Разработка и исследование антифрикционных полимерных покрытий на основе фторэластомера СКФ-32, полученных с использованием излучения лазера

Развитие машиностроения и других отраслей, а также создание конкурентоспособных машин и оборудования во многом обусловливается решением проблемы надежности и долговечности узлов трения на основе рационального конструирования, выбора высокоэффективных материалов, упрочняющих технологий и износостойких покрытий, обеспечивающих оптимальные условия трения и высокую сопротивляемость изнашиванию.

При создании современной техники основная тенденция заключается в повышении рабочих скоростей, давлений, рабочих температур при одновременном улучшении эксплуатационных свойств, а также снижении массы на единицу мощности.

Решение указанных проблем невозможно без использования в механических системах деталей, имеющих высокие физико-механические и триботехни-ческие характеристики поверхностных слоев, т.к. в большинстве случаев именно они ответственны за износостойкость, коррозионную стойкость, адгезионную совместимость и другие важнейшие эксплуатационные характеристики.

Постоянное повышение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев способствует появлению новых методов их модификации и упрочнения. При этом эффективность применения различных технологических обработок зависит от того, на сколько полно учитываются особенности эксплуатации и процессы, связанные с адаптацией материалов поверхностных слоев и покрытий к условиям трения.

Целью работы является разработка нового высокоэффективного твердо-смазочного антифрикционного полимерного покрытия на основе фторэластоме-ра СКФ-32, способа его формирования на металлической поверхности излучением непрерывного СОг-лазера и комплексное исследование свойств покрытий. 5.

Для достижения указанных целей были поставлены следующие задачи:

— исследовать закономерности структурных превращений фторэластомера СКФ-32 в виде пленочного покрытия на металлической поверхности при воздействии излучения лазера (ИЛ);

— исследовать влияние различных факторов на условия формирования покрытия и его физико-механические, адгезионные и триботехнические свойства;

— разработать расчетно-экспериментальный метод определения режимов лазерного воздействия;

— разработать методы оценки эксплуатационных свойств покрытий и исследовать влияние обработки их излучением лазера на процессы контактного взаимодействия при трении и изнашивании;

— разработать научно обоснованные рекомендации по выбору толщины покрытий с учетом состояния поверхностей трения и условий контактного нагру-жения;

— разработать метод формирования твердосмазочного антифрикционного покрытия и практические рекомендации по его применению в узлах трения.

Автор выражает глубокую признательность профессору Литинскому Аркадию Овсеевичу за весомый вклад и консультации по Гл. 3 настоящей работы, профессору Тескеру Ефиму Иосифовичу и профессору Чапуркину Виктору Васильевичу. 6.

Выводы.

1. На основании анализа и обобщения литературных данных показана роль поверхностного слоя в обеспечении требуемых эксплуатационных характеристик деталей узлов трения.

2. Рассмотрены процессы, обуславливающие разрушение и износ граничных поверхностных слоев трущихся деталей.

3. Показано, что несущая способность поверхностных слоев увеличивается при наличии устойчивого смазочного слоя, разделяющего поверхности трения. Однако в реальных условиях эксплуатации это трение чаще всего не выполняется и имеет место режим граничного трения, что неблагоприятно сказывается на сопротивляемости изнашиванию.

4. Выполнен анализ триботехнических свойств современных полимерных материалов, применяемых в узлах трения. Показано, что наиболее высокими свойствами обладают фторполимеры. Однако их недостатками является невысокая конструкционная прочность и высокая стоимость деталей.

5. Выполнен анализ исследований, связанных с формированием полимр-ных антифрикционных покрытий. Отмечено, что известные методы модификации металлических поверхностей полимерными материалами на позволяют получать покрытия с требуемыми адгезионными и трибо-техническими свойствами.

6. Показано, что новым и перспективным направлением является разработка лазерных методов получения износостойких антифрикционных смазочных покрытий на основе полимерных материалов. Однако в литературе практически отсутствуют сведения о применении лазерной обработки для формирования таких покрытий.

7. На основании проведенного анализа сформулированы требования к антифрикционным твердосмазочным покрытиям для высоконагруженных деталей узлов трения.

Глава 2. Оборудование и методы для лазерной обработки и экспериментальных исследований свойств полимерных покрытий.

2.1. Оборудование для лазерной обработки.

Для формирования покрытий использовали специально разработанную полимерную композицию [48], которая представляла собой раствор фторированного каучука марки СКФ-32 в смеси органических растворителей. Теоретическое обоснование выбора состава полимерной композиции приводится в гл.З. В качестве источника высококонцентрированного потока энергии (лазерного излучения) использовали промышленный лазерный комплекс «Комета-2». Длина волны непрерывного СОг-лазера равна 10,610'бм. Внешний вид лазерной установки представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Лазерный комплекс «Комета-2». Принципиальная схема комплекса показана на рис. 2.2.

2.2. Методы исследований адгезионных и физико-механических свойств.

На основе анализа закономерностей разрушения поверхностных слоев конструкционных материалов при трении и изнашивании были определены основные характеристики свойств разрабатываемых покрытий, которые определяли при экспериментальных исследованиях и испытаниях.

Известно, что наиболее важной характеристикой триботехнических свойств покрытий является прочность их адгезионного взаимодействия с металлической поверхностью. Исследование адгезионных свойств, разработанных в диссертации покрытий производили двумя методами.

Для оценки прочности сцепления покрытий с носителем (подложкой) использовали метод, основанный на одновременной деформации покрытия и подложки. Нарушение целостности покрытия являлось косвенной оценкой адгезионной прочности или его контакта с металлом. Деформацию осуществляли вдавливанием сферического пуансона в поверхность металлической пластины, толщиной 1 мм на противоположной стороне которой было нанесено покрытие.

Схема испытаний показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема испытаний при оценке адгезионных свойств покрытий: 1- пуансон- 2- опоры- 3- металлическая пластина- 4- покрытие толщиной 8.

В процессе испытаний фиксировали момент появления единичной трещины, сетки трещин или отслоение покрытия. Разрушения покрытий возникали вследствие напряжений растяжения. В качестве показателя адгезионной прочности использовали глубину сферического отпечатка Ь, которой соответсвовало нарушение целостности покрытия.

Описанный метод может применяться в качестве технологической пробы при отработке технологии или оценке качества покрытия.

Адгезионные свойства покрытий изучали также при сдвиге продольной силой Б, образца с покрытием. Испытания осуществляли на установке, предложенной в работе [49]. Схема испытаний приведена на рис. 2.4. Б.

Рис. 2.4. Схема испытаний адгезионных свойств покрытия методом сдвига: 1- нагружающие захваты- 2- образец- 3- покрытие- - сдвигающая сила- - силы трения, Бнагрузка на образец.

Перед испытаниями на торцевых поверхностях металлических образцов с одинаковой исходной шероховатостью формировали покрытия по различным технологическим вариантам (лазерная обработка и термический нагрев). Образец устанавливали между двумя захватами и нагружали силой Б. Затем к образцу прикладывали продольную силу Рн, которую плавно увеличивали до того момента, когда образец начинал перемещаться. При испытаниях фиксировали зна.

40 чения усилий сдвига, которые использовали для определения коэффициента трения покоя. Кроме того, после испытаний изучали состояние покрытий на торцевых поверхностях образцов и оценивали площадь повреждений, вызванных тангенциальной силой.

Для оценки физико-механических свойств покрытий использовали метод индентирования. Суть метода заключается в том, что в металлическую поверхность образца с покрытием вдавливали алмазную пирамиду или шарик диаметром 5 мм. Испытания проводили на микротвердомере ПМТ-З и на приборе Вик-керс. Вдавливание осуществляли при нагрузках 5,10,15 и 20 гс.

В процессе испытаний для каждого значения усилия вдавливания производили измерения отпечатков и фиксировали повреждения покрытия в зоне отпечатков сразу после снятия нагрузки, а также после различных интервалов времени выдержки под нагрузкой, длительность которых варьировали от 3 до 30 секунд. При испытаниях покрытий сформированных, различными технологическими способами (лазерная обработка термический нагрев) в зависимости от времени выдержки и нагрузки происходило частичное или полное восстановление отпечатков. Разработанная методика позволяла производить оценку упруго-пластических свойств и прочности покрытий.

2.3. Методика исследований антифрикционных свойств полимерных покрытий и их смазочного действия.

Испытания на изнашивание осуществляли на машине трения СМТ-1 по специально разработанной методике. Изучение условий трения производили по схеме «вал — частичный вкладыш» (рис. 2.5).

В качестве объекта испытаний были взяты цилиндрические шлифованные образцы — ролики из объемно-закаленной стали 45 с твердостью ИКС 42 -ь 45, на поверхности которых наносили пленочные покрытия, формирование которых производили с помощью лазерного излучения или при объемном изотермическом нагреве. Для сравнительной оценки износостойкости и выявления оптимальных режимов лазерной обработки образцы — ролики изготавливали по различным технологическим вариантам (см. табл.2.1). Во всех опытах контртело (колодка) была изготовлена без покрытия из стали 45 с объемной закалкой до твердости НЕ. С 45. Образцы изготовленные по различным технологическим вариантам испытывали при одинаковых условиях нагружения и смазывания.

Заключение

.

1. Предложена физическая модель, описывающая процесс структурирования фторполимерного материала пленочного покрытия под действием излучения лазера (ИЛ). Показано, что при формировании покрытия под воздействием ИЛ, вследствие полидисперсности обрабатываемого материала (СКФ-32), фотохимические процессы приводят к образованию различных по длине сшивок между макромолекулами. При этом короткие сшивки придают материалу необходимую прочность, а длинные сшивки обеспечивают требуемую эластичность.

2. Предложена физическая модель, объясняющая устойчивое адгезионное взаимодействие покрытия с подложкой, и основанная на том, что молекулы СКФ-32 образуют физические и химические связи с оксидногид-роксидной пленкой, имеющейся на металлической поверхности.

3. Экспериментально доказано, что излучение лазера само инициирует процессы структурирования покрытия, что исключает необходимость добавления в композиционный раствор специальных химических агентов (пероксидов), обеспечивающих структурирование покрытия при других способах энергетического воздействия, например, изотермическим нагревом.

4. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения энергетических характеристик лазерного воздействия при формировании покрытия, получены зависимости, устанавливающие закономерную связь между энергией и количеством связей СКФ-32, участвующих в фотохимических процессах, и технологическими параметрами, характеризуемыми толщиной покрытия, площадью обрабатываемой поверхности, плотностью мощности излучения, временем воздействия и скоростью вращения детали.

5. При испытаниях методом индентирования установлено, что при вдавливании конического индентора в поверхностный слой и выдержки под определенной нагрузкой материал полимерного покрытия, полученного.

120 изотермическим нагревом, разрушается по граням отпечатка. При тех же условиях испытаний покрытий, полученных под действием ИЛ, происходило полное упругое восстановление отпечатка («залечивание» материала). Некоторые частичные разрушения покрытия по граням отпечатка наблюдались только при нагрузках, приводящих к проникновению ин-дентора в металлическую подложку, что соответствовало увеличению нагрузки более чем в два раза.

6. Разработана методика комплексных исследований триботехнических и адгезионных свойств пленочных фторполимерных покрытий на металлических поверхностях, позволяющая изучать особенности контактирования трущихся деталей через полимерный слой, определять основные характеристики процесса трения (момент трения, коэффициент трения, температуру в зоне трения, динамические характеристики трения, сопротивляемость изнашиванию).

7. Триботехническими испытаниями установлено, что разработанные покрытия обладают высоким комплексом антифрикционных свойств, необходимой стойкостью к маслам и выполняют в процессе трения роль эффективной твердой смазки, разделяющей поверхности трения. Показано, что применение разработанных покрытий позволяет в несколько раз снизить коэффициент трения, исключить его осцилляции, снизить температуру в зоне трения, уменьшить динамическую и тепловую на-груженность контакта, в несколько раз повысить сопротивляемость изнашиванию и предотвратить схватывание, особенно на стадии приработки, а также при экстремальных режимах трения.

8. Исследованиями влияния режимов обработки установлено, что недостаточное энерговложение при формировании покрытия ИЛ приводит к уменьшению количества сшивок более чем в два раза и образованию редкосшитой структуры, в результате чего снижаются эксплуатационные свойства. Увеличение энерговложения приводит к развитию деструктивных процессов, что также резко снижает свойства покрытий.

9. Даны практические рекомендации по определению режимов лазерной обработки и требуемой толщины покрытия с учетом характеристик шероховатости и требований к смазочному слою реальных опор скольжения. Изготовление деталей (насосно-компрессорного и другого оборудования) и их испытания на предприятиях ООО «Лукойл-Волгогаднефтепереработка», ООО «Пласткард», ОАО «Импульс», ОАО «Химпром», ОАО «Каустик», ОАО «Волгомясомолторг», ОАО «Завод органического синтеза», ПО «Волгоградэлектротранс» и др., подтверждают увеличение не менее чем в 2 раза износостойкости деталей за счет применения разработанных методов получения полимерных покрытий.