автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение износостойкости подвижных деталей выталкивающей системы пресс-форм для литья термопластов под давлением

(^•'Т^ль-ый адазалгр

На правах рукописи

ЗОРЕНКО ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Повышение износостойкости подвижных деталей выталкивающей системы пресс-форм для литья термопластов

под давлением

Специальность: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь 2003

2004-4 25523

На правах рукописи

ЗОРЕНКО ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Повышение износостойкости подвижных деталей выталкивающей системы пресс-форм для литья термопластов

под давлением

Специальность: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь 2003

? "*

7-2 Геб Л.

Работа выполнена в Тверском г осударственном техническом университете

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор А.Н. Болотов

Научный консультант

- кандидат технических наук, доцент В. Л. Хренов

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Лукьянчиков АН.

- доктор технических наук, профессор Павлов В.Г.

Ведущее предприятие

ФГУП "ЦКБ ТМ" 170003, г. Тверь, Петербургское шоссе, 45-в

Защита диссертации состоится «_»___2004г. в Тверском

государственном техническом университете на заседании

диссертационного совета Д 212.262 02

Адрес 170026 г Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.В. Гараников

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Постоянно возрастающие объемы производства деталей из пластических масс предъявляют все более жесткие требования к качеству и надежности работы технологической оснастки для их производства. Анализ литературы показывает, что наиболее часто выходящими из строя по причине износа являются подвижные детали выталкивающей системы пресс-форм. Изменение размеров и ухудшение качества трущихся поверхностей этих деталей, в процессе изнашивания, ведет к значительному ухудшению качества выпускаемой продукции, препятствует работе пресс-формы в автоматическом режиме и приводит к поломке дорогостоящих формообразующих элементой. Традиционные наиболее широко применяемые способы повышения износостойкости деталей пресс-форм такие, как хромирование, химическое оксидирование не удовлетворяют современным требованиям вследствие низкой износостойкости. Проблема осложняется невозможностью использования смазочных материалов, продиктованной технологическими требованиями, сформированными многолетним опытом. Анализ возможных способов повышения износостойкости этих деталей показал, что лучшим решением проблемы является защита рабочих поверхностей износостойкими керамическими покрытиями, получаемыми методом микродугового оксидирования. Этот новый метод, находящийся на стадии развития, выгодно отличается от других методов нанесения износостойких покрытий, относительной простотой, дешевизной, возможностью получения покрытия на поверхностях сложной формы, а главное, хорошими свойствами получаемого покрытия. Таким образом, разработка и замена трущихся деталей пресс-форм на детали с износостойким керамическим покрытием является одним из путей решения рассматриваемой проблемы. Исследования, связанные с получением, модификацией таких покрытий и

определением их триботехнических свойств представляются весьма актуальными с практической точки зрения, так как открывают пути для создания надежной, долговечной и достаточно недорогой формующей оснастки для литья пластических масс под давлением

Цель и основные задачи работы Цель работы заключается в повышении износостойкости деталей выталкивающей системы пресс-форм путем нанесения на их рабочие поверхности износостойких покрытий анодно-искровым электролизом и исследовании влияния этих покрытий на процессы грения и изнашивания, и разработке рекомендаций для технологического обеспечения триботехнических свойств исследуемых покрытий Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать и теоретически проанализировать закономерности процессов трения и изнашивания

самосмазывающихся композиционных анодно-искровых покрытий в различных условиях

2 Разработать основы технологии получения самосмазывающихся композиционных покрытий на керамической связке с использованием микроплазменных явлений на алюминиевом сплаве и усовершенствовать покрытие на титановом сплаве

3. Усовершенствовать приборы для исследования триботехнических свойств полученных покрытий и экспериментальное оборудование для их нанесения.

4. Апробировать полученные антифрикционные покрытия в производственных условиях.

Научная новизна.

1 Впервые были определены гриботехнические свойства самосмазывающихся композиционных покрытий на алюминиевых

сплавах, синтезированных анодно-искровым способом. В отличие от керамических материалов, полученных методом микродугового оксидирования, они обладают высокими антифрикционными характеристиками, более износостойки, имеют невысокий коэффициент трения, что позволяет в несколько раз улучшить антифрикционные характеристики поверхностей трения для узлов, работающих в условиях отсутствия смазочного материала

2. Экспериментально выявлена зависимость триботехнических свойств покрытия от концентрации частиц твердой смазки в электролите и температурного режима в зоне трения, в результате чего сформулированы требования к составу электролита для нанесения этак покрытий и условиям их дальнейшей эксплуатации.

3. Проведенные триботехнические испытания покрытий с дисульфидом молибдена в качестве твердой смазки, полученных с применением поверхностно-активных веществ, подтвердили необходимость присутствия адсорбированных защитных пленок на поверхности частиц дисперсной фазы в процессе анодно-искового нанесения этих покрытий с целью улучшения антифрикционных свойств.

4 Впервые сформулирован новый подход к получению самосмазывающихся композиционных покрытий на алюминии и его сплавах в анодно-искровом режиме, отличающийся от известного тем, что в электролит дополнительно введен порошок дисульфида молибдена с размером частиц 2-10 мкм и глицерин в качестве поверхностно-активного вещества, что позволило получить композиционное покрытие, способное эффективно работать в условиях трения без смазочного материала.

5. Разработаны два новых способа электролитического нанесения антифрикционного покрытия на алюминий и его сплавы в анодно-искровом режиме в электролите, содержащем мелкодисперсные частицы графита в качестве твердой смазки, отличающиеся тем, что

согласно первому способу процесс разделяется на две ступени, первая из которых создает защитный оксидный слой на поверхности покрываемого образца толщиной 5 - Юмкм, а в процессе второй ступени происходит непосредственно нанесение покрытия с частицами графита. Согласно второму способу на поверхности частиц графита предварительно образуется диэлектрическая сольватная пленка на основе поверхностно-активного вещества (глицерина), позволяющая избежать проявления частицами дисперсной фазы электропроводных свойств, разрушения диэлектрического барьера и безразрядной утечки тока.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили получать на поверхности алюминиевого сплава износостойкое самосмазывающееся оксидное покрытие, способное существенно повышать долговечность трущихся деталей пресс-форм. Впервые предложен принцип нанесения разработанного покрытия на внутренние поверхности отверстий в проточном электролите, отличающийся простотой, дешевизной и локальностью, позволяющий наносить покрытие в отверстия деталей любых типоразмеров и узлов машин без их предварительной разборки, поскольку не требуется полностью погружать покрываемую детали в электролит.

По результатам исследований были сформулированы рекомендации по получению и дальнейшему применению покрытия.

Внедрение полученного покрытия и разработанной установки для его получения на предприятии ОАО "Тверской экскаватор" позволило за счет увеличения продолжительности качественной работы формующей оснастки снизить затраты материалов и затраты, связанные с эксплуатацией рабочего труда и станочного оборудования в процессе ремонта и замены изношенных подвижник деталей пресс-форм более чем в 1,5 раза.

Публикации По данным диссертации опубликовано 7 работ Подано 3 заявки на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 90 наименований.

Содержание работы В первой главе выполнен обзор работ, посвященных исследованию работоспособности узлов трения с различными антифрикционными покрытиями Рассмотрено влияние способов получения покрытой на их физико-механические и триботехнические свойства В качестве условий работы исследуемых покрытий приняты рабочие условия подвижных элементов пресс-форм для литья термопластов под давлением. Такими элементами являются выталкиватели, контртолкатели и плита, относительно которой они совершают движение в посадочном отверстии. Процесс трения происходит между наружной поверхностью стального выталкивателя и внутренней поверхностью направляющего отверстия в стальной матрице пресс-формы В представленной главе была обоснована важность сохранения этими элементами своих рабочих размеров. На основании анализа практического опыта, представленного в литературе, были определены основные причины изменения размеров и выхода из строя этих элементов. Специалисты считают, что отказы механизмов связаны в основном с тремя физическими процессами- изнашиванием, коррозией и развитием усталостных повреждений Усложнившиеся условия эксплуатации оборудования привели к тому, что указанные процессы развиваются не автономно, а во взаимосвязи друг с другом, образуя опасные «союзы». И когда необходимо установить причину отказа, следует искать доминирующий, ведущий вид поражения из общего комплекса их сочетаний.

s

Основное внимание уделено работам в области трения и износа, выполненным И В Крагельским, Л В. Чичинадзе, НБ Демкиным, ЮИ Дроздовым, В Г Павловым, Н А Буше, Ю.А Евдокимовым, И Г Горячевой, Э.Д Брауном, А.П Семеновым, А.В Белым и рядом других Износ подвижных элементов пресс-форм имеет усталостную, а в отдельных случаях коррозионно-механическую природу. Усталостное изнашивание в рассматриваемых элементах носит лавинообразный характер и приводит к выкрашиванию поверхности Износ усиливается в результате процессов схватывания и заедания трущихся поверхностей.

При литье деталей из наиболее химически активных термопластов (полистирол, полиамид, АБС-пластики, ПВХ), а также с появлением новых композиционных материалов (армамид), процесс износа ускоряется за счет коррозионного изнашивания. Механизм изнашивания подвижных элементов пресс-форм рассмотрен в работах С П. Митрофанова, Фроман Б., ГП Гырдымова, Smith A.W., В Г Ковалева, и ряда других Задача повышения износостойкости подвижных деталей пресс-форм осложняется полным отсутствием смазочного материала между трущимися поверхностями, продиктованным жесткими требованиями к технологии получения деталей из термопластов. Рассмотрены и проанализированы основные способы повышения износостойкости трущихся деталей, к которым относятся способ оптимизации конструктивных решений и технологические способы повышения долговечности машин Таким образом, повышение износостойкости подвижных деталей пресс-форм представляет собой комплексную задачу, состоящую из консгрукгивных и технологических способов решения. Перспективным направлением повышения качества работы этих элементов является нанесение на трущиеся поверхности износостойких оксидных покрытий в режиме анодно-искрового оксидирования в виду их явной простота, дешевизны, возможности нанесения на сложные поверхности, хорошей адгезии с металлом подложки и высокой износостойкости.

Теоретические и прикладные аспекты плазменно-искрового анодирования рассматривались в работах В В. Баковца, В.И Черненко, Л.А Снежко, JI. Юнга, Hunter М S , Herman Р., О В. Полякова, В М Орлова и др Рассмотрены также состав и свойства покрытий, получаемых анодированием в искровом режиме

Одними из перспективных трибоматериалов являются анодно-искровые оксидные покрытия, в том числе и композиционные самосмазывающиеся покрытия с дисперсной фазой из частиц твердого смазочного материала (графит, дисульфид молибдена), полученные этим способом. Анализ литературных данных показал, что можно улучшить работоспособность узлов трения, используя оксидные покрытия на титановых и алюминиевых сплавах, полученные анодно-искровым способом На основании проведенного обзора литературы > были сформулированы указанные выше цель и задачи исследования. Исследования проводились с учетом реальных условий работы пресс-форм, основными из которых являются скорость выталкивания равная нескольким метрам в минуту, усилие выталкивания детали от 30 кН. Давление на подвижные элементы выталкивающей системы в направлении перпендикулярном усилию съема от 500 кПа. Среднее количество циклов до капитального ремонта до 50 тыс

Во второй главе рассматривается методика проведения экспериментов и представлено описание разработанного экспериментального и техпологического оборудования для исследования физико-механических и триботехнических свойств ано дно-искровых покрытий.

В качестве основных исследуемых материалов были выбраны наиболее распространенные сплавы: сплав на основе титана (марки ВТ1-0 ГОСТ 19807-91), сплав на основе алюминия - дуралюмин (марка Д1 ГОСТ 4784-74).

В качестве дисперсной фазы антифрикционного покрытая были выбраны мелкодисперсные порошки графита (размер частиц 2-10 мкм) (ГОСТ 18191 - 78) и дисульфида молибдена (марки МВЧ ЦМТУ 06-01-68), имеющие хорошие антифрикционные свойства. В качестве поверхностно активных веществ были приняты глицерин и триэтаноламин

Материалами контр-тела для испытаний полученных антифрикционных покрытий являлись используемые в промышленности для производства пресс-форм инструментальная сталь марки У8А ГОСТ 1345-90 и инструментальная легированная сталь марки ХВГ ГОСТ 5950-73 закаленные до твердости 45 ... 50 НЯСэ

Разработана усовершенствованная установка для получения композиционного покрытия, отличающаяся системой активного перемешивания электролита, обладающая способностью создавать в зоне покрываемого образца повышенную концентрацию частил дисперсной фазы.

Разработана конструкция экспериментального образца, позволяющая производить триботехнические испытания при необходимых контактных давлениях Она позволила решить проблему точной установки образца, имеющего единую ось вращения, в патроне машины трения после нанесения покрытия и упростила задачу его повторной подготовки Триботехнические исследования проводились без применения дополнительного смазочного материала С целью определения триботехнических свойств полученных покрытий в рабочих условиях при повышенной температуре к имеющейся установке был добавлен нагревательный элемент и термопара, подведенная к дорожке трения через глухое отверстие в контр-теле. Для проведения экспериментов был выбран интервал скоростей 0,3 - 1,5 м/с полностью охватывающий значения рабочих скоростей всех типоразмеров термопласт-автоматов. Погрешность измерения интенсивности линейного износа не превышала 17%, а коэффициента трения 10% Разработан стенд и отработана методика для измерения толщины полученного покрытия путем

сравнения толщины покрытой части образца с непокрытой Этим же методом легко и с высокой точностью определялась и толщина изношенного слоя покрытия. Представленная во второй главе методика измерения микротвердости основана на приложении предельно-малых нагрузок на пирамидальный наконечник с углом при вершине 136° Это необходимо для уменьшения влияния свойств металла подложки на результаты измерения твердости тонкого покрытия (ГОСТ 15150 - 80)

Микроструктура полученных покрытий определялась на установке, состоящей из мегаллографического микроскопа марки МИМ - 8, работающего с отраженным от непрозрачной поверхности образца световым потоком, цифровой камеры, подключенной к компьютеру через видеокарту, имеющую функцию захвата кадров. Установка позволяет делать электронные снимки поверхности с увеличением до 2000 раз и в дальнейшем производить их компьютерную обработку Это дает возможность быстро и точно определять процентное соотношение пор и инородных включений на исследуемой поверхности согласно ГОСТ 3443. Цифровая методика количественной оценки инородных включений имеет значительно большую точность, нежели стандартные металлографические методы, в результате уменьшения влияния воздействия человеческого фактора.

В третьей главе приведены результаты исследований, связанных с получением износостойких покрытий и определением их триботехнических характеристик, на основе которых разработана электрохимическая технология получения износостойкого оксидного покрытия на титановых сплавах, а также получены экспериментальные данные об их триботехнических свойствах Исследования, направленные на получение покрытия на титане проводились в четырех электролитах: 1)МаОН + КагБЮт + НгО; 2)НаР + ИагВЮ? + НазНР04 + НгО; 3) НзР04 + НЮ; 4) №804 + НзР04 ННЬО, отличающихся пассивирующими, растворительными и проводящими свойствами.

Представленные электролиты, кроме третьего, являются комбинированными, а, следовательно, их нельзя отнести к какой либо из шести групп электролитов, приведенных в литературе. Выбор электролита заключался в подборе оптимального соотношения рстворительно-пассивирующих свойств. Так из (рис 1.) видно, что первый электролит (кривая 1) обладает слабыми пассивирующими свойствами, и при этом не достаточным для титанового сплава растворяющим действием, что приводит к медленному выходу процесса на режим искрения и дальнейшему не устойчивому протеканию. Второй электролит обладает более хорошими пассивирующими свойствами по сравнению с первым, но также недостаточными для образования плотного покрытия, имеющего хорошую адгезию с поверхностью титанового сплава за счет роста покрытия вглубь покрываемого металла Третий электролит характеризуется хорошими пассивирующими свойствами, но имеет слабую растворяющую способность, что ведет к росту плотного износостойкого покрытия, имеющего не достаточную адгезию с поверхностью покрываемого образца, определяемую локальными очагами отслаивания покрытия. Четвертый электролит был выбран, руководствуясь рекомендациями приведенными в литературе Этот электролит обладает хорошими пассивирующими и растворяющими свойствами, а также хорошей электропроводностью. В результате было получено износостойкое покрытие, имеющее достаточную толщину (более 10 мкм) и хорошую адгезию. Но полученное покрытие имело высокую пористость (30 - 50%), что существенно повышало его хрупкость и снижало эффективную твердость

Определено процентное соотношение компонентов электролита (2,2% H2SO4 + 2%НзР04) и токовые режимы нанесения покрытия (плотность тока 30 Л/дм2), при которых удалось снизить пористость до 30% на поверхности покрытия и до 15% в среднем слое за счет уменьшения количества и размера пор (см. рис 2). Повышение плотности тока позволило увеличить температуру в зоне обработки, в результате чего произошло оплавление, и

стягивание пор, а состав электролита позволил уменьшить размер микродуг и, тем самым, снизить размер прожигаемых ими пор

Рис 1 Зависимость тока от напряжения при формовке покрытия па титановом сплаве ВТ-1 в четырех составах электролита

Рис 2 Поверхность полученного покрытия В результате испытаний было выявлено превосходство триботехнических свойств покрытия, полученного на четвертом

электролите, что позволило подтвердить повышение его износостойкости в условиях "сухого" трения за счет улучшения структуры приводящего к снижению количества концентраторов напряжений и повышению сопротивляемости покрытия усталостному изнашиванию, о чем свидетельствует возросшее число циклов работы при одинаковых условиях нагружения

На рис 3 кривая 1 характеризует зависимость интенсивности линейного износа от величины контактного давления для покрытия, полученного по технологии, описанной в литературе, и имеющего пористость 30 50% Кривая 2 характеризует зависимость интенсивности линейного износа от величины контактного давления для покрытия, полученного по усовершенствованной технологии и имеющего пористость 15 - 30% Это доказывает увеличение износостойкости покрытия за счет повышения эффективной твердости и улучшения его адгезионных свойств Полученные результаты при разных скоростях скольжения, в рамках вышеприведенною интервала, имеют расхождения не превышающие погрешности измерения При контактном давлении 1,5 МПа, интенсивность линейного износа порядка 8 • 10"9

В процессе трения коэффициент трения скольжения изменялся от 0,1 в начале до 0,13 в конце эксперимента. Причиной этого, является неоднородность покрытая по толщине. В процессе изнашивания наблюдается рост коэффициента трения в результате образования продуктов износа, и проявление влияния металла подложки за счет уменьшения толщины покрытия. Полученное при исследуемых режимах покрытие имеет низкую шероховатость порядка Яа 0,15 - 0,30 мкм, в результате чего может применяться без дополнительной чистовой обработки

Рис 3 Зависимость интенсивности линейного износа от величины контактного давления для покрытий с разной пористостью

В четвертой главе представлены исследования и технология получения износостойкого самосмазывающегося оксидного покрытия на алюминиевом сплаве и выявлены экспериментальные зависимости триботехнических свойств полученного покрытия. За основу было решено взять уже существующее оксидное покрытие на алюминиевом сплаве. Это покрытие легко наносится, не требует предварительной подготовки поверхности, кроме этого обладает достаточной толщиной (0,15 - 0,5 мм), твердостью и хорошей адгезией с металлом подложки. Направление модифицирования покрытия было выбрано исходя из основного недостатка базового покрытия - высокого коэффициента трения, приводящего к заеданию подвижных элеменюв и усталостному разрушению рабочих поверхностей.

Снижение коэффициента трения проводилось путем электрофоретического внедрения частиц твердой смазки в керамическую матрицу покрытия При наложении электрического тока на поверхности покрываемого образца начинается рост барьерного оксидного слоя, образующего тугоплавкую керамическую матрицу, а также из электролита

на поверхность образца осаждаются мелкодисперсные частицы твердой смазки, коюрыс встраиваются в матрицу. Внедрение частиц графита в покрытие осложняется его электропроводными свойствами Токопроводящие частицы графита при подаче тока на ванну и покрываемую деталь вызывают коррозию поверхности покрываемого образца, создавая тем самым очаги безразрядной утечки тока, нарушающие пассивный слой поверхности В ходе работы эха проблема была решена двояко: во-первых, с помощью разделения процесса на два эхапа, во вторых, в результате применения глицерина в качестве диэлектрической пленки, создаваемой на поверхности частицы графита. Согласно первому способу на поверхность покрываемого образца первоначально наносилось тонкое (5 -10 мкм) покрытие в электролите без частиц графита. После чего покрываемый образец помещался в электролит с повышенным содержанием жидкого стекла и мелкодисперсным (2-10 мкм) порошком графита, и процесс продолжался до получения покрытия заданной толщины В полученном таким образом по!фыгии частицы дисперсной фазы отсутствуют в слое, прилегающем к покрываемой поверхности алюминия. Второй способ позволил получать покрытия с содержанием частиц графита по всей толщине покрытия за счет адсорбции глицерина поверхностью графита Глицерин для проводимых испытаний выбран из-за своих неионогенных (не распадается в электролите на ионы) свойств. Микроструктура покрытия изображена на (рис 4)

Вторым веществом дисперсной фазы был выбран дисульфид молибдена, отличающийся от графита диэлектрическими и смазывающими свойствами. Недостатком МоБг, с которым пришлось столкнуться, явилась относительно высокая химическая активность в некоторых условиях. Во избежании окисления МоБг при получении покрытия использовался глицерин В процессе нанесения покрытия при высоких температурах в окислительной среде адсорбированная пленка глицерина позволила уберечь Мой, от превращения в двуокись Мо82 и трехокись МоОз, снижающие триботехнические свойства самосмазывающегося покрытия.

Рис 4 Поверкность износостойкого анодно-искрового покрытия на алюминиевом сплаве Д1 с частицами графита в поляризованном свете

Триботехнические испытания позволили доказать эффективность использования твердых смазочных материалов при трении без дополнительной смазки, а также подтвердили необходимость использования !лицерина при получении покрытий (рис 7) В ходе триботехнических испытаний были определены рекомендации по использованию полученных покрытий В представленной главе приведены результаты триботехнических испытаний полученного покрытия, по итогам которых были выявлены наиболее важные триботехнические зависимости Установлено сильное влияние температуры выше 150°С на триботехнические свойства покрытия с частицами дисульфида молибдена в результате изменения смазочных свойств частиц Определены значения коэффициента трения для покрытия с частицами дисульфида молибдена, полученного без добавления глицерина Он находится в интервале 0,25 0,5 Это подтверждает защитное действие глицерина и доказывает необходимость использования его в процессе получения самосмазываюшегося покрытия с частицами дисульфида молибдена в качестве дисперсной фазы Все три кривые имеют зону приработки Разница между 2 и 3 (рис 5 ) кривыми обусловлена лучшими

смазывающими свойствами дисульфида молибдена в сравнении с графитом при температурах работы не превышающих 150°С.

В ходе работы контролировалась интенсивность линейного износа контр-тела, в результате чего было определено незначительное, для композиционных покрытий, превышение ее по сравнению с покрытым образцом. Это является несомненным преимуществом перед известными покрытиями на алюминии, значительно изнашивающими контр-тело в условиях «сухого» трения. Из графика (рис. 6.) видно, что коэффициенты трения снижаются практически линейно с увеличением концентраций частиц твердой смазки. На основании анализа (рис 7., кривая 1) можно сделать вывод о том, что оптимальная концентрация дисульфида молибдена в электролите составляет порядка 45 г/л. При этом концентрация в покрытии -- порядка 25%. Концентрация частиц в электролите более 50 г/л ведет к повышению содержания частиц в покрытии при одновременном снижении износостойкостных и адгезионных свойств покрытия

Кривая 2 (рис. б.) показывает, что с ростом концентрации частиц графи га в электролите до ЗОг/л коэффициент трения уменьшается несколько менее значительно в результате худших, чем у Мо8г смазывающих свойств. Концентрация частиц в покрытии - около 20%. При превышении 35 г/л толщина покрытия резко снижается, нарушается его сплошность и резко растет износ (рис. 7,, кривая 2). При достижении концентрации частиц графита 40 г/л процесс формирования покрытия прекращается в результате образования очагов коррозии.

Найденные зависимости коэффициентов трения и интенсивности линейного износа от температуры работы определяют интервалы температур, при которых целесообразно использовать каждое из покрытий Изменение триботехнических свойств покрытия с частицами дисульфида

25

50 75

: ч

100

Рис 5 Зависимости коэффициентов трения полученных покрытий от

времени

* ив

!" I

I 01

I

ООО 0,06

1 ! 2_ Р: 15 т У= 017 и/с

\о 1 / /

х/

о

12.5

25

375

50

Концентрация, г/л

Рис 6 Зависимость коэффициента трепия от концентрации частиц дисульфида молибдена и графита в электролите

молибдена обусловлено изменением смазочных свойств частиц дисперсной фазы в результате окислительного процесса под воздействием повышенной температуры (более 150°С).

Концентрация г/л

Рис 7 Зависимость интенсивности линейного износа от концентрации частиц дисульфида молибдена и графита в электролите

Пятая глава посвящена практическому применению результатов работы. Оксидные композиционные самосмазывающиеся покрытия на алюминиевых сплавах хорошо зарекомендовали себя в тяжело нагруженных узлах трения машин и, в частности, подвижных элементах пресс-форм. Причем покрытия с частицами дисульфида молибдена перспективнее использовать при температурах ниже 150°С, в то время, как покрытия с частицами графита выгоднее использовать при температурах выше 200°С. Полученные покрытая позволили увеличить срок службы формующей оснастки более чем в 1,5 раза. Экономический эффект, получающийся в результате их внедрения складывается из уменьшения объемов использования конструкционных и инструментальных сталей, снижения затрат на оплату рабочего труда, эксплуатацию станочного оборудования в процессе ремонтных работ, а также в результате увеличения прибыли за счет сокращения числа периодов простоя технологической оснастки.

Исходя из разработанных технологий нанесения самосмазывающихся покрытий, предложен принцип нанесения этих покрытой на внутренние

поверхности отверстий в проточном электролите, описана принципиальная схема оригинальной установки для упрощения и оптимизации этого процесса в производственных условиях и представлены конструктивные особенности наиболее важных элементов входящих в ее состав. Технический результат достигается путем формирования покрытия на внутренней поверхности отверстия детали при подведении электролита локально к покрываемому отверстию и дальнейшей циркуляции электролита в этом отверстии в процессе обработки Таким образом, снимаются жесткие требования к типоразмерам покрываемой детали Отпадает необходимость разборки сложного узла перед нанесением покрытия в отверстие отдельной детали. Испытания предложенного метода показали возможность его применения в условиях серийного производства

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработаны основы оригинальной технологии, позволяющей получать новые композиционные трибопокрытия с керамической матрицей, состоящей из различных оксидов алюминия, и дисперсных включений частиц твердой смазки (графит, дисульфид молибдена), отличающейся от известного тем, что в электролит дополнительно введен порошок дисульфида молибдена с размером частиц 2 10 мкм и глицерин в качестве поверхностно активного вещества, а также применено охлаждение электролита до температуры 2 - 5 °С, что позволило получить композиционное покрытие, способное эффективно работать в условиях трения без смазочного материала. 2 Определено процентное соотношение компонентов электролита и токовых режимов нанесения износостойкого покрытия на титановом сплаве, при которых, в частности, пористость снизилась до 30% на поверхности покрытия и до 15% в среднем слое, что позволило повысить его износостойкость Полученное покрытие на титановом сплаве отличается от

известного низкой шероховатостью порядка 11а 0,15 - 0,25 мкм, что дало возможность использовать его без чистовой конечной обработки.

3. Исследованы триботехнические свойства полученных износостойких

покрытий на алюминиевом сплаве, содержащих частицы графита и дисульфида молибдена. Показано, что включение этих дисперсных частиц существенно улучшает антифрикционные свойства керамических покрытий на основе оксида алюминия (коэффициент трения 0,07 - 0,11; интенсивность линейного износа около 4 * 10 9) и может обеспечить стабильность работы узла трения в условиях дефицита смазочного материала.

4. Испытания на трение и износ самосмазывающихся покрытий с частицами

дисульфида молибдена с сольватной оболочкой из глицерина выявили его положительное влияние на антифрикционные свойства покрытия, вероятно, за счет предотвращения окисления частиц дисперсной фазы.

5. В результате исследований интенсивности линейного износа и коэффициента трения полученных покрытий от концентрации частиц твердой смазки в электролите стало возможным определить оптимальную концентрацию этих частиц и, тем самым, уточнить требования к технологии получения покрытий с заданными антифрикционными свойствами.

6. Эксперименты по определению триботехнических свойств самосмазывающихся покрытий при различных температурах с учетом природы частиц дисперсной фазы позволили установить интервалы температур работы покрытия без потери антифрикционных свойств. При температурах до 150°С покрытия с частицами дисульфида молибдена проявляют лучшие триботехнические свойства, чем покрытия с частицами графита, в то время, как при температурах выше 200°С вплоть до 450°С, покрытия с частицами графита проявляют лучшие триботехнические свойства, чем с дисульфидом молибдена, что объясняется различной структурной стабильностью частиц дисперсной фазы.

Учитывая особенности формирования самосмазывающихся износостойких анодно-искровых покрытий, разработана методика нанесения его на внутренние поверхности отверстий деталей любых типоразмеров и узлов машин без их предварительной разборки, отличающаяся простотой, дешевизной и гибкостью

Внедрение разработанного антифрикционного покрытия для защиты подвижных деталей выталкивающей системы пресс-форм привело к увеличению долговечности оснастки более чем в 1,5 раза.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Болотов А.Н., Зоренко Д А., Новикова О.О. Получение оксидного покрытия титана анодно-искровым способом // Материалы и технологии XXI века: Тез.докл. научн. конф / Государственный университет -Пенза, 2001, часть 1. - с.96 - 97.

2. Болотов А.Н., Зоренко Д А, Новикова О.О. Получение оксидного покрытия на титане анодно-искровым способом // Тез докл. научн. конф / Тверской государственный технический университет - Тверь, 2002 - с. 23 - 24.

3 Болотов А.Н., Зоренко Д А Улучшение триботехнических свойств деталей из титана методом нанесения оксидного покрытия в анодно-искровом режиме // Механика и физика фрикционного контакта' Межвузовский сб. научн трудов / Тверской государственный технический университет. - Тверь, 2002,- с 45-46.

4. Зоренко ДА. Улучшение триботехнических свойств титановых выталкивателей методом нанесения оксидного покрытия в анодно-искровом режиме // Современные технологии, материалы, машины и оборудование / Государственный технический университет - Могилев, 2002 - с. 178-180.

5 Зоренко Д.А. Улучшение триботехнических свойств покрытий на основе оксида алюминия, получаемых в режиме анодно-искрового оксидирования//Тверской государственный технический университет, -Тверь, 2002 - с. 32 -33.

6. Новиков В.В. Зоренко Д.А. Новикова О.О. Исследование формирования износостойкого керамического слоя на поверхности деталей сложной формы // Вестник тверского государственного технического университета / Тверской государственный технический университет. -Тверь, 2003. - с. 51 - 53.

7 Зоренко Д.А Улучшение триботехнических свойств оксидных антифрикционных покрытий на алюминиевых сплавах, получаемых в режиме анодно-искрового оксидирования // Механика и физика фрикционного контакта: Межвузовский сб. научн. трудов / Тверской государственный технический университет. - Тверь, 2003.- с. 34 - 38.

8. 2002115470/02 Способ электролитического нанесения антифрикционного покрытия на алюминии и его сплавах, заявка на изобретение / АН. Болотов, Д.А. Зоренко, В.В. Новиков Получено положительное решение.

Л.-485

РНБ Русский фонд

2004-4 25523

Подписано в печать 24.12.03 Бумага писчая Формат 60x84/16

$из.печ.л.1,5 Усл.печ.л.1,40 Уч.-изд.л.1,31 Тираи ЮОэкз. Заказ 1Р 256

Издательство Тверского государственного технического университета

170026, Тверь, наб.Афанасия Никитина,22

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Условия работы пресс-форм для литья термопластов под давлением и проблемы повышения их качества.

1.2. Традиционные методы нанесения керамических покрытий.

1.3. Способы анодирования вентильных металлов.

1.4. Образование износостойких анодно-искровых покрытий из водных растворов.

1.5. Структура и состав анодно-искровых покрытий.

1.5.1 Структура анодно искровых покрытий.

1.5.2 Состав анодно-искровых покрытий.

1.6. Свойства анодно-искровых покрытий.

1.7. Триботехнические свойства анодно-искровых покрытий.

1.8. Цель и основные задачи работы.

ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование, материалы, методика проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

2.1. Исследуемые материалы.

2.2. Образцы, используемые в работе.

2.3. Экспериментальное оборудование.

2.3.1. Установка для нанесения износостойкого оксидного покрытия на поверхности вентильных металлов в режиме микродугового оксидирования.

2.3.2. Установка для испытания на трение износостойких анодно-искровых покрытий.

2.3.3. Испытательный стенд для определения толщины изношенного слоя.

2.3.4 Установка для проведения оптического анализа структуры поверхностей полученных покрытий.

2.4. Методы изучения физико-механических свойств покрытий и методика обработки экспериментальных данных.

2.4.1. Метод определения микротвердости покрытия.

2.4.2. Методика определения адгезионных свойств полученных покрытий.

2.4.3. Методика определения толщины полученных покрытий.

ГЛАВА 3. Получение износостойкого оксидного покрытия на поверхности титанового образца и исследование его свойств.

3.1. Электролиты.

3.2. Результаты экспериментов.

3.3. Результаты триботехнических испытаний.

ГЛАВА 4. Получение самосмазывающегося износостойкого оксидного покрытия на алюминиевом сплаве и исследование эго свойств.

4.1.Механизм образования самосмазывающегося износостойкого оксидного покрытия на алюминиевом сплаве в режиме искрового разряда.

4.2. Разработка технологии получения покрытия, выбор материала второй фазы и проведение экспериментов по нанесению покрытия.

4.3. Исследование физико-механических и триботехнических свойств полученных композиционных износостойких самосмазывающихся покрытий.

ГЛАВА 5. Практическое применение полученных результатов.

5.1. Технологические режимы получения покрытия на алюминиевом сплаве Д1, способ обработки покрытой поверхности перед эксплуатацией и требования к покрываемым деталям.

5.2. Предлагаемые способы повышения износостойкости трущихся деталей пресс-форм.

5.3. Предлагаемая конструкция установки для получения износостойких оксидных самосмазывающихся покрытий методом анодно-искрового оксидирования на внутренних поверхностях цилиндрических отверстий.

5.3.1. Общая схема установки.

5.3.2. Основные элементы установки и работа на ней.

5.3.3. Основные требования к деталям рабочего органа установки.

5.4. Экономическая эффективность применения результатов разработок.

Среди научно-технических проблем технологической подготовки производства изделий трудно указать более актуальную, чем проблема создания оптимальной оснастки для формования изделий из пластмасс, обеспечивающей минимальную их стоимость и высокую производительность. Постоянно возрастающие объемы производства деталей из пластических масс предъявляют все более жесткие требования к качеству и надежности работы технологической оснастки для их производства. Аиализ литературы показывает, что наиболее часто выходящими из строя по причине износа являются подвижные детали выталкивающей системы пресс-форм. Изменение размеров и ухудшение качества трущихся поверхностей этих деталей, в процессе изнашивания, ведет к значительному ухудшению качества выпускаемой продукции, препятствует работе пресс-формы в автоматическом режиме и приводит к поломке дорогостоящих формообразующих элементов. Традиционные наиболее широко применяемые способы повышения износостойкости деталей пресс-форм такие, как хромирование, химическое оксидирование не удовлетворяют современным требованиям вследствие низкой износостойкости. Проблема осложняется невозможностью использования смазочных материалов, продиктованной технологическими требованиями, сформированными многолетним опытом. Выталкиватели в конструкциях пресс-форм служат для удаления изделий из оформляющего гнезда. В некоторых случаях они одновременно являются и гладкими знаками, оформляющими отверстия, надписи на прессуемых изделиях. Число и расположение выталкивателей полностью зависят от конфигурации прессуемого изделия. Из-за износа выталкивателей материал попадает в зазор между выталкивателем и полостью формы, что не только существенно ухудшает качество поверхности получаемой детали, но и затрудняет работу формы в автоматическом режиме. В настоящее время детали выталкивающей системы изготавливают из инструментальных и легированных сталей, таких как У8А, ХВГ, У10. Эти стали, являются недорогими и широко распространенными. Но детали, изготовленные из них имеют недостаточный срок службы (20 . 30 тыс. циклов), в то время как пресс-формы для литья термопластов проектируются с расчетом на 50 тыс. и более циклов. Таким образом актуальность выбранной темы не вызывает сомнений.

Диссертационная работа посвящена проблеме повышения износостойкости деталей выталкивающей системы пресс-форм путем нанесения на их рабочие поверхности оксидных износостойких покрытий анодно-искровым электролизом и исследованию влияния этих покрытий на процессы трения и изнашивания, а также разработке рекомендаций для технологического обеспечения триботехнических свойств исследуемых покрытий.

На защиту выносятся:

- исследованные триботехнические свойства самосмазывающихся композиционных покрытий на алюминиевых сплавах синтезированных анодно-искровым способом, позволяющих улучшить антифрикционные характеристики поверхностей трения для узлов, работающих в условиях отсутствия смазочного материала;

- экспериментально выявленная зависимость триботехнических свойств от концентрации частиц твердой смазки в электролите и температуры последующей эксплуатации;

- необходимость присутствия адсорбированных защитных пленок на поверхности частиц дисперсной фазы в процессе анодноискового нанесения этих покрытий с целью улучшения т' антифрикционных и износостойкостных свойств покрытий;

- новый подход к получению самосмазывающихся износостойких композиционных покрытий на алюминии и его сплавах в анодно-искровом режиме;

- два новых способа электролитического нанесения износостойкого покрытия на алюминий и его сплавы в анодно-искровом режиме, в электролите, содержащем мелкодисперсные частицы графита в качестве твердой смазки.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Разработаны основы оригинальной технологии, позволяющей получать новые композиционные трибопокрытия с керамической матрицей, состоящей из различных оксидов алюминия, и дисперсных включений частиц твердой смазки (графит, дисульфид молибдена), отличающейся от известного тем, что в электролит дополнительно введен порошок дисульфида молибдена с размером частиц 2-10 мкм и глицерин в качестве поверхностно активного вещества, а также применено охлаждение электролита до температуры 2 - 5 °С, что позволило получить композиционное покрытие, способное эффективно работать в условиях трения без смазочного материала. Определено процентное соотношение компонентов электролита и токовых режимов нанесения износостойкого покрытия на титановом сплаве, при которых, в частности, пористость снизилась до 30% на поверхности покрытия и до 15% в среднем слое, что позволило повысить его износостойкость. Полученное покрытие на титановом сплаве отличается от известного низкой шероховатостью порядка Ra 0,15 - 0,25 мкм, что дало возможность использовать его без чистовой конечной обработки. Исследованы триботехнические свойства полученных износостойких покрытий на алюминиевом сплаве, содержащих частицы графита и дисульфида молибдена. Показано, что включение этих дисперсных частиц существенно улучшает антифрикционные свойства керамических покрытий на основе оксида алюминия (коэффициент трения 0,07 - 0,11; интенсивность линейного износа около 4 * 10"9) и может обеспечить стабильность работы узла трения в условиях дефицита смазочного материала.

4. Испытания на трение и износ самосмазывающихся покрытий с частицами дисульфида молибдена с сольватной оболочкой из глицерина выявили его положительное влияние на антифрикционные свойства покрытия, вероятно, за счет предотвращения окисления частиц дисперсной фазы.

5. В результате исследований интенсивности линейного износа и коэффициента трения полученных покрытий от концентрации частиц твердой смазки в электролите стало возможным определить оптимальную концентрацию этих частиц и, тем самым, уточнить требования к технологии получения покрытий с заданными антифрикционными свойствами.

6. Эксперименты по определению триботехнических свойств самосмазывающихся покрытий при различных температурах с учетом природы частиц дисперсной фазы позволили установить г интервалы температур работы покрытия без потери антифрикционных свойств. При температурах до 150°С покрытия с частицами дисульфида молибдена проявляют лучшие триботехнические свойства, чем покрытия с частицами графита, в то время, как при температурах выше 200°С вплоть до 450°С, покрытия с частицами графита проявляют лучшие триботехнические свойства, чем с дисульфидом молибдена, что объясняется различной структурной стабильностью частиц дисперсной фазы.

7. Учитывая особенности формирования самосмазывающихся А износостойких анодно-искровых покрытий, разработана методика нанесения его на внутренние поверхности отверстий деталей любых типоразмеров и узлов машин без их предварительной разборки, отличающаяся простотой, дешевизной и гибкостью.

8. Внедрение разработанного антифрикционного покрытия для защиты подвижных деталей выталкивающей системы пресс-форм привело к увеличению долговечности оснастки более чем в 1,5 раза.

1. Корнилов И.И. Титан. - М., 1975. - 235с.

2. Хазин Л.Г. Двуокись титана. Ленинград, 1970. - 175с.

3. Баковец В.В., Поляков О.В., Долговесова И.П. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов. Новосибирск: Наука, 1991.- 152 с.

4. Демкин Н.Б. Физические основы трения и износа машин. -Калинин, 1981.- 115 с.

5. А. с. 2008369 СССР, МКИ C25D И/ 02. Электролит для искрового анодирования / А.И. Мамаев (СССР). 3 с.

6. Аверьянов Е.Е.Справочник по анодированию. М., 1988. - 220с.

7. Алексеев Н.М. Металлические покрытия опор скольжения. М., 1973.-75 с.

8. Черненко В.И., Сиежко Л.А., Папанова И.И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. Ленинград: Химия, 1991.- 123 с.

9. Постников Н.С. Коррозионностойкие алюминиевые сплавы. -М., 1976.- 125с.

10. Билик Ш.М. Пары трения металл пластмасса в машинах и механизмах. - М., 1965. - 254с.

11. И. Ханин М.В. Изнашивание и разрушение полимерных композиционных материалов. М., 1990. - 175с.

12. Химический энциклопедический словарь .- М., 1983. 790с.

13. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М., 1987. - 304с.

14. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. М., 1961.-160с.15