Віккерса, по Брінеллю НВ, а загартованих сталей на приладі Роквелла за шкалою HRC і мікротвердість - на приладі ПМТ-3 при навантаженні 50 м

.6 Методика дослідження геометрії поверхонь

Дослідження геометрії поверхонь тертя проводили за допомогою універсального профілографа-профілометра «Модель-201» заводу «Калібр» при збільшенні в горизонтальному напрямку 40, а у вертикальному - 500, 2000., 4000.

При різних умовах випробувань на тертя і зношування на поверхні утворюється мікрорельєф, характер розподілу якого визначає вид зношування, що дає можливість більш точно встановити механізм зношування.

.7 Електронно-растрове мікроскопічне дослідження

Дослідження фрактографії ушкоджень робочих поверхонь деталей вузлів тертя і зміцнених зразків з метою встановлення механізму зношування проводили мікроскопі «ПМТ - 3».

Рисунок. 2.6. Мікроскоп ПМТ-3

Дослідження фрактографій (зламів матеріалів) грубих поверхонь і масивних зразків, представляється можливим під час різних збільшеннях, що виключається в разі досліджень в разі традиційних методів, світлової та трансмісійної електронної мікроскопії. Роздільна здатність при задовільних умовах зйомки може досягати 5…6 нм, а значна глибина фокуса, що виникає внаслідок малого кута розходження електронного пучка, більш ніж в 300 разів перевищує глибину фокуса в світловому мікроскопі, що працює в аналогічних умовах.

Збільшення мікроскопа змінюється в широких межах від 20 до 30000, що дозволяє вибирати оптимальне збільшення необхідне для вирішення поставленого завдання. Діапазон збільшень, який використовується в даній роботі для дослідження та складу поверхні, вибирався в межах 100…2000. Великі збільшення використовували при незначних пошкодженнях досліджуваних поверхонь, а також при зйомці характерних ділянок з ушкодженнями, що пояснюють механізм руйнування.

Визначення хімічного складу, що труться, а також різних фаз, недосконалостей структури і її зміни проводили з використанням методу рентгеноспектрального мікроаналізу, фізична сутність якого полягає в генерації рентгенівського випромінювання при падінні первинного електронного пучка на поверхні досліджуваного зразка.

Визначення інтенсивності рентгенівського випромінювання як в зразках, так і в ідеалі, проводили в наступних експериментальних умовах:

·        прискорює напруга - 20 кВ;

·        струм пучка - (1… 2) 1010 А;

·        кут нахилу площини зразка коси детектора - 10°;

·        час набору спектрів - 50 с.

.8 Рентгеноструктурний аналіз

Рентгеноструктурний аналіз дозволяє аналізувати структуру матеріалу, вивчати дефективність кристалічної будови металів і сплавів, пружні залишкові напруги, текстура і ін., За допомогою рентгенівських променів, які є електромагнітними хвилями дуже малої довжини (2-0,005 А).

Сутність рентгеноструктурного аналізу полягає в дифракції рентгенівських променів на об'єктах, які мають кристалічною будовою. При аналізі тонкої структури інформацію можна отримати до глибини кілька десятків мікрон. Досліджувана поверхню зразків становила 1… 10 мм².

Рентгеноструктурні дослідження проводили на дифрактометрі Дрон - 2,0.

Висновки

1. Обрано об'єкт досліджень, обґрунтований вибір матеріалів і покриттів для проведення всебічного дослідження.

. З метою всебічного дослідження матеріалів і покриттів застосована комплексна методика, яка включає металографію, мікроскопію, і ін.

3. Дослідження працездатності деталей машин

.1 Аналіз причин руйнування деталей, що експлуатуються в умовах вільного абразиву

Розглянемо найбільш характерні види зношування на прикладах деталей машин, що піддаються найбільш інтенсивному абразивному зношенню. Зокрема, цей вид зношування, проявляється на робочих поверхнях штока гідроциліндра рульового керування. Габаритні розміри штока і схема його пошкодження наведені на рис. 3.1.

Глибина спрацювання: до 2 мм

Рисунок. 3.1. Ескіз штока гідроциліндра рульового керування

Характерні пошкодження штока - це абразивне зношування робочої поверхні штока гідроциліндра в місці його контакту з гумовою манжетою ущільнювача вузла в положенні штока при опущенню. Причина пошкодження - зношування в результаті здійснення зворотно-поступальних коливань. Причина абразивного зношування штока обумовлена ​​наявністю вільного абразиву, що потрапляє з вітром на поверхню штока (в мастилі) в простір між поверхнями, що труться сталевого штока (вийшов за межі захисного чохла) і ущільнюючого гумового кільця манжети. Найчастіше, пошкодження поверхні гідроциліндра є кільцевою вироблення шириною близько 20 мм і глибиною пошкодження до 2 мм (рис. 3.2.).

Рисунок. 3.2. Загальний вигляд локального абразивного зношування на штоку гідроциліндра рульового керування у вигляді кільцевої вироблення на його робочої поверхні

Найбільша глибина (до 2 мм) абразивного зношування спостерігалася в перерізі на середині вироблення. На поверхні виробки присутні характерні для абразивного зношування борозенки, орієнтовані вздовж напрямку зворотно-поступальних коливальних переміщень штока щодо гумової ущільнювальної манжети, які не залишають сумніву в природі спостережуваного виду зношування (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Характерний вид борозенок абразивного зношування робочої поверхні штока гідроциліндра підйому автомобільного самоскиду, орієнтованих вздовж напрямку його зворотно-поступальних коливань щодо манжети.

Тут слід зазначити, що розміри штока не дозволяють застосувати газотермічні методи нанесення покриттів через можливі зміни форми поверхні штока і втрати герметичності ущільнення. Крім цього, доставка штока на спеціалізоване ремонтне підприємство для відновлення пошкоджень, як наслідок, великих економічних втрат. Тому ці обставини і визначили подальший вибір технології нанесення відновних покриттів з використанням технологій тільки на основі холодних середовищ, зокрема, технології металополімер.

.2 Дослідження деталей машин і встановлення механізму їх руйнування

Аналіз результатів дефектації пошкоджених поверхонь деталей машин дозволяє стверджувати, що основними дефектами є: тріщини, корозія і знос.

Знос є результатом процесів руйнування поверхневих шарів деталей і відділення частинок матеріалу від робочих поверхонь при терті, що призведе до поступової зміни їх розмірів і форм.

Кожна деталь працює в певних умовах тому для неї буде характерним певний вид дефекту. Природа дефекту визначається тими зовнішніми факторами, які діють на деталь, а також структурою і фізико-механічними властивостями матеріалу, з якого ця деталь виготовлена. Основними факторами є: температура, швидкість переміщення, питоме навантаження і агресивність середовища. До додаткових факторів слід віднести вібрацію, циклічність навантаження, радіацію і ін.

Залежно від зовнішніх механічних впливів, середовища, фізико-механічних властивостей, що труться матеріалів і стану поверхонь, що труться кожна пара деталей даної трибосистеми має чітко виражений провідний вид зношування, що лімітує термін служби її при експлуатації, і може мати супутній вид зношування, який має незначний вплив на деталей.

У найбільш важких умовах роботи знаходяться деталі циліндро-поршневої групи, на які діють високі питомі навантаження і температури, а також деталі, що працюють в умовах абразивного, газо- і гідроабразивного зношування в агресивному середовищі. Підвищений знос цих деталей призводить до передчасного виходу їх з ладу, зниження ресурсу автомобільних двигунів і механізмів.

При всьому різноманітті конструкцій золотникові, плунжерні і інші прецизійні пари гідравлічних і паливних агрегатів мають характерні ознаки, що дозволяють розділити їх на кілька типів за механізмом пошкодження деталей. Найбільш типовими пошкодженнями таких трибо спряжені є наступні чотири види: 1) гідроерозіонное зношування; 2) схоплювання; 3) втомний знос; 4) корозійно-механічне зношування.

Гідроерозійне руйнування поверхонь, що омиваються рідиною, виявляється найбільш загальним видом зношування деталей прецезіоних пар. Для деталей золотникових регулюючих пристроїв воно призводить до зміни значення регульованого параметра, перепаду тиску, так як внаслідок зношування деталей збільшився зазор. Це призводить до зменшення подачі насоса або до зміни витрати робочої рідини.

Дослідження гідроабразивного зношування

У більшості випадків цей вид ушкоджень спостерігається на ділянках поверхонь деталей поблизу крайок поясів і отворів. Пошкодження при цьому мають вигляд численних плавно спадаючи по глибині канавок (електричним вимивання).

Металографічні та електронно-мікроскопічні дослідження деталей, пошкоджених гідроабразивним зношуванням показали, що глибина пошкоджень досягає 8 мм і більше, а площа уражених ділянок може становити від часток мм² до декількох м². На рис. 3.5. приведена мікрофотографія поверхні деталі, що працює в умовах гідроабразивного зношування. На поверхні деталі видно подряпини, поглиблення, які виникли в результаті видалення зі структури сплаву твердих частинок, сліди пластичної деформації.

Рисунок 3.4. Мікрофотографія поверхні деталі, схильною до гідроабразивного зношування

Результати вимірювання мікротвердості структури деталей, схильною до різного ступеня гідроабразивному зношування свідчить про те, що інтенсивного руйнування передує пластичне деформування, в результаті якого мікротвердість сплаву збільшується до цілком певних для даного сплаву граничних значень. При цьому дефектність структури зростає, що зумовлює виникнення і подальший розвиток мікротріщин, які зливаючись утворюють замкнене коло і, як результат, під впливом розклинюючої дії середовища і потоку рідини відбувається відділення частки структурно-складової сплави, що характеризуються як частка зносу.

Дослідження схоплювання деталей

Найбільш небезпечним видом зношування деталей машин є схоплювання, яке викликає різке підвищення коефіцієнта тертя між сполученими деталями, що призводить до порушення нормального функціонування трибосистеми. Цей процес розвивається в результаті виникнення локальних металевих зв'язків, їх деформації і руйнування з відділенням частинок металу або налипанням на поверхні контакту. Виникнення металевих зв'язків відбувається при інтенсивному розвитку процесів пластичного деформування.

В результаті проведених електронно-мікроскопічних досліджень деталей, схильних до схоплювання, встановлено, що на їх робочих поверхнях внаслідок інтенсивного розвитку процесів пластичного деформування, руйнування поверхневих плівок при відносному переміщенні сполучених деталей відбувається руйнування поверхневого слова, що має вигляд чергуються надривів, вириваючи, нерегулярних вогнищ налипання і зминання металу у напрямку руху тертя (рис. 3.5).

Рисунок. 3.5. Мікрофотографії поверхонь деталей схильних до схоплюванню

Дослідження втомного зношування

У переважній більшості випадків втомне зношування піддаються деталі автомобільних механізмів, що працюють в умовах тертя кочення, які знаходяться в особливих умовах напруженого стану. Основні характеристики і розвиток втомних пошкоджень визначаються процесами повторної пластичної деформації, зміцненням і зміцненням металу поверхневих шарів, виникненням залишкових напружень та особливими явищами втоми.

Електронно-мікроскопічні дослідження деталей автомобільних механізмів, що працюють в умовах втомного зношування показали, що для зруйнованих поверхонь характерними є виникнення і розвиток мікротріщин, одиничних і групових западин.

Високі локальні циклічні навантаження, процеси зміцнення і знеміцнення і супутні їм окислювальні процеси призводять до зниження втомної міцності матеріалу. При цьому в області контакту можуть виникати втомні тріщини (рис. 3.6.).

а)                                                     б)

Рис. 3.6 - Втомна тріщина в області контакту колінчастого вала (а) і її поширення в глибину основного матеріалу (б)

Р= 400 МПа; N= 1,5∙10⁶ цикл

На рис. 3.7 представлені мікроструктури ділянок деталі на глибині 90-120 мкм паралельно поверхні тертя. Навантаження 2500 і 4500 Н.

        

а)                                                               б)

Рис. 3.7. Структура матриці на глибині 90-120 мкм після проходження шляху тертя: а) 1000 м; б) 2000 м при навантаженні 2500 Н, РЕМ, ´550

З наближенням до поверхні структура матриці змінюється. Зруйновані і спотворені фрагменти вихідної структури утворюють нову зернисту структуру, чому сприяють накопичені дефекти. Потім процес руйнування і відновлення повторюється знову. При цьому в напрямку до поверхні починають накопичуватися точкові дефекти. Результати експериментів дозволяють відзначити, що при мало швидкісному терті без змащення формування структури на кожній стадії обумовлено розвитком втомних процесів в умовах об'ємно-напруженого стану та стримування пластичної деформації матриці армуючими елементами. На цьому вказують: характер перерозподілу твердого розчину на основі міді та евтектичною суміші, в першу чергу, інтерметалідів; перебудова кордонів зерен і їх міграція; руйнування зерен і структурування в якісно іншому складі; зростання числа дефектів і їх спрямована міграція.

Втомні процеси при контактній взаємодії навіть в звичайних умовах мають одну особливість - відсутність межі контактної витривалості [10].

Циклічно навантажені матеріали, при роботі в корозійно-активних середовищах також не мають межі витривалості. Тому при терті в цих середовищах буде відбуватися поступове втомна руйнування зони контакту (знос не стабілізується).

При спільній дії нормальної і тангенціальної сили максимум під поверхневих контактних напружень, як і поле дотичних напружень, зсувається в бік руху (приблизно на два радіуса контакту Герца), в той же час максимальні нормальні напруги знаходяться в зоні контакту індентора і контр тіла. Таким чином, утворюється поверхневий (зовнішній) і під поверхневий (внутрішній) активні верстви. Глибина внутрішнього шару залежить в основному від відстані між повторюваними нерівностями і не перевищує полуторного відстані між ними. Максимальна область дотичних напружень розташована на глибині (0,7 - 0,8) а_н (тут а_н - радіус контакту Герца). Руйнування в під поверхневому шарі під дією знакозмінних напружень розвивається як послідовність подій, викликаних втомним процесами: зародження тріщин, зростання тріщин, їх перетин і відшаровування оточених тріщинами обсягів матеріалу. Механізм зародження, зрушування і поширення, поверхневих і під поверхневих тріщин аналогічний відомим дислокаційний механізмам для обсягу матеріалу.

Дослідження абразивного зношування

Багато деталей автомобільних механізмів піддаються абразивному зношуванню вільним абразивом, так як рідко вдається запобігти попадання абразивних частинок в зазор, що утворюється між поверхнями які труться або поверхнями ущільнювачів. Цей вид руйнування також у багатьох випадках обумовлений утворенням в парах тертя продуктів зносу. Абразивну дію також надають тверді структурні складові сполучених поверхонь тертя.

При електронно-мікроскопічному дослідженні деталей, схильних до абразивного зношування, встановлено дві чітко виражені форми прояву абразивних процесів, що відрізняються характером взаємодії частинок з поверхнею металу (рис. 3.8.).

а)                                           б)

Рисунок 3.8. Мікрофотографії поверхневих шарів деталей машин схильних до абразивного зношування: а - з переважанням механіко хімічного руйнування; б - з переважанням механічного руйнування

На рис. 3.8, а представлена мікрофотографія поверхні деталі, схильної до абразивного зношування з переважним розвитком механіко-хімічного руйнування, при якому відбувається пластичне деформування поверхневих шарів, їх окислення і подальше руйнування оксидних плівок.

Абразивне зношування з переважанням механічного руйнування деталей машин представлено на рис. 3.8б. Характер пошкодження свідчить про розвиток процесів мікрорізання, деформації та руйнування поверхневих шарів без відділення частинок основного металу.

Дослідження ерозійного зношування

Корозійний вплив робочих середовищ крім стимулювання таких процесів як кавітаційне руйнування, гідро- і газоабразівне зношування викликає ерозію робочих поверхонь. Ці процеси протікають при певних режимах течії середовищ і залежать від швидкостей потоків та перепадів тиску. Цим видам пошкоджень схильні багато деталей трибосистем машин.

Ерозійного пошкодження піддаються ущільнення елементів затворів, клапани голчастого типу, регулюючі клапани золотникового типу і багато інших.

Слід зазначити, що інтенсивність зношування в процесі розвитку ерозійних пошкоджень зростає з підвищенням агресивності корозійного середовища і швидкості потоку, який може викликати пластичне деформування поверхневих шарів деталей, зародження мікро тріщин з подальшим їх розвитком, що ініціює процеси руйнування. Механізм розвитку ерозійного зношування в результаті дії потоку корозійно-агресивного середовища представлений на рис. 3.9. Для зниження інтенсивності ерозійного зношування деталі з легованих сталей (38ХНЗМФА, 30ХНМ8 і ін.) Виготовляють з твердих сплавів на основі карбідів вольфраму і хрому.

Одним з широко поширених видів зношування деталей вузлів тертя автомобільних механізмів є фреттинг-корозія.

Рисунок 3.9. Механізм розвитку ерозійного зношування в корозійної середовищі

Дослідження зношування внаслідок фреттинг-корозії

Відомо, що контакт твердих тіл дискретний і складається з системи окремих ділянок безпосереднього зіткнення. В процесі фреттинг відбувається пружно-пластичне деформування мікронерівностей поверхні, яка формує хвилю деформації - напруги, що поширюється в активному шарі матеріалу. Характеристики хвильового фронту (амплітуда напружень, частота) залежать від характеру ударно-деформаційних процесів на мікроконтактах.

Механічні явища, притаманні фреттинг-корозії, супроводжуються різними хімічними процесами. Будучи пов'язаними зі змінним напругою (змінне навантаження, знакозмінні прослизання), це явище на додаток до звичайної об'ємної втоми викликає поверхневу втому. Фреттинг-корозія не тільки знижує втомну міцність, але і погіршує якість поверхонь деталей, порушує надійність контактів.

Фреттинг-корозії схильні вали автомобільних двигунів в місцях посадки підшипників, деталі кривошипно-шатунного механізму поршневих двигунів, різні шліцьові, болтові, шпонкові та інші сполуки. Зовнішній вигляд деталей машин та конструкцій, що працюють в умовах фреттінг - корозії, представлений на малюнку 3.10 - 3.12.

Рисунок 3.10. Області фреттинг - зносу і фреттинг - корозії на посадочних поверхнях бандажа (рис. А) і осі fо (рис. Б) вала, відпрацьованого N = 5,6 х 106 циклів навантаження при максимальному натягу Δ = 0,00111

                                    

А                                            В                                   С

Рисунок 3.11. Фреттинг-контакт кульки з площиною. Початкова амплітуда прослизання А₀ = 3 мкм, кінцева А_к = 10 мкм. А - 0,3 ∙ 10⁵, В - 10 ∙ 10⁵, С - 40 ∙ 105 циклів

                    

А                                            В                                   С

Рисунок. 3.12. Фреттинг - разрушение отожженной стали 30ХГСА в контакте с шариком ШХ 15 диаметром 12,7 мм.

А - початок фрикційного взаємодії в зоні щеплення;

В - перехід від зони зчеплення до прослизання;

З - пластичне деформування за межами плями контакту

4. Оцінка ефективності застосування відновлювальних композиційних зносостійких покриттів

4.1 Критерії оцінки ефективності застосування зносостійких відновлювальних покриттів

На початку сформулюємо основні принципи ефективності відновлення роботоздатності зношеної деталі за допомогою нанесення покриття. Практика експлуатації відновлених деталей показує, що ефективність відновлює покриття можна вважати досягнутою, при виконанні таких умов:

. Відновлення функціональних здібностей пошкодженої деталі і продовження її експлуатації до нормативного ресурсу;

. Рівномірність нанесення покриття по поверхні пошкодженої деталі; рівномірність механічних властивостей нанесеного покриття;

. Висока міцність зчеплення покриття з матеріалів основи; низька інтенсивність напружень на кордоні сполучення покриття - основа;

. Висока зносостійкість покриття по відношенню до факторів впливу, при яких експлуатується вихідна деталь; низький коефіцієнт тертя покриття;

. Технологічність нанесення покриття; низька собівартість технологічного процесу нанесення відновлює покриття в порівнянні з собівартістю відновлення деталей із залученням альтернативних технологій.

Спочатку передбачається, що деталі, відновлені за допомогою металополімерних і детонаційних покриттів, будуть експлуатуватися при тих же кінематичних і силових режимах, як і нові деталі. Однак, в силу неоднорідності матеріалу відновлених деталей, оцінка їх ресурсу роботоздатності за методиками, що застосовуються для непошкоджених деталей, буде наближеною або навіть некоректною. Для більш точного розуміння умов роботи деталі з покриттям і прогнозування її роботоздатності необхідно врахувати ряд факторів, пов'язаних з фізико-механічними характеристиками покриттів і способами їх нанесення, так як вони визначають при подальшій експлуатації міцність зчеплення покриття з основою деталі і, отже, деталі в цілому.

Після нанесення металополімерних покриттів на поверхню деталі їх зчеплення з матеріалом підкладки здійснюється за рахунок адгезії. В результаті взаємного проникнення молекул матеріалів підкладки, покриття і сполучний компонент створюється прикордонний шар композиційного матеріалу, міцність якого визначає здатність відновленої деталі передавати навантаження, опираючись відриву і зсуву шару покриття щодо основного матеріалу підкладки.

При застосуванні детонаційних покриттів їх зчеплення з матеріалом підкладки здійснюється в основному за рахунок механізмів когезії, що виникають в результаті перетворення кінетичної енергії, повідомленої часткам наноситься порошку при детонації газової суміші в стовбурі детонаційної установки, в роботу деформування або руйнування поверхневого шару матеріалу підкладки при впровадженні в цей шар частки порошку. При цьому відбувається деформація або навіть локальне плавлення матеріалу підкладки і зварювання частинок порошку з матеріалом основи. Отже, в цьому випадку також утворюється прикордонний шар, міцність якого визначає несучу здатність деталей з покриттями. Але фізична сутність опору граничного шару руйнування для детонаційних покриттів і покриттів з різна. Таким чином, при дослідженні роботоздатності деталей, відновлених за допомогою покриттів, одним із завдань є оцінка міцності зчеплення нанесеного покриття з матеріалом відновлюваної деталі.

.2 Моделювання контактної взаємодії абразивної частинки з поверхнею сталевої деталі і металополімерних покриттям на сталевої деталі

Якщо отримані залежності абразивного зношування пар тертя «метал - метал» і «метал з металополімерних покриттям - метал» без присутності в зоні контактної взаємодії вільного абразиву укладаються в відомі рамки теорії і практики абразивного зношування машин і механізмів, то експериментальне залежності кінетики зношування цих же пар тертя.

Проведемо чисельний аналіз розподілу контактних напружень в зонах контакту пружного кулі, що має наведені розміри, відповідні середнього розміру зерен (див. рис. 3.5) з відповідними фізико-механічними властивостями SiO₂ (див. табл. 4.1), що стискається між сполучаються поверхнями з матеріалів, що мають характеристики сталі штока гідроциліндра, гумової манжети, а також металополімерного покриття типу «Суперіор» (також див. табл. 4.1).

Спрощено представимо моделі двох різновидів навантажуються стисненням систем поверхонь, між якими знаходиться тверде тіло сферичної форми, що володіє всіма характеристиками відповідними SiO₂ (див. табл. 4.1): 1 - сталева основа штока гідроциліндра механізму підйому кузова і гумова манжета, між якими вміщено зерно, у вигляді пружних півплощин, стискають пружне зерно з характеристиками SiO₂ (див. табл 4.1), а також 2 - сталева основа штока гідроциліндра, покрита шаром металополімер «Суперіор» (товщиною 0,5 мм) і гумова манжета, між якими вміщено зерно піску (рис. 3.3). Прикладена рівномірно розподілене тиск на зовнішньому кордоні гумової манжети береться на рівні 5МПа, яке визначається з умови попереднього натягу гумового кільця манжети при його примусової посадки на сталевий шток діаметром 200 мм з натягом δ = 2 мм. Розрахунок розподілу напружень в зонах контакту зерна з поверхнею штока або штока з покриттям проводився на персональному комп'ютері в двовимірної пружною постановці методом кінцевих елементів з використанням відомого обчислювального програмного комплексу.

Таблиця 4.1.Фізико-механічні властивості матеріалів, прийняті в розрахункових схема моделі контактної взаємодії кулі, укладеного між стискають його різномодульний на півплощиною

Матеріал	Модуль пружності Е, ГПа	Коэфф. Пуассона	Межа міцності при стисненні σст, МПа	Межа текучості, σТ, МПа
Сталь	200	0,3	1200	500
Металополімер «Супериор»	5,5	0,375	160	100
Резина	5	0,47	-	-
SiO2 (кварц)	17	0,23	223	223

В результаті виконаних розрахунків встановлено, що в результаті гіперпружного деформування гумової манжети, вдавлюють абразивний частка (зерно піску) рівномірно охоплена гумовим манжетою з розподіленими напруженнями, що не перевищують межі пружного деформування зерна, а напруги, що діють на діаметрально протилежній частині зерна, а саме в зоні контакту між зерном піску (SiO₂) і поверхнею сталевого штока, досягаючи рівня 1360 МПа, що значно перевищує межу міцності SiO₂ на стиск (див. табл 4.2). Ця обставина, очевидно, і призводить зерно до руйнування, а що утворилися в результаті його гострі фрагменти локально пластично деформують поверхню сталевого штока, будучи першопричиною абразивного зношування сталевої деталі в такій парі тертя.

Повна протилежність описаної картині розподілу напружень спостерігається в навантажується системі «металополімерне покриття на сталевому підставі - абразивна частка - гума» (див. табл 4.3 - 4.4). При такому ж зовнішнім доданому тиску величиною (50МПа) картина розподілу напружень в навантаженої системі «металополімерне покриття на сталевому підставі - абразивна частка - гума» в зоні контакту зерна з гумовою манжетою практично не відрізняється від попередньої «вихідної» системи, але вже в зоні контакту зерна з шаром металополімерного покриття напруги, що виникають в зерні практично в три рази менші, ніж в системі без покриття (див. табл. 4.2), і вони вже не перевершують рівня межі міцності матеріалу зерна (див. табл. 4.1). Таким чином, зерно в цьому випадку не руйнується і залишається суцільним, а через малі величини коефіцієнта тертя матеріалу покриття щодо зерна SiO₂ порядку 0,02 (див. табл. 5.25), більш того, при наявності мастила (І-20), а також з огляду на те, що поверхня зерен гладка і їх форма близька до сферичної (див. табл. 3.6), то цілком ймовірно, замість тертя ковзання буде реалізовуватися тертя кочення. Тільки цим аргументом можна пояснити зниження в 2 рази інтенсивності зношування системи «металополімерне покриття на сталевому підставі - абразивна частка - гума» у порівнянні з цією системою, але без металополімерного покриття (див. табл. 4.22 і. 4.24).

Рисунок. 4.1. Розрахункова модель навантаження стисненням системи «Гума - абразивна частка - сталеве підстава»

Рисунок 4.2а. Розподіл напружень σ_х в елементах навантаженої стисненням системи «гума - - абразивна частка - сталеве підстава»

Рисунок 4.2б. Розподіл напружень σ_y в елементах навантаженої стисненням системи «гума - абразивна частка - сталеве підстава»

Рисунок 4.3. Розрахункова модель навантаженої стисненням системи

«Гума - абразивна частка - металополімерне покриття на сталевому підставі» місце тертя кочення, що і пояснює спостережувану вище (глава 2) відносно низьку інтенсивність зношування зазначеної пари тертя.

В результаті проведеного чисельного аналізу встановлено, що контактні напруги, що виникають в металополімерними покритті на сталевої деталі в системі «металополімерне покриття на сталевій основі - абразивна частка - гума» в 2 рази менші, ніж у вихідній системі («сталь - абразивна частка - гума»). Висунуто гіпотезу про те, що низький рівень діючих напружень між абразивними частинками і металополімерних покриттям, не досягає рівня напруги, що призводять частки до руйнування, і це сприяє формуванню умов в парі тертя такого типу (тим більше при наявності мастила І-20), характерних для тертя кочення, про що свідчить також і вельми низьке значення експериментально визначеного коефіцієнта тертя (f = 0,02). Подібне явище спостерігається в сепараторах.

Рисунок 4.4а. Розподіл напружень σ_х в навантаженої стисненням системи «гума - абразивна частка - металополімерне покриття на сталевому підставі»

Дотримуючись цього висновку ми приходимо до доцільності нанесення протекторного металополімерного покриття на сталеву основу пари тертя «сталь-гума», що експлуатується у присутності вільного абразиву типу піску

Рисунок 4.4б. Розподіл напружень σ_у в навантаженої стисненням системи «гума - абразивна частка - металополімерне покриття на сталевому підставі»

4.3 Експериментальне визначення адгезійної міцності і міцності на зсув металополімерного покриття щодо основи

Визначення міцності покриття на зрушення щодо основи проводилося за стандартною схемою навантаження (рис. 4.5, а). Для експериментальної оцінки величини адгезійної міцності зчеплення покриттів на основі металлополімерів з матеріалом підкладки була обрана одна з модифікацій відомої схеми «штифта», наведена на рис. 4.5, б.

Рисунок 4.5. Схеми випробування зразків із шаром покриття при визначенні міцності покриття на зрушення щодо основи - (а) і адгезійної міцності зчеплення шару з основою - (б)

Використовувані схеми випробування найбільш повно відповідає реальним умовам взаємодії матеріалів покриття і підкладки, коли має місце руйнування по розділяє їх між фазні кордони, що і спостерігається на деталях з металополімерними покриттями. При нанесенні таких покриттів між фазна межа чітко визначена, так як зчеплення матеріалів відбувається без утворення нової мікроструктури на кордоні сполучення шарів.

Експериментальне визначення міцності на зрушення τ_сдв і адгезійної міцності зчеплення металополімерного покриття зі сталевою основою σ_адг проводилися на зразках зі сталі 45 з металополімерних покриттям «Якість Суперіор». Спочатку виготовлялися зразки сталевої основи у вигляді пластин прямокутної форми з розмірами 3х10х40 мм. Потім на шліфовану і знежирену поверхню зразків відповідно до технологічної інструкції наносився шар металополімерна «Якість Суперіор» товщиною 2 мм. На готових зразках тонким алмазним відрізним кругом АОК 105х0,5 виконувалися надрізи для реалізації стандартних схем механічних випробувань з визначення міцності нанесеного шару покриття на зрушення (рис. 4.5, а) і на відрив від основи (рис. 4.5, б).

Механічні випробування виконувалися на розривній машині FP-10 з максимальним зусиллям, що розвивається машиною до 1000Н. Значення адгезійної міцності покриття σ_адг на відрив визначалося з відносини руйнівного навантаження до сумарної площі двох смужок, за якими відбувався відрив покриття від основи. Середнє значення адгезійної міцності шару покриття σ_адг на відрив (табл. 4.2), визначалося по 5 випробуваним зразкам і одно

σ_адг = 17,4 ± 0,8МПа, що практично збігається з даними виробника металополімер «Якість Суперіор». Значення міцності на зрушення τ_сдв визначалося з відносини руйнівного навантаження до величини площі смужки зламу, по якій відбувалося руйнування за механізмом зсуву покриття щодо основи. Середнє значення міцності шару при зсуві (табл. 4.2), визначалося також по 5 випробуваним зразкам і одно τ_сдв = 28 ± 2МПа.

Отримані значення добре корелюють з паспортними даними на цей матеріал (див. табл. 4.1).

Таблиця 4.2. Результати експериментального визначення адгезійної міцності металополімерного покриття і міцності на зрушення

Вид випробування	№№ Зразка	Площа злому, мм2	Руйнівне навантаження, Н	Міцність, МПа
Відрив	1	21,1	360,8	17,1
Відрив	2	20,6	356,4	17,3
Відрив	3	20,8	351,5	16,9
Відрив	4	22,0	387,2	17,6
Відрив	5	21,2	385,8	18,2
			Середнє значення	σадг=17,4 ±0,8
Зрушення	1	12,3	328	26
Зрушення	2	12,9	362	28
Зрушення	3	11,5	345	30
Зрушення	4	13,0	338	26
Зрушення	5	11,3	328	29
			Середнє значення	τсдв= 28± 2

5. Експериментальне дослідження зношування зразків матеріалів з покриттями, що наносяться на деталі машин

5.1 Експериментальне дослідження зношування зразків з детонаційними покриттями

Для визначення оптимального поєднання стали з матеріалами, які можна використовувати для відновлення зношених деталей, зокрема, сталевого штока гідроциліндра, використовуючи технологію детонаційних покриттів проводили чотири серії випробувань. При цьому досліджувалися чотири комбінації пар тертя:

• сталь 45 - сталь 45;

• сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС;

• сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН;

• сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН.

Дослідження і визначення величини зношування Δh і коефіцієнта тертя f виконувалися після остаточної підробітки зразків. Величина Δh обчислювалася по зміні довжини лунки, яка визначається за допомогою мікроскопа. В процесі експерименту визначалися значення коефіцієнта тертя при різних рівнях докладання контактного тиску. Змазування тертьових зразків здійснювалося крапельним способом. Як мастила використовувалося масло марки І-20 (ТУ-38-101-50-70, ГОСТ 20799-75).

Експериментальні значення Δh, отримані при випробуванні детонаційних покриттів, наведені в табл. 5.1. Графіки залежностей величини зношування Δh від шляху тертя наведені на рисунках 5.1, 5.3, 5.5, 5.7. Експериментальні параметри, вимірювані для визначення коефіцієнта тертя f представлені в табл. 5.2. Отримані при випробуванні зразків з перерахованими покриттями залежності величини коефіцієнта тертя від рівня контактних напруг наведені на малюнках 5.2, 5.4, 5.6, 5.8.

Отримані в результаті експерименту табличні дані та графічні залежності при обраній методиці проведення досліджень дають можливість провести їх обробку по етапах, кожен з яких зводиться до визначення емпіричних залежностей між двома змінними, що об'єднуються в подальшому в одну формулу. Криві, що описують залежності величини зношування Δh від шляху тертя Т, відповідають графічній апроксимації дрібно-лінійні функції, , а криві, що описують залежності для величини коефіцієнта тертя f від прикладених тисків p - апроксимації показовою функції. Для визначення значень параметрів цих кривих, відповідних інтерпретації графіків на рис. 5.1… 5.8, прологарифмируем обидві частини рівнянь и . Побудуємо графіки в координатах lgp - lgf, lgΔh - lgT і визначимо числові значення параметрів емпіричних формул. Для цього використовуємо метод середніх і, розбиваючи результати спостережень на групи з трьох і чотирьох чисел кожна, визначимо числові значення параметрів а, b, с.

Отримані таким чином емпіричні залежності мають такий вигляд:

Пара тертя сталь 45 - сталь 45 (рис. 5.1, 5.12):

;                                          (5.1)

.                                                  (5.2)

Рисунок 5.1. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя сталь 45 - сталь 45

Рисунок 5.2. Залежність коефіцієнта тертя f від рівня прекладеного тиску Р для пари тертя сталь 45 - сталь 45

Пара тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС (Рис. 5.14, 5.15):

;                               (5.3)

.                                        (5.4)

Рисунок 5.3. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС

Рисунок 5.4. Залежність коефіцієнта тертя f від рівня прикладеного тиску Р для пари тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС

Пара тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН (Рис. 5.5, 5.6):

                                          (5.5)

                                                  (5.6)

Рисунок 5.5. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН

Рисунок 5.6. Залежність коефіцієнта тертя f від рівня прикладеного тиску p для пари тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН

Пара тертя сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН (рис. 5.7, 5.8).

;                              (5.7)

.                                                  (5.8)

Рисунок 5.7. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН

Рисунок 5.8. Залежність коефіцієнта тертя f від рівня прикладеного тиску p для пари тертя сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН

Похибка обчислень за формулами (5.3)… (5.8) не перевищує 10% від отриманих експериментальних значень, що легко встановити з наведених графіків.

Проводячи порівняльний аналіз графіків експериментальних залежностях і емпіричних формул, можна відзначити наступне:

найбільшої зносостійкість володіє пара тертя сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН. Середнє значення розміру зносу у даної пари в 6,7 рази менше, ніж у пари тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС, в два рази менше, ніж у пари тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН;

найкращими антифрикційними властивостями і найменшими значеннями коефіцієнта тертя має пара тертя сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН. Середнє значення коефіцієнта тертя у даної пари в 1,7 рази менше, ніж у пари тертя сталь 45 - сталь 45, в 1,5 рази менше, ніж у пари тертя сталь 45 з покриттям НАС - сталь 45 з покриттям КХН;

так як порошкові матеріали на нікелевій основі виробляються вітчизняною промисловістю, то доцільно їх застосовувати для нанесення детонаційних покриттів;

для більш детальних досліджень нанесення детонаційних покриттів і визначення номенклатури відновлюваних деталей доцільно провести випробування реальних машин з деталями, відновленими детонаційними покриттями;

залежно (5.3)… (5.8) можна застосовувати для прогнозування довговічності відновлених вузлів і антифрикційних властивостей відновлених поверхонь в діапазоні зміни величин питомих тисків, що відповідають умовам експериментального дослідження.

Таблиця 5.1. Експериментальні значення Δh і Т при дослідженні зносостійкості детонаційних покриттів

пара тертя	Середнє значення величини зношування Δh, мм
Сталь45 - сталь 45	0,008	0,010	0,013	0,020	0,028	0,042	0,060	0,072	0,086
Шлях тертя T∙106 мм	0,25	1,5	5,6	58,2	113,6	148,6	212,5	288.2	245,0
Сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС	0.001	0,003	0,005	0,007	0,009	0,094	0,012	0,013	0,015
Шлях тертя T∙106 мм	0,33	2,2	6,12	60,5	122,5	160,5	220,8	278,8	350,5
Сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН	0,002	0,003	0,004	0,008	0.009	0,010	0,012	0,022	0,032
Шлях тертя T∙106 мм	0,35	2,8	5,8	68,2	130,5	152,8	210,5	260,7	348,7
Сталь 45 - сталь 45 з покриттям КХН	0,001	0,002	0,002	0,005	0,006	0,007	0,008	0,009	0,012
Шлях тертя T∙106 мм	0,28	1,8	4,8	57,2	128,8	158,6	222,1	248,5	380,6

Таблиця 5.2. Вимірювані значення коефіцієнта тертя f і контактних тисків p при дослідженні зношування детонаційних покриттів НАС і КХН

№	пара тертя	Величина коефіцієнта тертя
1	Сталь45 - сталь 45	0,07	0,065	0,050	0,044	0,041	0,041	0,041
	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40
2	Сталь 45 - сталь 45 з покриттям НАС	0,07	0,046	0,041	0,040	0,038	0,038	0,039
	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40
3	Сталь 45 с покриттям НАС - сталь 45 с покриттям KXH	0,077	0,047	0,047	0,045	0,042	0,040	0,041
	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40
4	Сталь 45 покриттям НАС - сталь 45 з покриттям KXH	0,042	0,030	0,028	0,026	0,026	0,026	0,031
	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40

5.2 Експериментальне дослідження зношування зразків з покриттями на основі металополімеру

При дослідженні процесу зношування зразків з бронзи БрО12 і стали 45 в початковому стані і з відновлюють металополімерними покриттями, були проведені чотири серії випробувань на зразках наступних пар тертя:

бронза БрО12 - бронза БрО12;

бронза БрО12 - бронза БрО12 з покриттям на основі металополімер «Стандарт»;

сталь 45 - сталь 45 з покриттям на основі металополімер «Якість Суперіор»;

бронза БрО12 з покриттям на основі металополімер «Стандарт» - сталь 45 з покриттям на основі металополімер «Якість Суперіор».

Дослідження по визначенню величини зношування Δh і коефіцієнта тертя f виконувалися після остаточної підробітки зразків. Як і при випробуваннях детонаційних покриттів, величина Δh обчислювалася по зміні довжини лунки, яка визначається за допомогою мікроскопа, а значення коефіцієнта тертя при різних умовах навантаження, характеризувалися різними значеннями питомих тисків. Змазування контактних поверхонь зразків здійснювалося крапельним способом. Як мастила використовувалося масло марки І-20 (ТУ-38-101-50-70; ГОСТ 20799-75).

Експериментальні значення Δh, отримані при випробуванні детонаційних покриттів, наведені в табл. 5.3. Графіки залежностей величини зношування Δh від шляху тертя наведені на малюнках 5.9, 5.11, 5.13, 5.15. Експериментальні параметри, вимірювані для визначення коефіцієнта тертя f представлені в

табл. 5.4. Отримані при випробуваннях зразків з цими покриттями залежності величини коефіцієнта тертя від прикладених тисків наведені на малюнках 5.10, 5.12, 5.14, 5.16.

Апроксимацією графічних залежностей, як і при обробці результатів випробувань детонаційних покриттів, були отримані емпіричні формули залежно величин Δh від шляху тертя Т і f від контактного тиску для зразків БрО12 і стали 45 в початковому стані і з металополімерними покриттями. При цьому похибка обчислень за формулами (5.9)… (5.16) не перевищувала 22% від отриманих експериментальних значень, що випливає з порівняння експериментальних і розрахункових залежностей наведених на графіках. Велика похибка в порівнянні з залежностями для детонаційних покриттів пояснюється великим розсіюванням значень фізико-механічних характеристик металополімеру в порівнянні з металічними композитами, що наносяться детонаційними методом.

Пара тертя бронза БрО12 - бронза БрО12 (Рис. 5.9 - 5.10):

                              (5.9)

                                         (5.10)

Рисунок 5.9. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя бронза БрО12 - бронза БрО12

Рисунок 5.10. Залежність коефіцієнта тертя f від контактного тиску Р для пари тертя бронза БрО12 - Бронза БрО12

Пара тертя бронза БрО12 - бронза БрО12 з покриттям на основі металополімер «Стандарт» (Рис. 5.11, 5.12):

                                         (5.11)

                                                  (5.12)

Рисунок 5.11. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя бронза БрО12 - бронза БрО12 з металополімеру «Стандарт»

Рисунок 5.12. Залежність коефіцієнта тертя f від питомої тиску p для пари тертя бронза БрО12 - бронза БрО12 з металополімеру «Стандарт»

Пара тертя сталь 45 - сталь 45 з покриттям на основі металополімеру «Якість Суперіор» (Рис. 5.13, 5.14):

                              (5.13)

;                                                  (5.14)

Рисунок 5.13. Залежність величини зношування Δh від шляху тертя Т для пари тертя сталь 45 - сталь 45 з металополімеру «Якість Суперіор»

Рисунок 5.14. Залежність коефіцієнта тертя f від питомої тиску p для пари тертя сталь 45 - сталь 45 з металополімеру «Якість Суперіор»

Пара тертя бронза БрО12 з покриттям на основі металополімеру «Стандарт» - Сталь 45 з покриттям на основі металополімеру «Якість Суперіор» (Рис. 5.15 - 5.16):

                             (5.15)

                                              (5.16)

Рисунок 5.16. Залежність коефіцієнта тертя f від питомої тиску Р для пари тертя бронза БрО12 з металополімеру «Стандарт» - сталь 45 з металополімеру «Якість Суперіор»

Виходячи з порівняння результатів експериментальних дослідження і розрахунків за емпіричними формулами, можна відзначити наступне:

·        покриття на основі металополімеру «Стандарт» і металополімеру «Якість Суперіор» мають високі антифрикційні характеристики і зносостійкість при достатній міцності зєднання з матеріалом підкладки - в процесі експерименту покриття не мали відколів, тріщин і відшарувань - і можуть бути рекомендовані для відновлення деталей машин;

·        найбільшої зносостійкість володіє пара тертя бронза БрО12 з покриттям на основі металополімеру «Стандарт» - Сталь 45 з покриттям на основі металополімеру «Якість Супериор»; середнє значення Δh цієї пари матеріалів в два рази і більше разів менше, ніж у пар тертя з інших матеріалів;

·        ця пара матеріалів володіє і найкращими антифрикційними властивостями - середнє значення коефіцієнта тертя f менше, ніж у пар тертя з інших матеріалів більш ніж на 20%.

Таблиця 5.3. Експериментальні значення Δh і Т при дослідженні зношуванні металополімерних покриттів.

Пара тертя	Величина середнього зношування зразків Δh, мм
Бронза БрО12 - бронза БрО12	0,009	0,012	0,013	0,022	0,03	0,048	0,071	0,09	0,012
Шлях тертя T∙106 мм	0,22	2,80	4,98	55,17	126,5	151,3	228,9	279,2	316,8
Бронза БрО12 - бронза БрО12, металополимер «Стандарт»	0,008	0,010	0,012	0,019	0,025	0,041	0,065	0,082	0,10
Шлях тертя T∙106 мм	0,26	3,1	5,27	61,80	131,3	162,5	230,2	282,6	330,5
Сталь 45 - Сталь 45 з металополімером «Качество Суперіор»	0,008	0,009	0,010	0,017	0,023	0,040	0,058	0,062	0,080
Шлях тертя T∙106 мм	0,31	3,42	4,9	54,3	128,8	157,3	241,2	272,3	315,6
Бронза БрО12, металополимер «Стандарт» - Сталь 45 з Металополімером «Качество Суперіор»	0,006	0,007	0,009	0,009	0,010	0,015	0,022	0,033	0,048
Шлях тертя T∙106 мм	0,35	2,6	5,6	62,4	137,2	166,3	246,5	280,4	368,5

Таблиця 5.4. Експериментальні значення коефіцієнта тертя f і контактних тисків p при дослідженні металополімерних покриттів

№	Пара тертя	Величина коефіцієнта тертя f
1.1	Бронза БрО12 - бронза БрО 12	0,07	0,055	0.050	0,048	0,044	0,043	0,041
1.2	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40
2.1	Бронза БрО12 - бронза БрО12, металополімер «Стандарт»	0,06	0,050	0,048	0,047	0,043	0,041	0,040
2.2	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1.20	1,60	1,80	2,00	2,40
3.1	Сталь 45 - Сталь45 з металополімером «Качество Супериор»	0,071	0,066	0,060	0,055	0,048	0,046	0,042
3.2	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40
4.1	Бронза БрО12, метало полімер «Стандарт» - Сталь 45 з металополімером «Качество Супериор»	0,060	0,055	0,048	0,044	0,041	0,038	0,038
4.2	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,80	1,20	1,60	1,80	2,00	2,40

.3 Експериментальне дослідження зношування зразків з покриттями на основі металополімерів в присутності вільного абразиву

Експериментальне дослідження абразивного зношування зразків стали 45 і БрО12 в початковому стані і з металополімерних покриттям «Якість Суперіор» проводилося на машині тертя типу СМЦ - 2. (рис. 5. 17).

Результати, отримані при експериментальному дослідженні кінетики зношування зразків БрО12 і стали 45 в початковому стані і з покриттями в середовищах, що містять вільний абразив, наведені на рис. 5.17 - 5.24 і в таблицях 5.5 і 5.6.

Такі специфічні поєднання зношуються зразків, матеріалів контр тіло і середовищ (масло), що містять абразив обрані з міркування необхідності відтворити вплив присутність вільного абразиву на процес зношування матеріалів, як можна більш наближене до умов роботи досліджуваних пар тертя, а саме покриття на сталевому штоку гідроциліндра щодо гумової манжети, а також взаємодія металополімерного покриття на лопатці помпи з абразивом.

Результати випробувань дозволили встановити, що присутність вільного абразиву в парі тертя «БрО12 - БрО12» збільшило інтенсивність зношування зразка практично в три рази (рис. 5.17) в порівнянні з інтенсивністю зношування вихідної пари без присутності вільного абразиву (рис. 5.9).

Далі, якщо наявність металополімерного покриття на зразок з БрО12 практично не змінило осереднення інтенсивності його зношування, щодо інтенсивності зношування вихідної пари тертя (див. рис. 5.9 і рис. 5.11), тобто, вона залишилася того ж порядку. То в разі наявності вільного абразиву, інтенсивність зношування зразка з металополімерних покриттям зменшується в порівнянні з вихідною парою тертя «БрО12-БрО12» (без присутності вільного абразиву) в 2,5 рази і в 3 рази в порівнянні з парою тертя «БрО12 - абразив - БрО12» (в присутності вільного абразиву).

Таблиця 5.5. Експериментальні значення величини зношування Δh і відповідні їм значення довжини шляху тертя Т при дослідженні процесу зношування металополімерних покриттів на зразках бронзи БрО12 і стали 45 в середовищах містять вільний абразив

№	Пара тертя	Величини середнього зношування зразків Δh.10-3, мм
1.1.	Бронза БрО12 по бронзе БрО12	30	419	67	97	120	136	146	157
1.2.	Шлях тертя T∙106 мм	2,5	4,5	49	118	189	229	285	329
2.1.	Металополімер «Качество Супериор» на бронзе БрО12 по бронзі БрО12	10	14	18	26	30	32	38	48
2.2.	Шлях тертя T∙106 мм	2,9	5,1	45	112	177	221	292	338
3.1.	Сталь 45 по гумі в середовищі масла И-20	3	5	7	10	11	12	18	27
3.2.	Шлях тертя T∙106 мм	2,2	5,4	38	108	182	224	302	350
4.1.	Сталь 45 з металополімером «Качество Супериор» по гумі в середовищі масла И-20		3,1	4,2	5,2	7,6	8,2	8,3	8,7	9,6
4.2.	Шлях тертя T∙106 мм	2	5	43	112	182	213	302	352	393

Таблиця 5.6. Експериментальні значення коефіцієнта тертя f і при відповідних контактних тисках Р при дослідженні зношування металополімерних покриттів, нанесених на зразки стали і бронзи, в присутності вільного абразиву

№	Пара тертя	Величини коефіцієнта тертя f
1.1.	Бронза БрО12 по бронзі БрО12	0,066	0,055	0,058	0,068	0,074	0,082	0,096
1.2.	Контактний тиск Р, МПа	0,42	0,8	1,2	1,6	1,8	2,0	2,4
2.1.	Металлополимер «Качество Супериор» (на бронзе БрО12) по бронзе БрО12	0,042	0,03	0,026	0,025	0,02	0,024	0,032
2.2.	Контактний тиск Р, МПа	0,38	0,82	1,3	1,6	1,75	1,9	2,3
3.1.	Сталь 45 по гумі в середовищі масла И-20 з піском	0,027	0,028	0,026	0,028	0,032	0,036	0,046
3.2.	Контактний тиск Р, МПа	0,35	0,8	1,25	1,5	1,72	2,0	2,4
4.1.	Сталь 45 з металополімером «Качество Супериор» по гумі в середовищі мастила И-20	0,018	0,02	0,026	0,025	0,02	0,024	0,32
4.2.	Контактний тиск Р, МПа	0,3	0,78	1,2	1,45	1,65	1,86	2,21

Рисунок 5.17. Залежність величини зношування від шляху тертя для пари тертя «бронза БрО12 по бронзі БрО12»

Рисунок 5.18. Залежність величини коефіцієнта тертя від рівня прикладеного тиску для пари тертя «бронза БрО12 по бронзі БрО12»

Вважаємо, що першопричина такого впливу присутності вільного абразиву на процес зношування укладена в зміні коефіцієнта тертя. Так для всіх трьох пар тертя «БрО12-БрО12», «металополімер на БрО12 - БрО12» і «БрО12 - абразив - БрО12» коефіцієнт тертя залишався одного порядку без істотних змін (див. рис. 5.10, 5.12 і 5.18). Але введення вільного абразиву в пару тертя «металополімеру на бронзі БрО12 - абразив - БрО12» позначається радикально на зміну не тільки інтенсивності зношування металополімерного покриття (рис. 5.19), а й практично дворазове зменшення коефіцієнта тертя (рис. 5.20). Причому, якщо в досліджуваних парах тертя без присутності абразиву спостерігається стійке зменшення величини коефіцієнта тертя зі збільшенням контактних тисків, що цілком ймовірно викликане припрацюванням пари тертя. Присутність абразиву в парах тертя призводить в початковому періоді до зменшення величини коефіцієнта тертя, а потім спостерігається його стійке зростання, обумовлений, очевидно, дробленням округлих зерен піску, які перетворюються в більш дрібні, але гострі абразивні частинки, які інтенсивно руйнують металополімерне покриття (рис. 5.20).

Рисунок 5.19. Залежність величини зношування зразка бронзи БрО12 з покриттям «Якість Суперіор» при терті по бронзі, від шляху тертя Т

Рисунок 5.20. Залежність величини коефіцієнта тертя зразка бронзи БрО12 з покриттям «Якість Суперіор» при терті по бронзі БрО12, від величини контактного тиску Р

Рисунок 5. 21. Залежність величини зношування зразка Стали 45 при терті по гумі в присутності мастила І-20, містить пісок, від шляху тертя Т

Рисунок 5. 22. Залежність величини коефіцієнта тертя зразка Стали 45 при терті по гумі в присутності мастила І-20, що містить пісок, від величини контактного тиску Р

Рисунок 5.23. Залежність величини зношування зразка покриття з металополімеру «Якість Суперіор» на Стали 45 при терті по гумі в присутності мастила І-20, від шляху тертя Т

Рис. 5. 24. Залежність величини коефіцієнта тертя зразка покриття з металополімеру «Якість Суперіор» на Стали 45 при терті по гумі в присутності мастила І-20, від величини контактного тиску Р

Аналогічний вплив присутності вільного абразиву між парами тертя спостерігався і на процесі зношування пар тертя на основі стали 45 (в початковому стані і з металополімерних покриттям (рис. 5.21 і 5.22), а також при зміні відповідних їм коефіцієнтів тертя (рис. 5.21 і 5.22). Очевидно, що механізми пошкодження поверхонь матеріалів зразків в цьому випадку були подібні до тих, які спостерігалися при зношуванні пар тертя на основі БрО12.

5.4 Аналіз мікроструктури поверхневих шарів металополімерних покриттів

Аналіз мікроструктури проводився на зразках зі сталі 45 з металополімерним покриттям «Якість Суперіор», які піддавалися зношуванню на машині тертя типу СМЦ - 2 по гумовій підкладці в середовищі мастила, тривалістю 1 год - зразок №1, 2 години - зразок №3 і 3 години - зразок №4 під тиском на зразок 3,0 МПа. З огляду на те, що частота обертання машини тертя діаметром 50 мм становила 450 об/хв (тобто окружна швидкість 2,2 м / с), зазначені часи тривалості випробування відповідають довжині шляху тертя 9,52 км - (зразок №1); 30,04 км - (№3) і 60,56 км - (№4), відповідно.

Аналіз стану мікроструктури зношених поверхонь покриттів виконувався на мікроскопі «ПМТ-3».

Спочатку була здійснена зйомка загального вигляду поверхонь зносу зразків з покриттями, що пройшли різні шляхи тертя (табл. 5.8) - і відповідні їм характеристичні випромінювання з розподілених в поверхневому шарі компонентів - рис. 5.25 б, 5.26 б. Найбільш інформативним при дослідженні механізмів зношування безумовно є аналіз характеристичного випромінювання від компонентів, що входять до складу вихідного матеріалу пари тертя, а також розподіл елементів продуктів зносу по поверхні досліджуваного зразка, зокрема, по поверхні металополімерного покриття на сталі 45, на різних етапах процесу зношування зразків.

Таблиця 5.7. Тривалість дослідів по зношування зразків стали 45 з металополімерних покриттям «Якість Суперіор» та відповідні їм значення втрати маси зразків

№№	Тривалість досліду, год	Вага зразка до випробувань г	Вага зразка після випробування, г
1	1	50,326	50,303	0,023
2	2	51,350	51,303	0,047

Таблиця 5.8. Динаміка зміни змісту в поверхні шарі покриття фрагментів піску (SiО) - Si і фрагментів гуми S (сірка - один з компонентів гуми)

№ зразка	№1	№2
Елемент	Ваговий%	Ваговий%
C	81.00	77.28
Si	5.49	6.26
S	1.27	1.22
Fe	12.23	15.25
Всего	100.00	100.00

Як випливає з аналізу характеристичного випромінювання, абразивні частинки з поверхонь зношуваних покриттів, досягають величини 10…20 мкм що істотно менше вихідних (середніх) розмірів зерен абразиву 0,25 мм. Це означає, що відбувається дроблення зерен абразиву на фрагменти і шаржування їх в поверхневий шар покриття. Причому, як випливає з рентгенострутурного аналізу поверхонь випробуваних зразків (див. табл. 5.8), зі збільшенням шляху, тертя зростає, що спостерігається і на наведених загальних видах розподілу елементів на поверхнях зношуваних покриттів.

Проаналізуємо дані, наведені в таблиці 5.8. і відзначимо наступні явища:

відбувається зменшення концентрації вуглецю (характеристичне випромінювання (С) в поверхневому шарі покриття. Вуглець входить в хімічну сполуку епоксидної смоли, яка є основним компонентом сполучної металополімерного покриття «Якість Суперіор».

на зношених поверхнях покриттів спостерігається збільшення концентрації сірки (див. табл. 5.8 з 1,27% до 2,74%), одного з компонентів гуми. Очевидно, присутність сірки на поверхні зносу не що інше, як фрагменти продуктів зношування гумової манжети.

Цілком ймовірно це обумовлюється тим, що на початкових етапах в мастилі залишається достатня кількість цілих зерен абразиву, які утримують там на поверхні і перебувають в стані тертя, близького до умов тертя кочення.

а

б

Рисунок 5.25. Загальний вигляд структури поверхні зносу металополімерного покриття зразка №1 - (а) і характеристичного випромінювання основних його складових - (б)

а

б

Рисунок 5.26. Загальний вигляд структури поверхні зносу металополімерного покриття на зразку №2 - (а) і характеристичного випромінювання основних його складових - (б)

По-перше, в парі тертя «сталь 45 - гума» зерна піску руйнуються практично відразу і їх фрагменти з дуже розвиненою поверхнею (осколки), набуваючи значно більшу абразивність, і, як було вже показано вище, починають інтенсивно зношувати поверхню сталевої деталі. По-друге, незважаючи на те, що твердість металополімерного покриття істотно поступається твердості стали 45, його зносостійкість в розглянутих умовах тертя має ряд незаперечних переваг, які обумовлені менш інтенсивним процесом руйнування зерен піску і подальшим шаржуванням фрагментів зруйнованих зерен в поверхневий шар покриття, в результаті чого зносостійкість покриття тільки зростає і зношується зі значно меншою інтенсивністю, ніж сталь 45.

В результаті можна зробити висновок, що метало полімерне покриття на сталевих деталях, які експлуатуються в умовах тертя по гумі в середовищі мастила з високою ймовірністю присутності вільного абразиву, вельми ефективні не тільки в сенсі використання їх як відновлювальні покриття, вони можуть істотно підвищити ресурс деталей, які працюють в таких неординарних умовах.

.5 Відновлення роботоздатності деталей машин з використанням зносостійких металополімерних покриттів

На підставі узагальнення результатів виконаних досліджень і рекомендацій фірм, що постачають металлополімери, були вибрані необхідні матеріали і розроблені технологічні процеси нанесення відновних покриттів на деталі машин.

Крім безпосереднього нанесення металлополімерів вони включають етапи підготовки поверхонь з метою їх очищення. Ця операція виконується для забезпечення міцності зчеплення матеріалів покриття і підкладки відновлюваної деталі.

При відновленні роботоздатності деталей нанесенням покриттів і визначенні характеристик їх зносостійкості і адгезійної міцності необхідно оцінювати особливості ушкоджень конкретних деталей: відносні розміри дефектів на її поверхні, глибину ушкоджень, співвідношення розмірів шару, що наноситься покриття і підкладки. Застосування металлополімерів як відновлювальних покриттів вимагає певної технології, що полягає в підготовці поверхонь, на які наносяться покриття. Проводиться комплекс робіт, доступу до деталі, що підлягає відновленню або ремонту, включає:

. Видалення механічним способом - інструментом, наждачним кругом або шкіркою, піскоструминної обробкою і т. п. - забруднень і корозії в зоні ремонту. Ступінь очищення при цій операції контролюється візуально або за допомогою приладів або реактивів;

. Механічну обробку поверхні, відновлюваної деталі з метою підготовки підкладки до прилягання з покриттям. При наявності тріщин - їх сверлять в вершинах для запобігання розвитку; поверхні, що готуються до нанесення покриттів, до грубої шорсткості (R_z»175 мкм), крім того, при необхідності, на них наносять канавки і т. п. Перед механічною обробкою проводиться хімічне очищення і знежирення поверхні, дотримуючись рекомендацій фірм-постачальників;

. Після підготовки поверхонь до нанесення покриттів, готується наноситься маса металополімеру, шляхом перемішування компонентів на спеціальній дошці до досягнення рівномірної консистенції без утворення повітряних бульбашок. Далі матеріал покриття наноситься на відновлювальну поверхню або безпосередньо, або на армуючи заставну пластину зі сталевої сітки або склотканини. Металополімер у вигляді рідкої консистенції наносять шприцами.

Таблиця 5.9. Характеристики наскрізних пошкоджень стінок сталевих резервуарів і трубопроводів, що підлягають відновленню металополімер.

№	Тип дефекту	Розміри наскрізного дефекту, протяжність l, мм; площа S, мм2	Максимальний робочий тиск, МПа
1	Наскрізний поперечний лінійний дефект	l < 120	< 56
2	Наскрізний отвір	S < 300 300 < S <400	< 56 < 40

При виконанні відновлювальних робіт із застосуванням металополімерних покриттів, існують технологічні особливості, пов'язані з характером пошкоджень різних типів деталей і вузлів машин. В основному вони визначаються типовими пошкодженнями, що виникають в машинах певного призначення.

Металополімери застосовують для ліквідації пошкоджень при ремонті корпусів редукторів, насосів і деталей. Характеристика типових пошкоджень приведена в табл. 5.9.

Рисунок 5.27. Схема відновлення тріщин

Ці рекомендації можна прийняти і для загального машинобудування. Відновлювальні роботи при ліквідації пошкоджень включають:

•       Розмітку, розсвердлювання і кернення відновлюючого отвору, по контуру розширюємо приблизно на 20 мм за край пошкодження.

•       Приготування металополімеру.

•       Введення через отвір попередньо очищеної і механічно обробленої підкладної пластини, відповідно до схеми наведеної на (рис. 5.27).

•        Металополімером заповнюємо трішину пошкодженої деталі.

•       Пошарове заповнення порожнини дефекту.

При відновленні корпусів, різьбових поверхонь, деталей машин зазвичай стикаються з дефектами типу раковин у фланцях і в корпусах, пористістю і т. п. Основними дефектами корпусних деталей є поздовжні тріщини. Так як, зазвичай працюють під тиском, то основною технологічною операцією з підготовки до нанесення покриття є запобігання розвитку дефекту (Рис. 5.28).

Рисунок 5.28. Схема відновлення раковин

При раковинах - їх розрізають за напрямками розвитку пошкоджень. Ремонт некрізних раковин, в тому числі корозійного походження, проводять наступним чином:

•       підготовка дефектної ділянки до відновлення з обов'язковою хімічною обробкою поверхні;

•       визначення товщини стінки на відновлювальній ділянці і площі дефекту;

•       оцінка можливості проведення відновлення некрізних отворів;

•       розмітка, кернение дефекту і грунтування його поверхні металополімерами;

•       пошарове заповнення дефекту металополімером.

Крім описаних операцій, необхідно поверхні дефектів змастити ортофосфорною кислотою, далі встановлюються пристрої, що перешкоджають розтікання маси металополімера до затвердіння і для притиснення маси, нанесеної на поверхню деталі. [11,12].

Технологічні прийоми були застосовані для відновлення роботоздатності деталей машин. За допомогою металополімеру «Суперіор» на сталевій основі (див. табл. 5.9) був відновлений шток гідроциліндра рульового керування.

На рис. 3.2 показаний загальний вигляд характерного ушкодження штока у вигляді канавки, утвореної в результаті абразивного зносу. Потім по ширині канавки виконується підготовча технологічна канавка для подальшого заповнення металополімерами (рис. 5.28).

Перед механічною обробкою на поверхню штока був нанесений шар рідкого металополімеру, після полімеризації шток обточували по ширині його нанесення (рис. 5.29). На рис. 5.30 показаний вид відновленого штока після остаточної механічної обробки.

Рисунок 5.29. Стан поверхні штока гідроциліндра рульового керування після полімеризації металополімер в заповненій їм канавки

Рисунок 5.30. Загальний вигляд відновленого штока гідроциліндра рульового керування після обточування по ширині

.6 Відновлення поверхонь деталей нанесенням покриттів методом детонації

При відновленні деталей методом детонаційного нанесення покриттів, перш за все, вирішується завдання підбору матеріалу покриттів, що володіє необхідними механічними властивостями - пластичністю, твердістю поверхні, міцністю зчеплення з матеріалом основної деталі - а також властивостями антифрикційності і зносостійкості. Такими властивостями володіють покриття з композитів КХН (кобальт, хром, нікель), НАС (нікель, алюміній силіцій). Хімічний склад детонаційних покриттів, їх деякі фізико-механічні характеристики наведені в табл. 5.10.

Нанесення детонаційних покриттів випробовувалось на установці «Дніпро-3» за технологією, розробленою в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАНУ (м. Київ). Як матеріал для детонаційних покриттів КХН і НАС використовувалися порошки нікелю марки ПНЕ-1 ГОСТ 9722-79, кобальту марки ПК-1 ГОСТ 9721-75, алюмінію марки ПА-1 гост 9719-75, силіцій марки ПСЕ-1 ГОСТ 9722-16 -79, хрому марки ПХ-1 ГОСТ 9741-75 і т. п. Гранулометричний склад частинок - 40… 60 мкм - 73%; 10… 40 мкм - 21%; менше 10 мкм - 6%. Порошок типу КХН і НАС є найбільш вдалими поєднаннями кобальту, хрому, нікелю, алюмінію силіцію за механічними властивостями і характеристиками антифрекційнності і зносостійкості.

Установка працює з частотою до 2… 10 пострілів в секунду. Транспортує порошкову суміш газ - азот, робоча газова суміш в камері згоряння - ацетилен або пропан-бутан з киснем, в співвідношенні 1: 1,2. Ступінь заповнення ствола установки при нанесенні покриттів на основі порошків НАС і КХН - відповідно β = 0,49 і β = 0,61.

Таблиця 5.10. Хімічний склад і фізико-механічні характеристики деяких детонаційних покриттів

Марка	Хімічний склад, масова частка %	Розмір частинок мкм	Температура плавлення°С	Твер дістьHRC	Область застосування при відновленні деталей машин
ПН70Ю30	Ni - основа, Al - 28… 33, Fe - 0,2	10…100	1600	40	Стійкий, жаростойкое, працює в окислювальному середовищі при температурах до 1500 ◦С, стійке в лугах, міцність на відрив зі сталлю - до 3,5 МПа. Для термічного обладнання.
ПН85Ю15	Ni - основа, Al - 12… 15, Fe - 0,2	20…160	1400	40	Стійкий, жаростойкое, працює в окислювальному середовищі при температурах до 1300◦С, стійке в лугах, Міцність на відрив зі сталлю - до 4,5 МПа. Добре шліфується. Для посадочних місць валів.
ПН55Т45	Ni - основа, Ti - 43… 47, Fe - 0,2	10… 160	1240	55… 60 без термообработки	Стійке в умовах відсутності ударних навантажень. Міцність на відрив зі сталлю - до 5 МПа. Стійке в лужному і кислому середовищах. Для втулок і валів гідромашин, плунжеров, штоків.
КХН	Ni - основа, Cr - 10, Co - 19	10…100	1500	65	Високо зносостійкі і жароміцні. Міцність на відрив зі сталлю - до 12 МПа. Антифрикційні. Для відновлення деталей вузлів тертя.
НАС	Ni - основа, Al - 12, Si - 6	10… 100	1460	70	Високо зносостійкі і жароміцні. Міцність на відрив зі сталлю - до 12 МПа. Високо антифрикційні. Для відновлення деталей вузлів тертя.

Рисунок 5.31. Параметри детонаційного напилення частинок порошку НАС: 1 - Ni; 2 - Al; 3 - Si. v - швидкість польоту частинок, (м / с); Tч - температура частинок (˚K); l - відстань до напилювальної поверхні, (м)

Параметри детонаційного напилення порошків, швидкість і температура часток наведені на рис. 5.31, 5.32. Так як розрахунок температур, швидкості польоту частинок порошків і їх стовбурні параметри, визначаються методом машинного моделювання за методикою інституту проблем матеріалознавства НАН України, то для практичних цілей відновлення деталей використовують стандартні технології, що подаються при купівлі обладнання для нанесення покриттів на типові деталі.

Перед нанесенням детонаційних покриттів поверхню деталі обробляється до необхідного рівня шорсткості. Вона може піддаватися також струменево-абразивної обробки з розміром частинок 65…125 мкм. Після обробки поверхні її геометрія перевіряється на визначення необхідного рівня шорсткості. Відстань від зрізу ствола установки до оброблюваної поверхні становить 150…250 мм, в залежності від розмірів деталі. Після нанесення покриттів деталь шліфують, після чого якість покриття контролюється профілометром, а також з метою перевірки на наявність тріщин, сколів і відшарувань оптичної мікроскопії або рентгеноспектральним аналізом. Міцність зчеплення покриття з матеріалом підкладки і мікротвердість визначаються за стандартними методиками.

Відновлення проводилося відповідно до рекомендацій ОКТБ Інституту проблем матеріалознавства НАН України (м. Київ). Зношена поверхня поршня була розточена до величин шорсткості 0,2 мм, після чого піддана струменево-абразивної обробки з розміром зерна 80 мкм при тиску стисненого повітря 3,5 атмосфери. Після струменево-абразивної обробки, деталь була обдута сухим стисненим повітрям і знежирена. Частота пострілів становила 2,5 пострілу в секунду. Транспортуюча газова суміш - ацетилен і кисень в співвідношенні 1:1,2.

Товщина покриттів НАС і КХН, нанесених на поверхню відновлюваного штоку склала 220 мкм відповідно до заданого припуску. Після шліфування штоку проводилася його притирання з блоком циліндрів.

Висновки

1. Високу зносостійкість зразків з металлополімерним покриттям можна пояснити істотною піддатливістю металлополімерів при локальному деформуванні без пластичних деформацій. Тобто при вдавлюванні абразивної частинки в шар покриття, що відбувається в процесі трибологічних випробувань, проведених на машині зношування «СМЦ-2» з абразивом або при її зіткненні з поверхнею покриття, що призводять до руйнування поверхневого шару і, отже, до його зношування.

. В процесі зношування металополімерного покриття відбувається перерозподіл елементів в поверхневому шарі. Зокрема, концентрація вуглецю зменшується, а сірки - збільшується, що приводить до утворення на його поверхні вторинних структур і, як наслідок, підвищенню зносостійкості.

Загальні висновки

На підставі проведеного дослідження доведено ефективність нанесення композиційних металевих і металополімерних покриттів для відновлення зношених деталей машин експлуатованих в умовах абразивного зношування і які дозволяють практично повністю відновлювати їх вихідний ресурс.

. Виконано аналіз видів зношування ряду деталей машин, експлуатованих в умовах абразивного зношування;

. Виконано експериментальне дослідження процесу абразивного зношування матеріалів металополімерних і детонаційних покриттів з різними наповнювачами і отримані відповідні залежності зношування від шляху тертя і коефіцієнтів тертя від рівня контактних тисків; обґрунтований вибір певних типів і складів металополімерних і детонаційних композиційних покриттів деталей, які забезпечують ефективне відновлення деталей машин; встановлено, що мінімальна інтенсивність зношування I = Δh / ΔT серед досліджених пар тертя з детонаційними покриттями спостерігається в парі тертя «сталь 45 з покриттям НАС - стали 45 з покриття КХН», а серед металополімерних композиційних покриттів мінімальна інтенсивність зношування спостерігається в парі тертя з покриттями з металополімер «Стандарт» і металополімер «Якість Суперіор»;

. Отримані залежності процесу зношування матеріалів метало-пластикових покриттів в присутності вільного абразиву; показано, що нанесення металополімерного покриття на сталеву основу знижує в 2 рази інтенсивність зношування системи тертя «металополімерне покриття на сталевій основі - абразив - гума» в порівнянні з інтенсивністю зношування сталевої основи без металополімерного покриття в парі тертя з гумою в присутності оливи І-20 з піском; висунута гіпотеза про те, що з-за того, що рівень контактних напружень між абразивними частинками і металополімерними покриттями не досягає рівня напруги, який призводить зерна піску до руйнування, це сприяє формуванню в парі тертя умов (при наявності змащування і цілісності зерен піску), які сприяють виникненню умов тертя кочення замість тертя ковзання, про що свідчать істотно менші величини інтенсивності зношування і коефіцієнта тертя (f = 0,02);

. Виконано моделювання розподілу контактних тисків в шарі покриття з урахуванням міцності зчеплення покриття з основою і величини коефіцієнта тертя;

. Доведено, що відновлення роботоздатності деталей машин, яка втрачена в результаті абразивного зношування (в процесі їх експлуатації), за допомогою нанесення композиційних металополімерних або металевих детонаційних покриттів, є ефективним. На підставі проведених натурних випробувань відновлених деталей показано, що нанесення композиційних металевих або металополімерних покриттів дозволяє практично повністю відновлювати їх вихідний ресурс. Проведено експлуатаційні дослідження відновлених деталей робочих поверхонь: сталевих штоку гідроциліндра рульового керування, поршневої групи, тощо. Рекомендації щодо відновлення зношених деталей застосовані під час ремонту перелічених деталей на автомобілях компанії «Автобудкомплект-К», (м. Київ, вул. Святошинська, 34).

Список використаної літератури

1.           Зенкин Н.А. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов путем оптимизации упрочняющих технологий. / Н.А. Зенкин, В.И. Копылов. - Біла Церква: ВАТ «Білоцерківська книжна фабрика», 2002. - 270 с.

.             Менделяев И.А. Влияние поверхностной энергии на абразивное изнашивание материалов / И.А. Менделяев, А.Ю. Албагачиев, Г.Н. Сорокин // Трение и износ. - 2004. - Т. 25. - №1. - С. 85 - 92.

3.      Менделяев И.А. Физическая природа разрушения материалов при абразивном изнашивании / И.А. Менделяев, А.Ю. Албагачиев, Г.М. Сорокин // Трение и износ. - 2004. - т. 25. - №2. - С. 148 - 154.

.        Брыков Н.Н. Проблемы сопротивляемости сталей и сплавов абразивному изнашиванию / Н.Н. Брыков, М.Н. Брыков // Проблеми трибології. - 2006. - №1. - С. 93 - 107.

.        Ивашко В.С. Повышение эффективности использования проволочных материалов для ремонта машин активированной электродуговой металлизации / В.С. Ивашко, В.М. Изотко, А.С. Предко и др. // Материалы технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин. - Минск: УП «Технопринт». - 2003. - С. 189 - 191.

.        Ивашко В.С. Оптимизация технологии восстановления изношенных поверхностей деталей машин активированной дуговой металлизацией / В.С. Ивашко, К.В. Буйкус // Инженерия поверхностей и реновация изделий: Материалы МНТК, 28 - 30 мая, Ялта - Киев: АТМ Украина, 2002. - С. 156 - 158.

.        Маркович С.І. Підвищення зносостійкості деталей машин електродуговим напиленням композиційних дротів. Дисертація на здобуття вчен. ступ. канд. техн. наук. зі спец-ті 05.02.04. - Кіровоград, 2007. - 192 с.

.        Васильев О.І. Дослідження впливу природи контактуючих матеріалів на зносостійкість вакуумних іонно - плазмових покриттів в умовах фретинг - корозії / О.І. Васильев, В.В. Присяжнюк // Проблеми тертя та зношування: Наук. - техн. зб. - К.: НАУ, 2006. - Вип.45. - С. 119 - 126.

9.   Киричок П.О. Зміцнення поверхонь металевих деталей: Навчальний посібник / П.О. Киричок, В.Г. Олейник, Т.Ю. Киричок. - К.: Преса України, 2004. - 240 с.

10.    Ющенко К.А. Інженерія поверхні: Підручник / К.А. Ющенко, Ю.С. Борисов, В.Д. Кузнецов і ін. - К.: Наукова думка, 2007. - 55 с.

11.    Шеховцева Е.В. Методы повышения износостойкости зубчатых колес / Е.В. Шеховцева // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. - №4. - С. 51 - 53.

.        Патон Б.Е. Современные электронно - лучевые технологии Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины / Б.Е. Патон // Автоматическая сварка. - 2001. - №2. - С. 3 - 8.

.        Лабунец В.Ф. Тенденції створення захисних структур трибо технічного призначення / В.Ф. Лабунец // Проблеми тертя та зношування: Наук. - техн. зб. - К.: НАУ, 2006 - Вип.45. - С. 107 - 118.

.        Ищенко А.А. Определение механических характеристик ремонтных полимерных материалов / А.А. Ищенко, В.П. Гришко, И.К. Ефимов, Л. Молнар // Защита металлургических машин от поломок. - 2005. - Вып.8. - С. 93 - 98.

15. Корж В.М. Нанесення покриття: Навчальний посібник / В.М. Корж. В.Д Кузнєцов. Ю.С. Борисов. К.А. Ющенко. - К.: Арістей, 2005. - 204 с.

16. Корж В.М. Технологія та обладнання для напилення: Навчальний посібник. - К.: НМЦВО, 2000. - 152 с.

17.    Курчаткин В.В. Надежность и ремонт машин / В.В. Курчаткин, Н.Ф. Тельман, К.А. Ачкасов и др.; Под ред. В.В. Курчаткина. - М.: Колос, 2000. - 776 ст

.        Харламов Ю.А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства, эксплуатации и ремонта машин / Ю.А. Харламов - Тяжелое машиностроение 2000. №2. с. 10-13

.        Какуевицкий В.А. Перспективы применения детонационных покрытий // Автомобильный транспорт. - 1985. - №7. - С. 34 - 36.

.        Какуевицкий В.А. Перспективы применения детонационных покрытий для восстановления деталей машин / В.А. Какуевицкий - Автошляховик України. - 1996. - №3. - С. 31 - 34.

.        Кадиров В.Х. Ефективність застосування детонаційних установок з процесом «Деметон» в авторемонтному виробництві / Кадиров В.Х., Ремесло В.В., Левківський О.П. // Прогрессивные технологии сварки в промышленности: Материалы научно-технического семинара, 20-22 мая 2003 г., - К.: УИЦ «Наука. Техника. Технология». - 2003. - С. 43 - 44.

.        Крагельский И.В. Трение и износ/ И.В. Крагельский. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

.        Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах/ Б.И. Костецкий. - К.: Техника, 1970. - 396 с.

24.    М.Ф. Дмитриченко. Триботехніка та основи надійності машин Дмитриченко М.Ф.Р.Г. Мнацаконов Р.Г. Мікосянчик О.О / Навчальний посібник. - К.: Інформавтодор, 2006. - 216 с.

.        Крагельський И.В. Основы расчотов на трениэ и износ / М.Н. Добычин. В.С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

26. Левківський О.П. Поліпшення експлуатаційних властивостей деталей відновлених детонаційним напиленням. / О.П. Левківський, О.О. Туриця, А.Р. Лосінець // LXХІІ наукова конференція професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів та співробітників відокремлених структурних підрозділів університету: Тези доповідей. - К.: НТУ, 2016. - С. 8.

27.    Арістова А.В. Методичні рекомендації до виконання дипломних і магістерських робіт студентів спеціальності 7.01010401, 8.01010401 «Професійна освіта (транспорт)» / Укл.: А.В. Арістова, Х.Ш. Бахтіярова, С.В. Волобуєва, О.К. Грищук, В.П. Матейчик, В.П. Сахно, С.М. Старовойт, Г.А. Філіпова, М.В. Яцко. - К.: НТУ, 2013. - 36 с.