автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной стойкости деталей машин методом фрикционной металлизации

ВВЕДЕНИЕ.

1.ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИЯ И МЕТОДЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ

1.1. Основные закономерности трения и изнашивания твердых тел

1.2. Фреттинг как вид изнашивания.

1.3. Методы борьбы с фреттинг - коррозией . . 14 1.3.1. Применение смазок

1.3.2 Анализ возможности применения твердых металлических смазок

1.3.3 Методы создания мягких покрытий на поверхности деталей

1.4. Цели и задачи исследований

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ . . 28 2.1 Экспериментальная установка для фрикционной металлизации

2.2. Стенд для исследования фрикционной металлизации

2.3. Методика оценки качества металлизации

2.3.1 Сплошность покрытия

2.3.2 Толщина наносимого слоя

2.3.3 Шероховатость поверхности

2.4. Оценка трибологических свойств покрытия

2.4.1. Методика определения коэффициента трения

2.4.2. Определение предельной нагрузки в паре трения

2.4.3. Оценка стойкости к фреттинг - усталости

2.5. Металлографические исследования . 48 Выводы

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРИКЦИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ . 50 3.1. Оценка влияния режимов металлизации на качество покрытия

3.1.1. Среда, смачивающая поверхности

3.1.2. Удельное давление

3.1.3. Скорости скольжения

3.1.4. Количество продольных проходов

3.2. Определение трибологических характеристик покрытия

3.2.1. Коэффициент трения

3.2.2. Предельная нагрузка в зоне трения

3.2.3. Фретинг - усталости . . . . .64 3.3. Металлографические исследования структуры поверхностного слоя стальной детали после фрикционной металлизации . . 65 Выводы

4. ЭЛЕКТРОФРИКЦИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

4.1. Контактная поверхность

4.2. Электрический ток в скользящих контактах

4.3. Модель электрофрикционной металлизации

4.4. Методика проведения испытаний и их результаты

4.4.1. Стенд для электрофрикционной металлизации

4.4.2. Экспериментальное исследование ЭФМ

4.4.3. Анализ результатов испытаний

4.4.4. Рекомендуемые параметры ЭФМ . 91 Выводы

При эксплуатации большинства машин и механизмов за счет вибрации возникают незначительные возвратно-поступательные перемещения между смежными элементами. Эти элементы могут находиться в состоянии номинального покоя относительно друг друга, но тем не менее в них происходит вибрационное скольжение с небольшой амплитудой. Микросмещения сопряженных поверхностей могут совершаться также вследствие деформации деталей под нагрузкой. Результатом этого скольжения является истирание, которое определяется как фреттинг-изнашивание. В любой ситуации, где поверхности находятся в контакте и подвергаются случайной вибрации и переменным нагрузкам, имеется возможность возникновения фреттинга.

Повреждения, вызываемые этими перемещениями, неизбежно приводят к уменьшению прочности конструкции, потере работоспособности соединений и преждевременному разрушению. Повреждения поверхности вследствие фреттинг-изнашивания служат концентраторами напряжений и снижают предел усталости. Иногда усталостные трещины и продукты изнашивания появляются на валах под напрессованными на них дисками, колесами, муфтами и кольцах подшипников качения на осях и ступицах колес подвижного состава железных дорог на запрессованных вкладышах подшипников, а также на пригнанных поверхностях шпоночных, шлицевых, болтовых заклепочных соединений в местах, расположенных вдали от расчетных, опасных сечений.

Выбор эффективных методов и средств снижения неблагоприятного воздействия фреттинг-усталости и фреттинг-износа базируется на представлениях о механизме этого явления, сформулированных в работах А.Я. Алябьева, JI.T. Балацкого, H.J1. Голего, B.C. Ивановой, Ж. Кортена,

Р. Уотерхауза, но единого мнения о закономерностях этого явления не существует. Поэтому методы снижения интенсивности фреттинг-изнашивания чрезвычайно разнообразны и зачастую противоречивы.

Также нет единого мнения по структурному состоянию поверхности детали, наиболее благоприятному для лучшей стойкости при фреттинг-усталости. Это частично является отражением сложности проблемы. Следовательно, дальнейшее изучение механизма повышения стойкости деталей при фреттинге является актуальной задачей.

Проведенный экспериментальный и теоретический поиск в данном направлении, позволил выдвинуть предположения о том, что фрикционная металлизация медью и ее сплавами стальных поверхностей, может быть использована для повышения эксплуатационной стойкости деталей, работающих при фреттинге.

При этом возникает необходимость оценки влияния параметров фрикционной металлизации и сопутствующих факторов на свойство получаемого покрытия.

Одной из составляющих этой задачи, является оценка влияния режимов металлизации на структурные превращения в поверхностном слое стальных деталей и определение наилучшего состояния поверхности для снижения повреждаемости от фреттинг-изнашивания.

2. Результаты исследования позволили установить параметры процесса ФМ, влияющие на качество покрытия, основными из которых "являются скорость скольжения, удельное давление и количество продольных перемещений металлизатора со значениями: скорости - 0,2 м/с; удельного давления - 15 Н/мм^; количества проходов - 3- 4.

3. Теоретически и экспериментально доказано, что металлизированная поверхность позволяет увеличить нагрузку в паре трения в 1,4 раза при наличии смазки и почти в два раза при ее отсутствии, что объясняется снижением коэффициента трения от 0,25 - 0,30 до 0,16 - 0,18 при сухом и до 0,08 - 0,10 - при вязком трении.

4. Увеличение сопротивления фреттинг-усталости от 100 до 185 Н объясняется снижением коэффициента трения, переносом микросмещений в промежуточный слой и тонкими структурными изменениями в поверхностном слое стальной детали, происходящим при одновременном воздействии давления и температуры в процессе фрикционной металлизации.

5. В целях интенсификации процесса нанесения покрытия и повышения его качества разработана технология фрикционной металлизации при протекании через контактирующие поверхности электрического тока, которая обозначена как « электрофрикционная металлизация».

6. В работе показано, что электрофрикционная металлизация обеспечивает повышение качества наносимого медного покрытия за счет создания равномерного слоя, обладающего по сравнению с бестоковой фрикционной металлизацией более высокой, достигающей 70-80 % сплошностью и толщиной 4-6 мкм при исходной высоте микронеровностей стальной поверхности 1,25-6,3 мкм.

7. Разработанна физическая модель и технологический процесс электрофрикционной металлизации, основными параметрами которых являются плотность тока в контактной зоне и количество повторных проходов индентора, диапазоны изменения последних рекомендуется выбирать в следующих пределах: плотность тока -(0,35-0,65) А/мм2; число проходов 5-15; удельное давление до 4 Н/мм2 и диаметр индентора (4-8) • Ю-0 м.

8. Увеличение сплошности и толщины покрытия ограничено максимальными значениями, достижение которых приводит к уменьшению контактного электрического сопротивления, что свидетельствует об окончании процесса электрофрикционной металлизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Комплексом экспериментальных и теоретических исследований в рамках поставленной цели и круга решаемых задач установлена возможность обеспечения фрикционной металлизации стальных деталей слоем меди толщиной до 6 мкм и сплошностью, достигающей 60-70% от обрабатываемой поверхности.

1. Алексеев Н. М. Металлические покрытия опор скольжения. М.: Изд-во Наука, 1973, 74 с.

2. Алексеев Н. М., Горячева И.Г., Чекина О. Г. Контактное взаимодействие шероховатых тел с учетом процессов фрикционного разрушения. Трение и износ, 1987, том 8, № 6, с. 977-984.

3. Алябьев А. Я., Ковалевский В. В., Мельников В. В. Влияние лазерной обработки сталей с различным содержанием углерода на износостойкость в условиях фреттинга. Трение и износ. 1983 № 3.

4. Анализ возможности снижения износа пары колесо-рельс //В.А. Каргин, Н.И. Карпущенко, А.Л. Манаков и др.// Сборник докл. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы железнодорожного транспорта"-М. РГОТУПС, 1996. с. 43.

5. Анпилогов В. Н. Исследование физико-химического изнашивания металлов и сплавов при фреттинг-коррозии. Авт. Канд. Дисс., Киев, 1975, 24с.

6. Асквит Т. К. Основные виды механизмов износа.

7. Аскинази Б. М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 184 с.

8. Баранов Ф. Я. Металлизация и ее применение в промышленности. Горький, 1971, 207с.

9. Берникер Е. И. Посадки с натягом в машиностроении.Справочное пособие. М. Л., «Машиностроение», 1966. 167 с.

10. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов: В 2 т. М. Металлургия, 1968. - 1171 с.

11. Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткмна Л.М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983,479 с.

12. Блантер М. Е. Методика исследования металлов и обработки опытных данных. М.: Металлургиздат, 1952, 442 с.

13. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Температура поверхности трущихся тел.- В сб.: "Трение и граничная смазка". Под ред. И. В. Крагельского. М., Издательство иностр. лит., 1953.

14. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М., Машиностроение , 1968.

15. Каргин В.А., Л.Б. Тихомирова, А.Л. Манаков. Твердые металлические смазки в тяжелонагруженных узлах трения. //Тез. нач. конф. "Проблемы железнодорожного транспорта Новосибирск, 1997. с.22.

16. Каргин В.А. , Л.Б. Тихомирова, А.Л. Манаков. Повышение надежности пар трения методом фрикционной металлизации.// Материалы Регион, науч.-прак. Конф. " Транссиб -99 ". Новосибирск, 1999.-с.129.

17. Кар гин В.А., Л.Б. Тихомирова, А.Л. Манаков. Создание мягких металлических покрытий методом фрикционной металлизации // Тез. Науч. конф. "Актуальные проблемы железнодорожного транспорта"-М., РГОТУПС, 1996г. -с.62

18. Вайнштейн В. Э. О переносе металла в процессе изнашивания. -В сб.: "Изучение износа деталей машин при помощи радиоактивных изотопов". М., Издательство АН СССР, 1967.

19. Ванштейн В.Э., Трояновская Г.И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы. М., «Машиностроение», 1968. 165 с. с ил.

20. Гаркунов Д. Н. Триботехника: Учебник для студентов Втузов. -2-е изд., доп. М.: Машиностроение, 1989, 328 с.

21. Гаркунов Д. Н., Крагельский И. В. Об атомарном схватывании материалов при трении. М.: ДАН СССР. Т. 113, 1957, 326 с.

22. Гаркунов Д. Н., Поляков А. А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. М.: Машиностроение, 1974, 200 с.

23. Гаркунов Д. Н., Слейковский, Соломко В. Д. О применении избирательного переноса в узлах трения в судовых механизмах. М.: ЦЕНТИ Минморфлота СССР, 1975, 34 с.

24. Гаркунов Д. Н., Поляков A.A. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. М.; Машиностроение. 1974. 200 с.

25. Голего Н. JI., Рожков Н. И., Козырев В. Г. Исследование фреттингостойкости деталей восстановленных хромированием. Диффузионное насыщение и покрытие на металлах. Киев ИПМ, 1988, С. 27-33.

26. Голего Н. П., Алябьев А. А., Шевеля В. В. Фреттинг коррозия металлов. Киев, "Техника", 1974, 268 с.

27. Голего H.JI. Схватывание в машинах и методы его устранения. Киев, «Техника», 1965. 225 с.

28. Гоно Ван Тьем. Изменение структуры и свойств тонких пленок меди при различных воздействиях. Киев ИПМ, 1987, 60 с.

29. ГОСТ 23.211-80. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии.

30. Гаркунов Д. Н., Красиков С. Г. Оценка антифрикционных свойств материалов в тройном сочетании. В сб.: Методы испытаний и оценка служебных свойств материалов подшипников скольжения. М., «Наука», 1972, с. 10-13.

31. Грозин Б. Д. Повышение эксплуатационной надежности деталей машин. Москва Киев, Машгиз, 1965.

32. Гутман Э. М. Механохимия металов и защита от коррозии. Минск., 1981 96 с.

33. Дворик В. И. Микропластичность и деформационное упрочнение металлов при фреттинг-усталости. Автор, кан. дис., Киев, 1985, 19с.

34. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970, 228 с.

35. Долговечность трущихся деталей машин. / Под ред. Д. Н. Гаркунова. М.: Машиностроение. Вып. 3, 1988.

36. Дьяченко П.Е., Толкачева н.Н., Горюков К. Н. Определение площади фактического контакта поверхностей. В сб.: « Изучение износа деталей машин при помощи радиоактивных изотопов». М., Изд-во АН СССР, 1967.

37. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник. -4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. - 480 е.: ил

38. Защита от водородного износа в узлах трения. / Под ред. А. А. Полякова. М.: Машиностроение, 1980, 133 с.

39. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения. / Гаркунов Д.Н, С. И. Дякин, О. Н. Круглов./ М.: Машиностроение, 1982, 205 с.

40. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения. / Под ред.

41. Г. И. Хунгера. М.: Металлургия, 1985. - 305 с.

42. Износ рельсов и колес подвижного состава // Под. ред. K.JI. Комарова, Н.И. Карпущенко /Разд. 9 -В.А. Каргин, Л.Б. Тихомирова, А.Л. Манаков СГАПС, 1997.-C.126-146.

43. Кащеев В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. М.: Машиностроение, 1978, 211 с.

44. Кобрин М. М. Прочность процессовых соединений при повторно-переменной нагрузке. М., Машгиз, 1954. 203 с.

45. Кользин А. П. Противокоррозионная защита стали и пленкообразователи. М.: ЦИТЭИН, 1989, 192 с.

46. Коровчинский М. В. Термоупругий локальный контакт высоконагруженных деталей машин с учетом изнашивания и тепловыделения от трения. М.: ИМАШ, 1983, 53 с.

47. Крагельский И. В. Основы расчетов на трение и износ. М.: машиностроение, 1977, 526 с.

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

49. Крагельский И. В., Мухин Н. М. Узлы трения машин. М.: Машиностроение, 1984, 207 с.

50. Крагельский С. Н., Евдокимов В. Д. Упрочнение материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1986, 320 с.

51. Кутьков А. А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М.: Изд-во Наука, 1976, 89 с.

52. Левин А. П. Контакты электрических соединений радиоэлектронной аппаратуры. И., "Советское радио", 1972, 216 с.

53. Лившиц П. С. Скользящий контакт электрических машин. М., "Энергия", 1974, 271 с.

54. Лившиц Я. Г. Антифрикционный ковкий чугун марки 4Л-РМИ и его применение в заводском станочном оборудовании. Труды 2-ой конференции по трению и износу в машинах. Т.1, М.-Л.: Изд. АН СССР, 1947, 345 с.

55. Лозовский В. Н. Фрикционное латунирование стальных деталей. Передовой научно-технический опыт. М.: ЦИТЭИН, 1961, 17 с.

56. Лукашевич Г. И. Прочность прессовых с гальваническими покрытием. М., Машгиз, 1948, С. 163-176.

57. Макушок Е.И., Калиновская Т. В., Белый A.B. Массоперенос в процессах трения. Минск; Наука и техника, 1978, 271 с.

58. Металофизика трения. Любарский И. М., Платник Л. С. Серия "Успехи современного металловедения". М., "Металлургия", 1976, 176 с.

59. Методы повышения долговечности деталей машин./ В. Н. Ткачев, М. Б. Финштейн, В. Д. Власенко. М.: Машиностроение, 1971. 271 с.

60. Микушк О. В. Особенности защитных ионно-плазменных покрытий из эвтектических сплавов на основе железа. Институт металлофизики АН УССР. (Доклад на XXIII конференции по диффузионному насыщению и защитным покрытиям.) Киев: Изд. АН УССР, 1990.

61. Молодых Н. В., Зенкин А. С. Восстановление деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1969, 480 с.

62. Неллин В. И. Механика скользящего контакта. М., "Транспорт"Ю, 1966, 126 с.

63. Нотт Дж. Ф. Основы механики разрушения при фреттинг -усталости. М.: Металлургия. 1978. - 256 с.

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

65. Покрытие и обработка поверхностей для защиты от коррозии и износа./ Перевод с анг./. М., Машиностроение, 1991, 238 с.

66. Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. Упрочнение металлов: Справочник. М.: Машиностроение, 1986, 320 с.

67. Поляков А. А., Гаркунов Д. Н., Крагельский И. В. Физико-химическая механика подавления износа в явлении избирательного переноса. ДАН СССР, 1970, т. 191, №4, с.821-823.

68. Прокопенко А. К. Избирательный перенос в узлах трения машин. М.: Легпромбытиздат, 1987, 103 с.

69. Пфанцальгль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976, с. 248.

70. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения //Успехи физических наук, 1972. Т. 108, вып. 1. С. 3-42.

71. Розенберг Ю. А. Влияние смазочных материалов на надежность и долговечность машин. М.: Машиностроение, 1970, 315 с.

72. Рыбакова JI. М., Куксенова Л. И. Об изменении перехода кристаллической решетки в поверхностных слоях меди и латуни при трении. ФММ, Т. 39 вып. 2, 1975, 366 с.

73. Рыбакова Л. М., Куксенова Л. И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982, 209 с.

74. Рыжков Э. В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наука думка, 1984, 272 с.

75. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: "Металлургиздат", 1958, 444 с.

76. Справочник по триботехнике. /Под. ред. М. Хембы, А. В. Чичинадзе. В 3 т. Т. 1. Теоретические основы. М.: Машиностроение, 1989, 400 с.

77. Структура перлита и конструктивная прочность стали / Тушинский Л.И., Батаев A.A., Тихомирова Л.Б. Новосибирск: ВО « Наука « 1993. - 280 с.

78. Субетто А. И. Мера и оценка качества. В кн.: Основы теории управления качеством продукции.ю - Л., 1975, с. 51-65.

79. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Кн. 2./ Под ред. И. В. Крагельского и В. В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979, 358 с.

80. Тушинский Л. И., Плохов А. В. Исследование структуры и физико-химических свойств покрытий. Новосибирск: Наука, 1986, 200 с.

81. Тушинский Л. И., Потеряев Ю. П. Проблемы материаловедения в трибологии. Новосибирск: НЭТИ, 1991, 64 с.

82. Уотерхауз Р. Б. Фреттинг коррозия: Перевод с англ. Л.: Машиностроение, 1976, 270 с.

83. Федорченко И.М., Крячек В.М., Панаиоти И.И. Современные фрикционные материалы. Киев : Наук, думка, 1975. 333 с.

84. Филимонов Г. Н., Баляцкий Л. Г. Фреттинг в соединениях судовых деталей. Л. Судостроение, 1973, 294 с.

85. Физические основы материаловедения / Под ред. Р.У. хаазена: В 3 Т. М.: Металлургия, 1987. Т. 2: Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами. — 624 с.

86. Хасун А. Наплавка и напыление. / пер. с японского / М., Машгиз, 1985, 339 с.

87. Хольм Р. Электрические контакты. М., ИЛ, 1961, 455 с.

88. Циклические деформации и усталость металлов: В 2 т. Киев. Наук. Думка, 1985. - Т. 2: Долговечность металлов с учетом эксплуатационных и технологических факторов. - 224 с.

89. Чичинадзе А. В., Маханько А. М. Методика проведения испытаний материалов на трение и износ с прохождением тока через контакт. В сб.: Расчет и моделирование режима работы тормозных и фрикционных устройств. М., "Наука", 1974, С. 7985

90. Шаврин О.И. Технология и оборудование термомеханической обработки деталей машин. М.: Машиностроение, 1983. - 177 с.

91. Шевеля В. В., Дворук В. П. Способ оценки фреттинг -усталостных усталостных характеристик металлов. ФХММ, 1984, № 3, С. 116-117.

92. Шор Я. Б. Методы комплексной оценки качества. М.: Знание, 1971, с. 56.

93. Шпеньков Г. П. Физико химия трения / Под ред. Д. Н. Гаркунова. Минск: БГУ им. В. И. Ленина, 1978, 204 с.

94. Эбелинг В. Образование структур при неравновесных процессах. М.: Наука, 1969, 270 с.

95. Ямпольский А. М. Меднение и никелирование. Изд. 2-е, доп. И перераб. Под ред. к. т. н. доц. П. М. Вячеславова. М. Л.: Машгиз, 1961, 60 с.

96. Янковский В. В. Плазменное нанесение покрытий. М.: Машиностроение, 1986, 301 с.

97. Ящерицын П. И., Минаков А. П. Упрочняющая обработка нежестких деталей в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1986, 215 с

98. El Sherbiny М. G., Salem F. В. Fretting - Resistant Ion - Plated Coatings/ -STP780, 1982, pp. 125-137.

99. Endo K. Goto H., Initiation and propagation of fretting fatigue cracks. -"Wear", 1976, v. 38, pp. 311-328.

100. Scieszka S. F. Tribologia phenomena in steel cjmposite brake material friction pairs. Wear, 1981, Vol. 64, N 2, P. 367 378.

101. Polzer G., Missntr F. Grud- lagen zu Reibuing und zverschlesis. Leipzig: VEB Dtutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, 1979. 323s.