New Technique for Laser Modification of Surfaces of Low-Speed Heavy-Loaded Sliding Supports

Goldfarb V.I., Trubachev E.S., Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Bogdanov K.V., Matveyeva Y.Y.

Abstract


Tough competition with leading foreign manufacturers stimulates searching for new solutions for supposedly thoroughly studied theme of improving the technical and economic performances of sliding supports. One of the best solutions used for low-speed heavy-loaded supports became in fact the application of metal fluoroplastic sheet (coated by powder bronze infiltrated by fluorine plastic). The paper considers the main issues of development of the alternative material of the mentioned supports by creating the strong antifriction composition on the surface of the steel sheet, the composition being based on babbit, molybdenum disulphide and graphite. In particular, the issues of material selection, laser treatment, comparative experimental investigation and mastering the series production of sliding supports are presented. The mentioned supports are practically competitive with the best foreign samples in accordance with antifriction properties and durability, but they are advantageous in their significantly lower cost.

Keywords


sliding bearing; laser modification of surfaces

Full Text

Введение Как показала практика производства низкоскоростных тяжелонагруженных спироидных редукторов трубопроводной арматуры (ТПА) [1], в вечном вопросе совершенствования опор валов имеются резервы как с эксплуатационной, так и с технологической точек зрения. В трех поколениях конструкций этих редукторов [2] применялись разные варианты решений этого вопроса: - опоры скольжения «сталь - чугун» (вал по корпусу, как это реализовано во многих «бюджетных» импортных редукторах [3], де-факто занимающих до половины отечественного рынка этой техники); - подшипники качения, применение которых позволило обеспечить повышенные надежность и КПД редукторов, но вместе с тем обусловило появление ряда компоновочных ограничений и возрастание себестоимости редукторов (что связано с дефицитом некоторых, удобных для компоновки, серий подшипников из-за падения отечественной подшипниковой отрасли); - подшипники скольжения на основе металлофторопластового листа [4]. Последнее решение в целом оказалось достаточно надежным и эффективным с точки зрения обеспечения высокого КПД редуктора, дало универсализм в компоновке различных исполнений редукторов и обеспечило на первом этапе удовлетворительные экономические характеристики. Однако совершенствование редукторной техники и технологии с возрастающей остротой ставило вопрос о замещении этого решения другим, более экономичным, что в особенности стало актуальным из-за макроэкономических событий последних лет. Эффективным способом улучшения характеристик контактных поверхностей стала их лазерная модификация [5, 6] с нанесением антифрикционных покрытий. В настоящей работе отражены результаты нашей разработки в этой области, практически реализованные в течение последних двух лет при изготовлении радиальных и торцовых опор валов спироидных редукторов ТПА. Некоторые исходные положения По сути практическая задача состояла в замещении показавшего свою эффективность материала MU S [7]. Его основные нагрузочные и антифрикционные характеристики, перечисленные в таблице, стали для нас исходными при разработке новой технологии. Основные характеристики материала MU S [8] Максимальная работоспособность при сухом трении (PV-фактор) Постоянная нагрузка 3,6 МПа × м/с Мгновенная нагрузка 250 МПа × м/с Максимально допустимая нагрузка Статическая 140 МПа При вращении 60 МПа Коэффициент трения 0,03…0,2 Рабочая температура -200…+280 °C В силу специфики режима работы редукторов (низкие скорости, высокие и кратковременно действующие нагрузочные и перегрузочные моменты, относительно большие перекосы деталей) особую важность и одновременно сложность представляло из себя обеспечение работоспособности при максимальных контактных давлениях, действующих в подшипниках скольжения. Материалы и технология покрытия Привлекательными с точки зрения прочностных характеристик и несущей способности являются антифрикционные покрытия на основе бронз. Выбор их сопряжен рядом недостатков, в частности: - нанесение довольно толстых (до 5 мм) покрытий, при этом снижается прочность сцепления с основой; - сложность нанесения из-за высокой химической активности меди; - необходимость работы в паре только с упрочненными поверхностями (низкая твердость контртела вызывает интенсивный износ последнего). Благоприятными материалами в плане высоких антифрикционных свойств, демпферной способности и простоты использования являются баббиты. Низкая температура плавления баббитовых сплавов не вызывает сложности в нанесении на поверхности подшипника скольжения, возможность регулировки толщины наносимого слоя, а также возможность широкой модификации баббитовых сплавов заставили сделать выбор в пользу баббита Б83. Основная задача разработки технологии нанесения баббитового покрытия сводилась к повышению несущей способности покрытия, повышению термопрочности и высокой прирабатываемости при бедной смазке. Для модификации была принята технология нанесения покрытия с использованием высококонцентрированного источника энергии - лазерного излучения. Работы по упрочнению и синтезу антифрикционных покрытий с использованием лазерного излучения представлены в ряде работ [9-12] и доказывают свою эффективность. С этой целью нами была разработана методика нанесения покрытия, включающая источник лазерного излучения и устройство для нанесения и разравнивания порошкового материала на основе баббита Б83, легированного дисульфидом молибдена MoS2 и порошковым графитом (рис. 1). Рис. 1. Приспособление для нанесения порошковой композиции: 1 - основание подшипника скольжения; 2 - нанесенная порошковая композиция; 3 - основание; 4 - выравнивающий нож; 5 - матрица Порошковая композиция на основе баббита Б83 дисперсностью 5…40 мкм смешивалась с дисульфидом молибдена (2,5 % по массе), добавлялся порошок графита (1 % по массе). На основе порошковой композиции готовили суспензию с использованием 2%-го раствора жидкой канифоли. Готовая суспензия при помощи приспособления наносилась на поверхность подшипника скольжения, разравнивалась и подвергалась сушке - испарению растворителя. Лазерную обработку нанесенного порошкового материала производили на стальной подложке в виде кольца (поз. 2, рис. 1), которое прижималось к матрице 5, выполненной из алюминиевого сплава АЛ-9 для отвода тепла от подшипника скольжения и предупреждения деформации и коробления. Для лазерной обработки использовали твердотельный лазер с длиной волны 1,06 мкм мощностью 300 Вт. Луч лазера фокусировали в пятно диаметром 1,2 мм. Лабораторные исследования образцов Для анализа работоспособности покрытий выполнили триботехнические испытания в условиях сухого с использованием машины трения СМТ-2070, по схеме нагружения «диск - колодка» согласно ГОСТ 23222-84. Для анализа структурного и фазового состава покрытий выполнили металлографические исследования на микроскопе Neophot 32. Рентгеноструктурные исследования на автоматизированном дифрактометре ДРОН-6. Растровое изображение поверхности получали на сканирующем электронном микроскопе FEI INSPECT S50 при ускоряющем напряжении 20 кВ. Для измерения микротвердости структурных составляющих и для получения распределения микротвердости по толщине покрытия применили прибор ПМТ-3М. Вид поверхности во вторичных электронах после лазерной наплавки и результаты энергодисперсионного анализа представлены на рис. 2 и 3. Видно, что в результате лазерного плавления формируется ровный слой с высокой плотностью. Энергодисперсионный микроанализ показывает содержание атомов олова, сурьмы, меди и железа на поверхности образцов. Олово, сурьма и медь входят в состав баббитового порошка Б83, а появление спектральных линий, принадлежащих железу, вызвано совместным переплавом порошкового слоя и тонкого поверхностного слоя стальной подложки. Микроструктурные исследования показали наличие «стандартных» фаз баббитового покрытия: мягкой основы (a-фазы), твердых включений на основе интерметаллидов (b-фазы) и игольчатых включений (g-фазы) - Cu3Sn (рис. 4). Особенностью микроструктуры покрытия является повышенная дисперсность включений, что объясняется высокими скоростями кристаллизации, особенно g-фазы. В зоне сплавления нет пор и непроваров, что говорит о верных режимах обработки и обеспечении высокой прочности соединения. Рис. 2. СЭМ-изображение поверхности баббитового композиционного покрытия после лазерной наплавки (×500) Рис. 3. Энергодисперсионный микроанализ поверхности покрытия рис5 микроструктура а б Рис. 4. Микроструктура формируемых покрытий На работоспособность покрытия определяющее влияние оказывают типы формируемых структур и их распределение в объеме покрытия. Рентгеноструктурные исследования выявили наличие интерметаллидных соединений на основе SnSb, Cu3Sn, а также соединения на основе Fe2Sn (рис. 5). баббит вместе 3 слоя Рис. 5. Дифрактограммы покрытий при увеличении их толщины Распределение структурных составляющих по толщине покрытия свидетельствует о том, что при обработке происходит достаточно интенсивное оплавление тонкого поверхностного слоя основы с наносимым порошковым материалом, что является основанием для повышения прочности сцепления покрытия с основой. Количественный анализ структурных составляющих выявил их неоднородность распределения по толщине покрытия: в зоне сцепления с основой преобладают соединения на основе Fe2Sn, SnSb, а также чистого олова. Поверхностные слои характеризуются повышенным содержанием соединений Cu3Sn. Основываясь на этом, можно сказать, что покрытие обладает градиентностью механических свойств, в частности, нижележащие слои более мягкие и податливые благодаря наличию a-твердого раствора и b-фазы (SnSb), а поверхностные слои более твердые за счет увеличения количества g-фазы (Cu3Sn), обладающей более высокой твердостью. Таким образом, формируемое покрытие является композиционным по структурно-фазовому составу. Такая характеристика покрытия полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к подшипникам скольжения, работающим при высоких удельных нагрузках. Для анализа работоспособности предложенного покрытия произвели износные испытания в условиях сухого трения в сравнении с материалом MU S. Главный результат исследований (рис 6): проектируемое покрытие в целом не уступает указанному материалу. В начальный период работы оба покрытия подверглись приработке, характеризовавшейся интенсивным износом при повышающихся моментах трения. Предложенное покрытие приработалось значительно быстрее и перешло в режим нормальной работы, что объясняется наличием у него более мягкой структуры. Момент трения в период приработки у материала MU S несколько ниже, что объясняется работой тонкого инфильтрованного покрытия на основе тефлона. t, мин Рис. 6. Зависимость момента трения от времени (сухое трение, 15 МПа) В режиме нормальной работы момент трения у предложенного покрытия более постоянен и стабилен. Если работа металлофторопластовых опор характеризуется постепенным повышением момента трения, то композиционное баббитовое покрытие характеризуется длительной эксплуатацией с постоянным моментом. Повышение момента трения наступает лишь при эксплуатации покрытия в течение 90 мин с последующим скачкообразным повышением момента трения и разрушением покрытия. Объяснением стабильности работы может служить особенность строения композиционного покрытия, а градиентность состава и, следовательно, механических свойств по толщине покрытия позволяет одинаково хорошо противостоять высоким контактным нагрузкам и скоростным режимам с обеспечением высоких антифрикционных свойств. Для определения несущей характеристики покрытия произвели анализ величины момента трения в зависимости от прилагаемой нагрузки, при этом время воздействия одной нагрузки ограничивали 5 мин (рис. 7). p, МПа Рис. 7. Зависимость момента трения от контактного напряжения Несущая способность предложенного покрытия в условиях сухого трения характеризуется более плавным изменением момента трения при повышении контактной нагрузки. При повышении нагрузки свыше 25 МПа у предложенного покрытия наблюдается повышение момента трения без признаков микроразрушения покрытия. При повышении нагрузки свыше 30 МПа у предложенного покрытия наблюдаются небольшие скачкообразные изменения момента трения. Появление следов разрушения покрытия возникает при нагрузке свыше 35 МПа. У материала MU S (из оптического анализа поверхности трения) микрозаедания поверхности наступают в момент изнашивания тонкого поверхностного слоя из тефлона, что соответствует нагрузке 23 МПа. При дальнейшем увеличении контактной нагрузки у покрытия наблюдается нестабильность момента трения со значительным его повышением. Разрушение покрытия наступило при контактной нагрузке 37 МПа. Аспекты практической реализации серийной технологии Нанесение покрытия на детали серийной продукции производится на малогабаритной автоматизированной лазерной установке HTS-300P [13]. Исходной заготовкой является горячекатаный лист 1200×500×2,5 мм из стали 08пс, не подвергающийся какой бы то ни было предварительной подготовительной обработке. Последовательность изготовления следующая: - раскрой листа на кольца и полоски - торцовые и радиальные опоры; - нанесение и выравнивание материала покрытия; - лазерная обработка покрытия. Для нанесения и выравнивания покрытия применяется оснастка (рис. 8): - магнитная плита для минимизации пространственных отклонений раскроенных заготовок (с этой же целью отдано предпочтение горячекатаному листу); - трафарет из стального листа; - выравнивающий нож (шпатель) из немагнитного материала. Рис. 8. Трафарет для нанесения и выравнивания материала покрытия При отладке режима лазерной обработки мы минимизировали время обработки и геометрические погрешности деталей - разнотолщинность, пространственные отклонения и микронеровности поверхности. Ограничением являлось отсутствие непроплава подложки (это ведет к боллинг-эффекту) и избыточного проплавления (появление избыточного железа в составе наносимого покрытия). Оптимальным стал вариант, при котором проплавление ведется строчками, сходящимися от крайних участков деталей к срединным. В частности, для торцовых опор (колец) строчки являлись дугами окружностей, пронумерованными в последовательности проплавления, как показано на рис. 9. Рис. 9. Последовательность обработки зон проплавления кольца Стабильность получения свойств покрытия в процессе отладки контролировалась по геометрическим (разнотолщинность, микрогеометрия) и эксплуатационным (коэффициент трения, ресурс) параметрам. Время нанесения покрытия на кольцо с наружным диаметром 125 мм составило около 2 мин, а итоговый эффект - относительный выигрыш в стоимости опор скольжения редукторов при многономенклатурном мелкосерийном их производстве - не менее чем 40-55 % (предварительная оценка).

Galleys

PDF (Русский)
References References

Спироидные редукторы трубопроводной арматуры / В. И. Гольдфарб, Д. В. Главатских, Е. С. Трубачев, А. С. Кузнецов, Е. В. Лукин, Д. Е. Иванов, В. Ю. Пузанов. - М. : Вече, 2011. - 224 с.

Там же.

Гольдфарб В. И., Трубачев Е. С., Кузнецов А. С. Возможности и проблемы импортозамещения на рынке редукторов ТПА // Арматуростроение. - 2015. - № 2(95). - С. 60-65.

URL: http://www.gidmash.ru/files/catalog_HMGroup.pdf (дата обращения: 17.04.17).

Тескер Е. И. Повышение эксплуатационных свойств механических систем модификацией поверхностей трения полимерными материалами // Теория и практика зубчатых передач : тр. междунар. конф. - Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2004. - С. 26-28.

Исследование механизма формирования адгезионных связей фторполимерных пленочных покрытий с металлической подложкой под действием излучения СО2-лазера / Е. И. Тескер, А. О. Литинский, С. Е. Тескер, А. Н. Кольченко // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - № 1. - С. 70-77.

Тескер Е. И. Указ. соч.

Там же.

Харанжевский Е. В. Расслоение жидкости и формирование пересыщенных твердых растворов в системе Fe - Cu при высокоскоростном лазерном плавлении // Физика металлов и металловедение. - 2016. - Т. 117, № 9. - С. 920-926.

Kharanzhevskiy E., Reshetnikov S. Chromium oxide dissolution in steels via short pulse laser processing // Appl. Phys. A. - 2014. - Vol. 115. - Pp. 1469-1477.

Синтез композитных покрытий при высокоскоростном лазерном спекании металлических порошковых смесей / М. Д. Кривилев, Е. В. Харанжевский, В. Г. Лебедев, Д. А. Данилов Е. В. Данилова, П. К. Галенко // Физика металлов и металловедение. - 2013. - Т. 114, № 10. - С. 871-893.

Ипатов А. Г., Харанжевский Е. В., Матвеева Ю. Ю. Структура и свойства модифицированного антифрикционного покрытия на основе металлической композиции // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - № 2(47). - С. 46-53.

URL: http://version-two.lazer-bulat.ru/catalog?p=122 (дата обращения: 17.04.17).

Там же.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2413-1172-2017-2-112-117

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


Copyright (c) 2017 Bulletin of Kalashnikov ISTU

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


ISSN 1813-7903 (Print)
ISSN 2413-1172 (Online)