Разработка новых технологий нанесения антифрикционных покрытий на детали

3,33•10?6*

1,86•10?6*

3,36•10?7

3,88•10?7*

2,6

3,12•10?6

3,37•10?6

1,9•10?6

3,12•10?7

3,88•10?7

3,9

3,82•10?6

3,41•10?6

1,94•10?6

2,87•10?7

8,92•10?7

5,2

4,87•10?6

4,12•10?6

1,65•10?6

4,35•10?7*

6,92•10?7

6,5

5,73•10?6*

3,65•10?6

1,49•10?6

8,05•10?7*

7,03•10?7

* ? значение получено экстраполяцией

Из графика 20 видно, что наименьшая интенсивность изнашивания стального контртела наблюдается при трении по покрытиям из сплавов № 4 и № 5 и после 6,5 метров пути трения в 7 - 8 раз меньше интенсивности изнашивания стального контртела при трении по покрытиям из двойного сплава № 1. Причем интенсивности изнашивания контртела при трении по тройным сплавам с течением времени испытаний практически не изменяются, в то время как интенсивность изнашивания контртела при трении по двойному сплаву увеличивается. Таким образом можно сделать вывод, что с увеличением содержания сурьмы в электролите уменьшается интенсивность изнашивания стального контртела.

4. Технические рекомендации по повышению износостойкости пары прения подпятник - планшайба аксиально-поршневого насоса

4.1 Сравнительные результаты стендовых испытаний аксиально-поршневого насоса с подпятниками без покрытия

Стендовые испытания аксиально-поршневого насоса с подпятниками с покрытием и без проводились в соответствии с «Программой и методикой контрольных испытаний деталей насосов и моторов типа А, ПМ10».

В результате стендовых испытаний было установлено:

1. Насос типа А1-56/25.03 с установленными в нем деталями «Подпятник А1-56/25.20.001», на торцевую рабочую поверхность которых было нанесено антифрикционное покрытие тройного сплава Sn-Pb-Sb, соответствует технической документации.

2. Условия работы насоса А1-56/25.03 зав. № 4854 при стендовых испытаниях

№ п/п	Наименование параметра	Ед. изм.	Значение
1	Рабочее давление	МПа	12…18
2	Частота вращения	об/мин	1500
3	Температурный режим	°С	20 -50
4	Длительность испытаний	мото/часы	70

3. Основные параметры насоса А1-56/25.03 зав. № 4854 до и после стендовых испытаний

№ п/п	Наименование параметра	Ед. изм.	Номинальное значение по ТУ	Фактическое значение	Соответствие требованиям ТУ и КД
				в начале испытаний	в конце испытаний
1.	Рабочий объем	см3	12	12,1	12,1	соответствует
2.	Функционирование изделия	?				соответствует
3.	Коэффициент подачи	KQ	не менее 95	96	96	соответствует

4. Результаты внешнего осмотра и обмеров деталей «Подпятник А1-56/25.20.001» с антифрикционным покрытием и контрдетали «Диск опорный А1-56/25.00.006» до испытаний и после испытаний в течение 70 мото/часов

№ п/п	Деталь	Материал	Термообработка	Антифрикц. износост. покрытие	Контрольный размер
					До испыт.	После испыт. в объеме 70 мото/часов
1.	Подпятник А1-56/25.20.001	Бронза БрАЖ9-4 ГОСТ 18175-72	?	Sn-Pb-Sb	4,780	4,780
2.	Диск опорный А1-56/25.00.006	Сталь Х12М ГОСТ 5950-71	HRC 61	?	6,1	6,1

5. На основании анализа значений параметров насоса в начале и в конце испытаний, внешнего осмотра деталей с антифрикционным покрытием и детали, находящейся в контакте с ними во время работы насоса, прошедшего стендовые испытания, а также анализа размеров экспериментальных деталей до и после испытаний, было сделано заключение, что износ, микротрещины и прочие поверхностные дефекты на рабочих поверхностях указанных деталей отсутствуют.

6. Можно считать:

- предъявленные образцы подпятников с антифрикционным покрытием выдержали стендовые испытания;

- применение антифрикционных гальванических покрытий Sn-Pb-Sb позволяет снизить износ подпятников в условиях пуска-остановки насоса, а также в условиях первого запуска насоса без смазки;

- гальванические покрытия Sn-Pb-Sb рабочей поверхности подпятников снижает износ контртела «Диск опорный» и увеличивает ресурс его работы.

4.2 Технологический процесс нанесения покрытия гальваническим методом

1. Входной контроль:

- контроль линейных размеров;

- визуальный осмотр: отсутствие внешних повреждений (сколов, царапин и т. п.).

2. Механическая обработка:

притирка до шероховатости Ra = 0,8 - 2,5 мкм, обеспечивающей оптимальную адгезию к покрытию.

3. Монтажная операция:

- произвести монтаж подпятника на подвеску;

- маскировать нерабочую поверхность.

4. Электрохимическое обезжиривание:

- состав раствора: сода каустическая 5-10 г/л, сода кальцинированная 20 -40 г/л, стекло жидкое 3-5 г/л.

- температура процесса ? 45-50 °С.

- время процесса ? 8 мин.

5. Промывка:

промывка в проточной воде, время промывки 5 минут.

6. Нанесение покрытия:

процесс проводится в электролитической ячейке при U=5 B, катодной плотности j = 4 A/дм2.

Электролит, г/л: фторборат свинца - 100; олова - 30; сурьмы - 23,5; кислота борная - 25; борфторводородная - 80; гидрохенон - 0,5; пептон - 15.

Условия осаждения pH = 2 - 2,5.

Температура t = 18 -25°C.

Толщина покрытия 20 мкм.

Время осаждения - 20 мин.

7. Промывка

8. Сушка изделия

9. Контроль:

- проверка сплошности нанесения покрытия (отсутствие кратеров, капельной фазы) с использованием ?4 оптической лупы.

4.3 Рекомендации по изменению конструкции подпятника

В номинальном режиме работы аксиально-поршневого насоса пара трения подпятник-планшайба работает в условиях гидродинамического режима смазывания. Гидродинамический режим смазывания обеспечивается подачей масла под давлением непосредственно из рабочего объёма плунжера через осевые отверстия O1,2 в плунжере и O1,8 в подпятнике и равномерно распределяется по площади контакта.

Допускаются кратковременные нарушения условия гидродинамического режима смазывания в момент пуска насоса до начала нагнетания масла плунжером.

При первичном запуске насоса трение между подпятником и планшайбой происходит без смазки. Этот период может продолжаться до 30 - 90 с. и характеризуется максимальная интенсивность изнашивания пары трения. При этом в случае использования пары трения стальная планшайба - бронзовый подпятник изнашивается преимущественно более мягкая бронза, следы которой обнаруживаются на планшайбе в виде слоёв массопереноса.

В дальнейшем следы переноса бронзы негативно сказываются на работе пары трения при пуске остановке, когда гидродинамический режим смазки не выполняется.

Использование антифрикционного покрытия системы Pb-Sn-Sb в качестве приработочного слоя исключает контакт бронзы со сталью в момент первичного запуска насоса. Материал предлагаемого покрытия участвует в формировании т.н. третьего тела, то есть тонких слоёв мягкого сплава равномерно распределённого по площади контактирования сопрягаемых тел.

В случае эксплуатации насоса в режимах превышающих номинальные скорости вращения также наблюдается нарушение условия гидродинамического режима смазывания, переход к граничному трению и механическому контактированию трущихся поверхностей. Это приводит к увеличению интенсивности износа, нагреву деталей пары трения и инициации процессов усталостного разрушения. В первую очередь нарушение условия гидродинамического режима смазывания может быть связано с превышением величины скорости скольжения подпятника по планшайбе над величиной скорости ламинарного течения масла в масляном клине между планшайбой и передним половиной подпятника. Конструктивно устранить данный недостаток можно, увеличив толщину смазочного слоя под передней половиной подпятника.

Фаска на кромке подпятника величиной 0,2 - 0,3 мм, и направленная под углом 15 - 30° к плоскости планшайбы позволит захватывать подпятником смазку с поверхности планшайбы и за счёт гидродинамических подъёмных сил создавать масляный клин.

5. Расчет экономической эффективности применения покрытия Pb-Sn-Sb в паре трения подпятник - планшайба аксиально-поршневого насоса

Применение гальванических антифрикционных покрытий Pb-Sn-Sb позволяет снизить износ подпятников в условиях пуска - остановки насоса, а также в условиях первого запуска насоса без смазки.

Произведем расчет годового экономического эффекта от использования тройных покрытий Pb-Sn-Sb.

Себестоимость нанесения покрытия на один комплект подпятников

Сп = Сп1•m, (13)

где Сп1 - себестоимость нанесения покрытия на один подпятник, Сп1 = 40 руб.;

m - количество подпятников в комплекте, m = 7 шт.

Сп = 40•7 = 280 руб.

Экономический эффект от использования покрытия с одного насоса

Эп = Vм•Цм - Сп, (14)

где Vм - экономия масла в условиях первого запуска насоса без смазки, Vм = 0,5 дм3;

Цм - стоимости 1 дм3 масла ВМГЗ, Цм = 2520 руб.

Эп = 0,5•2520 ? 280 = 980 руб.

Годовой экономический эффект от использования тройных покрытий Pb-Sn-Sb

Эпгод = n•Эп (15)

где n - объем годовой производственной программы выпуска аксиально-поршневых насосов, n = 3000 насосов.

Эпгод = 3000•980 = 2940000 руб.

Техника безопасности

Для обеспечения безопасных условий работы необходимо знать допустимые концентрации токсичных и вредных веществ, входящих в состав растворов и электролитов (трихлорэтилен, цианиды, кислоты, щелочи и др.)

Основные положения по охране труда предусмотрены в «Кодексе законов о труде», в котором регламентируются правовые нормы труда и отдыха, а так же мероприятия по технике безопасности и нормы производственной санитарии.[1]

Растворы и электролиты подвергают нагреву, фильтрации, непрерывной циркуляции; детали подвергают вращению, покачиванию, воздействию ультразвука и вибрации.

Таким образом, гальваническое производство - сложное, многопроцессное производство, требующее строгого соблюдения всех правил техники безопасности, санитарных норм и норм пожарной безопасности.

Производство всех видов покрытий должно соответствовать ГОСТ 12.3.008-75 и ГОСТ 12.3.002-75. Должны строго выполняться строительные нормы и правила проектирования промышленных предприятий, санитарные правила организации технологических процессов и гигиенические требования к производственному оборудованию, утвержденные Министерством Здравоохранения РБ.

Оборудование, применяемое в гальваническом производстве должно соответствовать требованиям ГОСТа 12.2.003-74.

Места хранения химических веществ должны иметь стеллажи, шкафы, приспособления, инвентарь, специальную тару, а так же быть обеспеченными средствами индивидуальной защиты. Химические вещества должны быть хорошо упакованными, иметь исправную тару и сопроводительную документацию.

В гальванических цехах следует иметь горячую и холодную воду для смывания вредных веществ, попавших на рабочего; аптечки, укомплектованные средствами, необходимыми для оказания первой помощи при отравлении, ожогах и т.д. Средства индивидуальной защиты рабочих должны соответствовать требованиям ГОСТа 12.4.011-75.

Рабочие и инженерно-технический персонал должен проходить медицинский осмотр при поступлении на работу, а так же подвергаться периодическому медицинскому осмотру. Все рабочие, служащие и инженерно-технические работники должны проходить инструктаж по безопасности труда: вводный, первичный, повторный, внеплановый (при изменении технологического процесса, смене оборудования, нарушениях требований безопасности и несчастных случаях) с регистрацией в специальном журнале.[1]

К проведению подготовительных операций и нанесению покрытий допускаются рабочие в соответствующей спецодежде (комбинезоне или халате, резиновых сапогах и резиновых перчатках). Спецодежда рабочих, занятых в гальваническом производстве, должны периодически подвергаться стирке, а спецодежда работающих с ядовитыми веществами и растворами должна предварительно обезвреживаться.

Ванны с цианистым и цианидферратными электролитами должны быть оборудованы двусторонней бортовой вентиляцией и блокировкой, сообщающей об отключении вентиляции. Концентрированные цианистые растворы следует готовить в отдельном изолированном помещении, снабженном обособленной вентиляцией и всеми средствами безопасности (шланговым противогазом, сигнализацией, блокировкой и др). Список рабочих утверждает главный инженер предприятия.

При приготовлении и корректировании, а так же применении электролитов и растворов работающие должны пользоваться защитными мазями и пастами.

При работе с растворителями не следует допускать искрообразования и накопления статического электричества, а также близкого контакта с электро- или теплоносителями. Промывные ванны необходимо устанавливать в непосредственной близости от рабочих ванн с тем, чтобы исключить попадание электролита на пол.

При применении абразивного инструмента следует руководствоваться правилами и нормами безопасной работы (загрузка и возврат абразива в установках для дробеструйной и гидропескоструйной очистки, включение и выключение подачи сжатого воздуха должны быть механизированы, применение сухого кварцевого песка для очистки деталей не допускается; шлифовально-полировальные станки должны быть оборудованы защитными экранами и местными отсосами). Чистку и ремонт оборудования от остатков органических растворителей после обезжиривания деталей необходимо производить после продувки его воздухом или паром до полного удаления паров растворителя.

При загрузке и разгрузке деталей, обезжиривающих, цианистых и других токсичных растворов, а также при розливе кислот и щелочей, дроблении и взвешивании различных химикатов необходимо пользоваться защитными очками.

Отработанные растворы и электролиты перед спуском в сточные воды должны быть нейтрализованы. Шлам, содержащий токсичные вещества должен подвергаться обезвреживанию. Полнота нейтрализации и обезвреживания подтверждается данными анализа.

Чистку ванн и другого оборудования, а так же штанг, электроконтактов, анодов, анодных крючков следует производить с увлажненной поверхностью.

Контроль воздушной среды на содержание пыли и вредных веществ необходимо систематически осуществлять по методикам и ГОСТам 12.1.005-76, 12.1.014-79 и 12.1.016-79. График анализа воздуха, в зависимости от конкретных условий производства, устанавливается и утверждается администрацией предприятия.

При любых изменениях технологического процесса (смена оборудования, режимов обработки, введение новых компонентов в состав электролитов или растворов и т. п.) необходимо произвести внеочередной анализ. При обнаружении вредных веществ в воздухе рабочей зоны в количестве, превышающем предельно допустимой концентрации, работа должна быть приостановлена и приняты меры по дегазации помещения и установления причин, вызвавших загазованность воздушной среды.

Контроль технологического оборудования, создающего шум в воздушной среде следует производить по ГОСТу 20445-75.

Контроль оборудования, создающего вибрацию, следует производить на соответствие требованиям ГОСТа 16878-73, ГОСТ 8.246-77, ГОСТ 13731-68.

Контроль электробезопасности следует производить в соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей».

Контроль уровней освещенности следует производить в соответствии с Методическими указаниями Министерства Здравоохранения РБ.

Заключение

1. На основании обзора данных ранее проведенных триботехнических испытаний тройных сплавов Pb-Sn- Sb с содержанием Sb в электролите от 9,4 до 23,4 г/л сделан вывод о том, что на триботехнические и механические свойства оказывает существенное влияние содержания Sb в сплаве. При этом оптимальная концентрация сурьмы в электролите равняется 14,2 г/л. Массовая интенсивность изнашивания (Im=0.125 · 10-5 г/м) покрытий, нанесенных при импульсном токе, примерно на порядок меньше (Im=1.514 · 10-5 г/м) интенсивности изнашивания покрытий, нанесенных при постоянном токе. Установлено также, что износ контртела - вала из закаленной стали, находящегося в сопряжении с исследуемыми покрытиями, также ниже в паре трения с покрытием, нанесенным при использовании импульсного тока.

2. Отработана методика триботехнических испытаний по схеме шар - плоскость в режиме сухого и граничного трения, позволяющая определить коэффициент трения покрытий, износ покрытий и стального контртела, а также анализировать изменение морфологии поверхности трения до и после испытаний методами профилометрии и растровой электронной микроскопии.

3. В результате триботехнических испытаний при трении без смазки было выявлено, что с увеличением содержания сурьмы в сплаве уменьшается объемный износ покрытий. Для сплавов с содержанием сурьмы 18, 1 и 27,1 % его величина составляет 3,12•10-4 мм3 и 2,73•10-4 мм3 соответственно и меньше объемного износа базового покрытия в 43 раза. Такое уменьшение объемного износа связано с увеличением твердости покрытий, снижением пластичности, и, как следствие, уменьшением фактической площади контакта и роли адгезионного механизма изнашивания при сухом и граничном трении. Интенсивность изнашивания стального контртела в паре трения с покрытиями таких составов в 7 - 10 раз меньше его износостойкости при трении в паре с базовым двухкомпонентным покрытием и составляет 8,05•10?7 и 7,03•10?7 соответственно с содержанием сурьмы 18,1 и 27,1 мас.%.

4. В результате исследования микроструктуры исходных покрытий с различным процентным содержанием сурьмы, а также их поверхностей трения методами РЭМ и металлографического травления установлено, что при нанесение покрытия формируется гомогенная структура. При трении без смазки в структуре покрытий происходят существенные изменения. Имеют место процессы вторичной кристаллизации связанные с локальным нагревом на пятнах фактической площади контакта выше температуры фазовых переходов и структурообразованием при охлаждении. При этом выделяются характерные для этого процесса фазы Pb, б(Sn), в(SnSb), г(Sb).

5. Исследуемые покрытия прошли стендовые испытания в качестве антифрикционных слоев в паре трения подпятник - планшайба в аксиально-поршневом насосе. Результаты эксперимента показали, что нанесение этих покрытий на рабочую поверхность подпятника позволяет продлить ресурс работы насоса, а также снизить его износ в условиях пуска - остановки.

Литература

1. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах Под ред. М. А. Шлугера, Л. Д. Тока. - М.: Машиностроение, 1985.

2. Справочное руководство по гальванотехнике. Ч. 1. Перев. с нем. «Металлургия», с. 488. 1972.

3. Мельников П. C. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1991. - 384 с., ил.

4. Восстановление деталей машин электрохимическим способом. Кишинев, Штиинца, 1984.

5. Лобанов С. А. Практические советы гальванику. - Л.: Машиностроение, 1983. - 248 с., ил.

6. Антропов Л. И., Лебединский Ю. Н. Композиционные электрохимические покрытия и материалы. - К.: Техника, 1986. - 200 c., ил.

7. Основы материаловедения: Учебник для техникумов. Лахтин Ю. М. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.

8. Казаков В. А., Шлугер М. А. Износостойкие и антифрикционные гальванические покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1981. - 212 с.

9. А. П. Гуляев Металловедение, 5-ое переработанное издание. М.: Металлургия, 1978. - 646 с.

10. А. И. Самохоцкий, М. Н. Кунявский Металловедение, 6-ое переработанное издание. М.: Металлургия, 1999. - 546 c.

11. Казаков В. А., Шлугер М. А. Износостойкие и антифрикционные гальванические покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1981. - 212 c.

12. Справочник по ремонту тепловозов. Кокошинский И. Г.,

Клименко Л. В., Горбатюк В. А., Стеценко Е. Г. . - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1978. - 304с.

13. Беркович И.И. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения / И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т. - 2000. - 268 с.

14. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. - Киев: Техника. 1970. 395 с.

15. Мышкин Н. К. Трибология. Принципы и приложения. / Мышкин Н. К., Петроковец М.И.- Гомель: ИММС НАНБ. 2002. 310 с.

16. Беккерт М., Клемм Х. Справочник по металлографическому травлению. Лейпциг, 1976. Пер. с нем. М.: «Металлургия», 1979, 336 с. с ил.

17. Захаров А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурный состав. М.: металлургия, 1980. 324 с.

18. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. Учеб. пособие для вузов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1989. 456 с.

19. Влияние токового режима на триботехнические параметры покрытий из тройного сплава Pb-Sn-Sb. Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: сб.научн. трудов VI международной научно-технической конференции: Т.1, - Новополоцк:УО ПГУ, 2007. - С.189-192. Степанова Л.И., Пуровская О.Г., Казаченко В.П.

20. Основы теории разрушения твёрдых тел: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ/А.Н.Попов, О.С. Киселевский; Белорус. гос. ун-т трансп.- Гомель, БелГУТ, 2007.-53 с.

Размещено на Allbest.ru