автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Триботехнические характеристики композиционных пористых МДО-покрытий, пропитанных сверхвысокомолекулярным полиэтиленом

На правах рукописи

ВОЛЬХИН АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

ТРИБОТЕХИИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРИСТЫХ МДО-ПОКРЫТИЙ, ПРОПИТАННЫХ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫМ ПОЛИЭТИЛЕНОМ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах (техн. науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

5 ДЕК 2013

005541868

Работа выполнена на кафедре трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина»

Малышев Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор кафедры трибологии и технологий ремонта Н/Г оборудования ФГБОУ ВПО РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина.

Куксенова Лидия Ивановна

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией методов и технологий упрочнения ФГБУН ИМ имени A.A. Благонравова РАН

Протасов Виктор Николаевич

доктор технических наук, профессор кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности ФГБОУ ВПО РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП - 1, Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина.

Автореферат разослан « 22 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Метод микродугового оксидирования (МДО) является одной из наиболее перспективных технологий формирования покрытий с универсальными свойствами поверхностного слоя. Сформированные этим методом покрытия за счет своих превосходных свойств - сочетания высокой износостойкости, коррозионной стойкости, а также тепло- и эрози-онностойкости, могут использоваться в производстве узлов и деталей для самых разных областей промышленности. Изучением свойств покрытий, сформированных МДО-методом, занимались как российские, так и зарубежные ученые. В частности исследованиями МДО-покрытий занимались: в ИНХ СО РАН - группа Маркова Г. А. - автора метода МДО; в НИТУ МИСиС - Тимошенко А. В., Ракоч А. Г.; в ИХ ДВО РАН - Гордиенко П. С., Руднев В. С.; в ДХТИ (Днепропетровск) - Снежко Л. А., Черненко В. И.; в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина - Федоров В. А., Малышев В. Н., Ефремов А. П.; а также ученые в Китае, Англии и во многих других странах.

Микродуговое оксидирование осуществляют в анодном, катодном и анодно-катодном режимах. Наилучшие показатели высокой твердости, износостойкости, адгезии и возможности использования в качестве триботехнического материала имеют МДО-покрытия, получаемые анодно-катодным методом. При этом покрытия состоят из двух слоев: верхнего - пористого, и внутреннего - плотного, с высокой адгезией, прочностью, и практически беспористого. Основной проблемой использования МДО-покрытий в качестве триботехнического материала являются высокие значения коэффициента трения и необходимость обязательной механической обработки поверхностного слоя, который составляет от 10 до 30% от толщины покрытия, для ликвидации пористости и снижения шероховатости поверхности. В ряде случаев удаление поверхностного слоя МДО-покрытия методом алмазного шлифования создает определенные трудности, в особенности, если деталь имеет сложную конфигурацию.

В целом изучению снижения пористости поверхностного слоя МДО-покрытий уделяется большое внимание, поскольку величина пористости существенно влияет как на физико-механические, так и на триботехнические характеристики покрытий. При высоком содержании пор основные физико-механические свойства покрытия - НУ, Е и другие -снижаются. Пористость также влияет на величину допустимой удельной нагрузки.

Поэтому для расширения диапазона триботехнических характеристик МДО-покрытий актуальной становится задача достижения минимальной пористости поверхностного слоя, путем его пропитки полимерным материалом, который при разогреве в процессе трения выходил бы на поверхность и работал как смазочный материал.

Разработкой полимерных покрытий для нанесения на стальную основу и изучением их свойств занимались Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В., Белый В. А., Петроковец М. И.,

Протасов В.Н., Савкин В. Г., Смуругов В. А. и другие. Основная проблема таких покрытий - низкое сцепление со стальной основой.

Устранение пористости поверхностного слоя покрытия, сформированного методом анодно-катодного микродугового оксидирования, пропиткой полимерным материалом лишено указанных недостатков и способно расширить сферу применения МДО-покрытий в узлах трения.

Объектом исследований в настоящей работе являются поверхности трения, состоящие из антифрикционного композиционного покрытия, на основе пористого МДО-слоя, пропитанного полимерным материалом с требуемыми свойствами, которые обеспечивают расширение диапазона триботехнический характеристик по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

Целью диссертационной работы являлось расширение диапазона триботехниче-ских характеристик традиционных МДО-покрытий, за счет пропитки пористого поверхностного слоя, сформированного микродуговым методом, антифрикционным полимерным материалом.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработать способ получения антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий на основе МДО-технологии;

2. Обосновать выбор полимерного материала и разработать технологию пропитки поверхностного слоя МДО-покрытия;

3. Исследовать физико-механические свойства новых композиционных керамико-полимерных покрытий;

4. Исследовать триботехнические характеристики керамико-полимерных покрытий МДО - СВМПЭ в условиях трения скольжения в присутствии различных смазочных сред и в паре трения с закрепленным абразивом при различных режимах нагружения и сравнить их с показателями традиционных МДО-покрытий.

5. Разработать практические рекомендации по диапазону применения новых антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий для узлов трения.

Научная новизна работы

1. Предложен метод создания композиционного антифрикционного керамико-полимерного покрытия с улучшенными триботехническими характеристиками, заключающийся в заполнении порового пространства поверхностного слоя МДО-покрытия сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ), который при разогреве в процессе трения выходит на поверхность и работает как смазочный материал.

2. Показано, что пропитка МДО-покрытий СВМПЭ снижает коэффициент трения в средах с низкими смазывающими свойствами (вода, 3% раствор ЫаС1) при удельных нагрузках до 5 МПа от 1,1 до 1,7 раза, а при удельной нагрузки до 10 МПа - более чем в 3 раза, что обусловлено разогревом СВМПЭ, переходом в

высоко-эластичное состояние и работой в зоне трения в роли антифрикционного смазочного материала. Это обеспечивает повышение износостойкости поверхностей трения в 1,5 - 2 раза, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

3. Показано, что для сред с хорошими смазывающими свойствами (керосин, вазелиновое масло) реализация процессов трения осуществляется в пределах полимерного слоя, удерживаемого в зоне контакта за счет пористости МДО-покрытия, за счет чего обеспечивается стабилизация коэффициента трения на уровне 0,05 - 0,1 в диапазоне удельных нагрузок от 2 до 15 МПа. Это способствует повышению износостойкости композиционного материала от 2 до 3 раз, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

4. Разработана методика снижения сквозной поверхностной пористости МДО-покрытий при отсутствии традиционной механической обработки поверхностного слоя за счет пропитки поверхности МДО-покрытий СВМПЭ.

Практическая значимость работы:

1. Разработана технология формирования на поверхности трения композиционного антифрикционного керамико-полимерного покрытия на основе МДО-слоя с пропиткой СВМПЭ, которая позволяет существенно расширить номенклатуру деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок и жидкостных средах с низкими смазывающими свойствами.

2. Применение разработанной технологии формирования износостойких антифрикционных керамико-полимерных покрытий на основе МДО-метода с пропиткой СВМПЭ в производстве уплотнительных колец для штанговых плунжерных и поршневых насосов и шаров для шаровых кранов запорной арматуры, позволяет повысить срок их службы в 2-3 раза.

3. Разработана лабораторная установка для испытаний материалов и покрытий в условиях трения скольжения с системой самоустановки образца в процессе трения и регистрацией силы трения в диапазоне от 0 до 70 Н. Установка используется для проведения лабораторных работ по курсу "Основы трения и изнашивания". Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод создания антифрикционных керамико-полимерных композиционных покрытий с улучшенными триботехническими характеристиками по сравнению с традиционными МДО-покрытиями;

2. Результаты морфологического и металлографического исследований антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий;

3. Методика и результаты определения пористости МДО-покрытий до и после пропитки СВМПЭ;

4. Результаты исследования адгезионных свойств композиционных керамико-полимерных покрытий на основе пористого МДО-слоя, пропитанного СВМПЭ;

5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность применения антифрикционных керамико-полимерных покрытий в условиях трения скольжения в различных смазочных средах и расширяющих диапазон удельных нагрузок их применения по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования, использованием современных математических методов моделирования физических процессов при трении и изнашивании, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходе выполнения настоящей работы и их сопоставления с литературными данными, практической реализацией разработанных научных и технических решений.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях: V научно-технической интернет-конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2010), IX Всероссийской научно-технич. конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012), 67-й Международной молодежной научной конференции «НЕФТЬ И ГАЗ -2013» (Москва, 2013), Десятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2013), X Российской конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физика-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2013), Международном симпозиуме «ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ 2013» (Москва, 2013).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 3 опубликованы в рекомендованных ВАК РФ журналах, подана 1 заявка на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 201 стр., включая 25 табл., 66 рис. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 133 наименований.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научное руководство и помощь на всех этапах от постановки задачи до выполнения работы научному руководителю профессору, д.т.н. В.Н. Малышеву.

Особая благодарность к.т.н., доценту, Гантамирову Б.М., а также коллективу кафедры трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина: проф. Елагиной О.Ю., проф. Пичугину В.Ф., доц. Бурякину A.B., доц. Гусеву В.М., доц. Левину С.М., инж. Слободянникову Б.А., инж. Канунникову H.H., инж. Буклакову А.Г., инж. Волкову И.В. за неоценимую помощь в ходе подготовки диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, определены цель и задачи работы, рассмотрены научная новизна и практическая ценность исследований и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В этой главе обобщены литературные и патентные сведения по изучаемой проблеме.

В первом параграфе рассмотрены методы формирования износостойких покрытий, свойства поверхностных слоев, получаемых этими методами. Показаны основные достоинства и недостатки основных методов инженерии поверхности по сравнению с микродуговым оксидированием (МДО). Показано, что научно-техническое направление, связанное с использованием методов упрочнения, основанных на воздействии на рабочую поверхность деталей концентрированного потока высокоэнергетических квантов (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров) и более крупных частиц, к которым относится метод микродугового оксидирования, является одним из актуальных и способствует продвижению научно-технического прогресса.

Во втором параграфе проведен анализ различных методов микродугового оксидирования, рассмотрены их достоинства и недостатки, а также свойства получаемых этими методами покрытий. Подробно описана суть метода микродугового оксидирования. Затронуты вопросы предыстории открытия метода МДО и современные проблемы в этой области. Обсуждены работы ученых, занимающихся МДО-технологией, прежде всего: Маркова Г.А. (ИНХ СО РАН), Федорова В.А., Малышева В.Н., Ефремова А.П. (РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина), Тимошенко A.B., Ракоча А.Г. (МИСиС), Руднева B.C., Гордиенко П.С. (ИХ ДВО РАН), Curran J.A, Clyne T.W.,(Великобритания), Jie Guo, Liping Wang (Китай) и др. Установлено, что одним из перспективных направлений исследования метода с целью его усовершенствования является улучшение триботехнических характеристик МДО-покрытий за счет заполнения поверхностного слоя материалом, проявляющим при трении антифрикционные свойства.

В третьем параграфе поставлены основная цель и задачи исследования. Определены основные направления работы в области усовершенствования метода МДО. Выявлено, что для расширения диапазона триботехнических характеристик МДО-покрытий актуальной становится задача достижения минимальной пористости поверхностного слоя, путем его пропитки полимерным материалом, который при разогреве в процессе трения выходил бы на поверхность и работал как смазочный материал.

Глава2.ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Данная глава посвящена разработке и выбору исследуемых материалов и режимов формирования МДО-покрытий, а также методике проведения испытаний. Представлены методики подготовки образцов для определенных видов исследований: триботехнических свойств, адгезионной прочности, микротвердости и других характеристик покрытий.

Первый параграф этой главы посвящен разработке установки микродугового оксидирования для создания МДО-покрытий в анодно-катодном режиме с возможностью их формирования на крупных деталях нефтегазовой промышленности, таких, как замки бурильных труб, поршни двигателей внутреннего сгорания, торцевые уплотнения и рабочие колеса насосов (выполненных из алюминиевых сплавов и др.). Приведена схема и технические характеристики установки МДО. Использованы следующие режимы процесса: среднее значение плотности тока поддерживалось с точностью ± 2,5% и не превышало > 30 А/дм2, величина пульсаций напряжения с частотой 50 Гц составляла 3,5 - 4,0% от среднего значения, соотношении hJIa= 1,0 - 1,2 (анодно-катодный режим).

Во втором параграфе был проведен выбор алюминиевых сплавов. Для исследований использовались сплавы на основе системы Al-Cu-Mg: Д16, Д16Т, и системы Al-Mg: АМгб. Они обладают высокой прочностью и отличаются коррозионностойкостью, а МДО-покрытия на них отличаются высокими показателями износостойкости. Покрытия формировали на образцы из указанных материалов следующих размеров: 10x10x10 (тип колодка) для проведения триботехнических испытаний на машине трения СМЦ-2, образцы диаметром 10 мм с толщиной 8 мм для проведения испытаний на изнашивание по абразиву, образцы разной формы и размеров для других методов исследования.

Третий параграф посвящен выбору электролита для формирования МДО-покрытий. В качестве электролита использовался водный раствор щелочи КОН ГОСТ 9285-78 с концентрацией 1 - 2 г/л, квалификации «х.ч», раствор щелочи КОН с добавкой жидкого стекла (Na2SiOi с модулем т =ySi02/xNa20 = 3.0 и плотностью р= 1,47-103 кг/м3) различной концентрации. Общая концентрация элементов по объему не превышала 8 -10%. Также использовались трехкомпонентные электролиты, когда в состав электролита, помимо указанных выше компонентов, добавлялся гексаметафосфат натрия - ГМФН (NaePsOis), который используют для повышения рассеивающей способности, и электролиты на основе КОН с добавками соли - алюмината натрия (NaAl02). Температура электролита поддерживалась в пределах 15-40 °С. рН электролита находился в пределах 9 -11.

В четвертом параграфе представлено оборудование, использованное для определения толщины МДО-покрытий: микропроцессорные толщиномеры ElektroPhysik MiniTest 600 и Easy Check FN, цифровой микрометр Knuth IP 54.

В пятом и шестом параграфах представлена методика подготовки шлифов для изучения микроструктуры покрытий и проведения морфологического анализа и металлографических исследований. В качестве оборудования использовались ленточная шлифо-

8

вальная машина Корвет - 51, и шлифовально-полировальный станок APOL LS2/LSA6-40-SAS. Исследования состояния поверхностного слоя проводили металлографическими методами на опытных образцах с МДО-покрытием до и после тестирования их на триболо-гические характеристики.

В седьмом параграфе описана методика определения микротвердости МДО-покрытий. Исследование микропрочностных свойств упрочненного слоя алюминиевых сплавов проводили на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 15150-69.

В восьмом параграфе приведена методика определения пористости покрытий. Пористость определялась методом стереометрической металлографии с использованием программы Scion Image (бета-версии 4.0.2) и ImageJ, а также графических изображений поперечных шлифов МДО-покрытий, полученных на микроскопе NIKON МА200. Изображения подготавливались специальным образом в режиме градаций серого. Черные области принимались в качестве пор, и подсчитывалась их площадь.

Рисунок 1 - Видеоизображения МДО-покрытия:

а) с наложением серой градиентной маски, б) с выделенными порами, в) выделенные поры в покрытии Пористость МДО-покрытия в процентах вычислялась по формуле:

Л = —-100,% (1)

ТА

где П - содержание пор в %, ТА (Total Area) - общая площадь МДО-покрытия, ВА (Black Area) - общая площадь черных областей.

В девятом параграфе представлена модифицированная клеевая методика определения адгезионных свойств покрытий. Полимерное покрытие наносилось между двумя МДО-поверхностями, расплавлялось, а после остывания образцы разрывались на разрывной машине. Величина адгезии определялась по максимальной нагрузке, зафиксированной при разрыве полимерного покрытия и характеристикам поверхности разрушения. В качестве оборудования использовалась универсальная испытательная машина SH1MADZU 20ED для испытания образцов на одноосное статическое растяжение. Величина прочности сцепления подсчитывалась по формуле:

а - Ртах , (2)

F0

где Ртах - нагрузка в Н, при которой произошел отрыв образцов,

/•о - площадь поверхности образца в м2, за которую принималось значение площади поперечного сечения.

В десятом параграфе приведена методика определения триботехнических характеристик керамико-полимерных покрытий на основе МДО-слоя. Для проведения лабораторных исследований основных закономерностей процессов трения и изнашивания была принята схема безударного трения скольжения по площади, пара трения колодка-ролик (машина трения СМЦ-2). Были приняты следующие параметры испытаний:

• линейная скорость 0,9 м/с (для роликов 035 мм) и 1,3 м/с (для роликов 050 мм);

• удельная нагрузка 2 МПа, 5 МПа, 10 МПа, 15 МПа, 20 МПа;

• путь трения образцов составлял 1099 м (при скорости 0,9 м/с) и 1578 м (при скорости 1,3 м/с).

Цилиндрические образцы наружным диаметром 35 и 50 мм изготавливались из стали 40X13, НЯС44. Колодки прямоугольной формы сечением 10x10x10 мм изготавливались из сплава Д16Т, формировалось МДО-покрытие, на часть из них наносили слой сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) по технологии, приведенной в главе 3.

В качестве рабочих сред были использованы техническая вода, минерализованная вода с 3% ЫаС1, керосин, синтетическое масло и вазелиновое масло. Массовый износ колодки и ролика оценивался на аналитических весах типа 011-202 (фирма "А&О Сотрапу Ь1сГ\ Япония) с точностью ±0,1 мг. Рассчитывали коэффициент трения / скорость изнашивания V и интенсивность изнашивания /г.

В одиннадцатом параграфе приведена методика обработки опытных данных, а также методика определения необходимого числа опытов. Представлен пример обработки экспериментальных данных и расчет необходимого числа микровдавливаний для каждого смещения относительно границы Л1 - МДО-покрытие при определении микротвердости.

Глава3.РАЗРАБОТКА МЕТОДА СОЗДАНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО МДО-СЛОЯ

Данная глава посвящена исследованиям по расширению диапазона триботехнических характеристик МДО-покрытий, путем пропитки полимерным материалом. В ней представлены выбор материала и способа пропитки МДО-покрытия, определение адгезии полимерного слоя к МДО-подложке и других свойств композиционного покрытия.

В первом параграфе главы представлены требования к материалу для пропитывающего слоя. Проведен анализ свойств полимерных материалов, который показал, что наиболее подходящими свойствами для создания модифицированного защитного слоя обладает сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который отличается, по сравнению с другими полимерами, следующими характеристиками: высокой прочностью; высокой стойкостью к удару и к растрескиванию; высокими антифрикционными свойствами, близкими к свойствам фторопласта и полиамида; низким коэффициентом трения, равным коэффициенту трения фторопласта и полиамида; высокой износостойкостью, по сравне-

10

нию с другими полимерами; способностью сохранять механические свойства в широком интервале температур: от - 269 до +120 °С; высокой химической стойкостью.

Следует отметить также, что СВМПЭ относится к термопластам, т.е. он не подвержен деструкции при высокой температуре, и в процессе трения размягчается, переходит в вязко-текучее состояние, выступая на поверхности трения в роли твердой смазки. В отличие от фторопласта он имеет существенно ниже стоимость.

Поэтому для пропитки поверхностного слоя в качестве материала был выбран сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки «Полинит». Были определены основные характеристики порошка СВМПЭ: гранулометрический состав по ГОСТ 34758 -60 - 100 мкм; насыпная плотность по ГОСТ 19440 - 0,373 г/см3; текучесть порошка по ГОСТ 20899 - 840 секунд; влажность - 3,4%.

Второй параграф посвящен разработке технологии нанесения полимерного покрытия на пористую поверхность образцов, обработанных методом МДО.

В этом разделе подробно представлен выбор способа нанесения порошкового полимерного покрытия, обсуждены и проанализированы традиционные методы нанесения порошковых полимерных материалов. Разработан экспериментальный метод нанесения порошка СВМПЭ на поверхность МДО-покрытия. За основу метода были взяты газопламенное и пневматическое напыление. На предварительно разогретую с помощью кислородно-ацетиленового пламени поверхность образца наносился порошок СВМПЭ путем пневматического распыления с его последующей активацией и плавлением. Затем производилось охлаждение полимерного слоя на воздухе при комнатной температуре. На рисунке 2 приведена схема процесса нанесения слоя СВМПЭ. Основное отличие экспериментального метода от традиционного газопламенного напыления заключается в том, что порошок подается с большой скоростью в зону нагрева детали, а не в пламя горелки. Это позволяет исключить сгорание частиц порошка СВМПЭ, избежать перегрева изделия.

Рисунок 2 - Схема нанесения слоя СВМПЭ на МДО-покрытие:

1 - кислородно-ацетиленовая горелка; 2 - порошок СВМПЭ; 3 - образец с МДО-покрытием

Толщина полученного композиционного покрытия определялась с помощью микропроцессорного толщиномера Easy Check FN. За толщину полимерного покрытия из СВМПЭ бралась разность общей толщины композиционного покрытия и толщины МДО-покрытия. Средняя толщина полимерного слоя составляла 60 - 80 мкм.

Другим экспериментальным методом нанесения СВМПЭ на МДО-покрытия является шликерный метод. При пропитке с использованием шликерного способа предварительно готовят шликер, состоящий из порошка СВМПЭ и глицерина. Изделие помещают в предварительно разогретую до температуры 240 °С печь, выдерживают до полного расплавления и пленкообразования (спекания) полимерного слоя, после чего происходит охлаждение и его полимеризация при комнатной температуре.

Шликерный метод был использован для нанесения СВМПЭ преимущественно на плоские поверхности, для сложнопрофильных изделий, таких как, например, шары и цилиндры применяли описанный выше экспериментальный метод, разработанный в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина на основе газопламенного напыления, с использованием приспособления для вращения образцов.

Использование метода плазменного напыления позволяет существенно расширить возможности импрегнирования СВМПЭ на МДО-покрытия, поскольку при этом методе обеспечивается более высокая температура, инертность среды и высокие скорости полета частиц. Это дает возможность в широком диапазоне регулировать толщину и свойства полимерного слоя и в значительной степени устранить недостатки, присущие газопламенному методу напыления. Кроме того, плазменное напыление позволяет получить более высокую адгезионную прочность полимерных покрытий.

Описанные выше методы нанесения СВМПЭ на МДО-покрытие показали положительный результат и их можно рекомендовать для практического применения.

Третий параграф посвящен исследованию свойств модифицированных МДО-покрытий.

На рисунке 3 представлена топологическая модель поперечного сечения МДО-покрытия, построенная с помощью программы Scion Image. Данная модель показывает, насколько развитую поверхность имеет поверхностный слой после обработки микродуговым оксидированием. Для слоя СВМПЭ этот факт играет положительную роль в увеличении адгезии и снижении поверхностной пористости.

б)

Рисунок 3 - Видеоизображения пористой структуры МДО-покрытия:

а) топографическая модель, построенная в программе Scion Image, б) З-d модель

Рисунок 4 - Поверхность покрытия МДО + СВМПЭ: а) увеличение х50, б) увеличение х200

Металлографическим анализом поперечных шлифов покрытий МДО+СВМПЭ (рисунок 5)установлено, что:

• Структура слоя СВМПЭ - беспористая, плотная.

• Заполнение поверхностных пор МДО-слоя практически полное.

• Переходная зона МДО-СВМПЭ составляет порядка 20 мкм.

1 - А1 подложка; 2 - МДО-покрытие; 3 - СВМПЭ; 4 - Сплав Вуда

Таким образом, с помощью импрегнирования внешнего слоя МДО-покрытия СВМПЭ достигается практически полная пропитка пористой структуры поверхностного слоя полимером. Это обеспечивает высокую адгезию полимера к МДО-покрытию, а СВМПЭ, находясь в порах, проявляет себя как антифрикционный материал.

Расчет пористости МДО-покрытий до и после нанесения полимерного слоя показал, что объемная пористость покрытий со слоем СВМПЭ снижается с 4 - 5 % до 2%. Проведен расчет размеров пор в покрытии (таблица 1).

Таблица 1 - Размеры пор в МДО-покрытии

Размер поры, мкм2 Количество пор % от общей площади пор Площадь пор, мкм2 Средний размер пор, мкм2

0,00-1,00 425 7,98 104,029 0,245

1,00-10,00 139 30,92 403,102 2,900

10,00-50,00 27 39,55 515,534 19,094

50,00-100,00 2 10,80 140,771 70,385

>100,00 1 14,86 193,758 193,758

Помимо снижения объемной пористости покрытия СВМПЭ заполняет сквозные поверхностные поры, которые могут составлять до 15% от занимаемой площади всех пор в покрытии. При трении покрытия МДО+СВМПЭ полимер, по мере открытия новых пористых слоев, проникает во вновь появившиеся поры.

Исследования прочности сцепления СВМПЭ к МДО-покрытию позволили выявить три характерных случая: разрыв адгезионной связи; разрыв когезионной связи и смешанный разрыв. На рисунке 6 представлены фотографии образцов после разрыва.

а) б) в)

Рисунок 6 - Поверхность после испытаний на разрыв: а) разрыв адгезионной связи, б) разрыв когезионной связи, в) разрыв смешанных связей

Отрыв МДО-покрытия от алюминиевой подложки можно характеризовать тем, что при сильных адгезионных и когезионных связях (смешанный случай) отрыв полимерного слоя происходит неравномерно по толщине. Так как СВМПЭ обладает высокой пластичностью, его относительное удлинение может составлять порядка 300%, то при растяжении пленка может отслаиваться неравномерно, и в локальных зонах с высокой адгезией полимера растягивающие напряжения существенно возрастают, за счет чего происходит отрыв МДО-покрытия. На рисунке 7 хорошо видно зону отрыва МДО-покрытия.

На фотографии линия отрыва МДО-покрытия плавно переходит к слою СВМПЭ, также хорошо прослеживается зона отрыва полимерного слоя, который имеет когезион-ный характер. Следовательно, можно сделать вывод о том, что в локальном объеме покрытия МДО + СВМПЭ порядок величин адгезии СВМПЭ к МДО-покрытию может быть соизмерим с величиной адгезии самого МДО-покрытия к подложке.

Рисунок 7 - Зона отрыва МДО-покрытия (хЮО):

I - СВМПЭ; 2 - Внешний слой МДО-покрытия; 3 - Основной слой МДО

В механизме сцепления полимерного слоя с МДО-покрытием важным фактором увеличения адгезии является увеличение (до 32%) площади контакта полимерного слоя с поверхностью покрытия (величина получена расчетным методом с помощью программы Scan Image).

Таким образом, СВМПЭ, пропитывая поверхностный слой МДО-покрытия, заполняет его пористую структуру и, обладая достаточной адгезией к МДО-покрытию, обеспечивает создание композиционного антифрикционного керамико-полимерного материала, устойчивого к восприятию нагрузок в условиях эксплуатации.

Микротвердость определяли по всей толщине упрочненного слоя от границы - металл - упрочненный слой к поверхности образца. Отпечатки наносились на расстоянии друг от друга и в шахматном порядке для исключения их взаимовлияния с шагом 20 мкм. По результатам исследований был построен график зависимости изменения микротвердости модифицированных МДО-покрытий по толщине покрытия (рисунок 8).

Из данного графика видно, что в модифицированных покрытиях МДО-слой является твердой подложкой для полимерного покрытия. Заполняя поры поверхностного слоя, СВМПЭ в процессе работы покрытия на трение создает полимерную пленку, проявляющую самосмазывающие свойства. Таким образом, модель покрытия МДО + СВМПЭ соответствует правилу положительного градиента механических свойств по глубине (по Крагельскому И.В.).

б)

Рисунок 8 - Характер изменения микротвердости по толщине композиционного покрытия (а) и микрорельеф покрытия МДО + СВМПЭ (б):

1 - СВМПЭ; 2 -МДО-покрытие; 3 - Алюминиевый сплав

•50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150

Толщина покрытия, мкм

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Данная глава посвящена экспериментальным исследованиям фрикционных характеристик покрытий в зависимости от рабочей среды в условиях однонаправленного скольжения, а также оценке их износостойкости при испытаниях на абразивное изнашивание.

Первый параграф данной главы посвящен особенностям трения и изнашивания модифицированных МДО-покрытий в различных средах.

На рисунке 9 представлены зависимости изменения коэффициента трения от пройденного пути трения при различной удельной нагрузке для образцов с МДО- и покрытиями МДО + СВМПЭ при скорости 0,9 м/с.

0,60 0,so

0,40

0,00

\

4-* \

t 17

i «Л

"ш

> -н»

t

fj и с шг ж у

■

id* Ж. "d

> Г

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Путь трения, м

■ее МДО-покрытие при уд.нэгрузке 2 МПа Ш

-*8~МДО+С8МПЭ-поирытие при уд.нагрузне 2 МП^

- М ДО-покрытие при уд.нагрузне 5 МПа (Ь

~е~МДО+СВМПЭ-покрытие при уд.нагрузне 5 МПа

Ю

Рисунок 9 - Изменение коэффициента трения МДО-покрытий и покрытий МДО+СВМПЭ в паре трения с роликом из стали 40X13 (НЯС 44) в течение эксперимента при удельных нагрузках 2 МПа и 5 МПа (смазывающая среда - вода)

На рисунке 10 приведены графики изменения коэффициента трения в зависимости от нагрузки при трении в различных средах.

0,9

I 0,7 0J

£■0,6

I 0,5 0>

0,4

X

•е-о.з •е-

Ш 0,2

О

* од

ш / 4-1

ti

1 Ь- a ч

t t: г <A

I h A. (-

/ f- / У "if

-if V —i

4 Т" "H

О 5 10 15

Удельная нагрузка, МПа

£■0,6 X 0,5

<и

J 0,4 S

-в-0,3

-е-S

* од

Удельная нагрузка, МПа

-^вазелиновое масло 1 и*~керосин 2 -»-техническая вода з

-^-полусинтетичесмое моторное масло 4 NaCi-pacreop 5

а) б)

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента трения МДО-покрытий (а) и покрытий МДО+СВМПЭ (б) в паре трения с роликом из стали 40X13 (НЛС 44) от удельной нагрузки в различных смазочных средах

Снижение коэффициента трения при нагрузке 2 МПа составляет практически 70 %, а при нагрузке 5 МПа - 45 % (для среды - техническая вода). При удельной нагрузке 10 МПа образцы, изготовленные по рекомендуемой технологии, показали высокие результаты при относительно небольшой скорости изнашивания образца и контртела, в отличие от

образцов МДО-покрытий без полимерного слоя. В отдельных случаях, особенно при высокой удельной нагрузке (10 МПа), это приводило к заеданию пары трения. Следует отметить тот факт, что импрегнирование МДО-покрытий слоем СВМПЭ существенно расширяет возможности применения новых композиционных керамико-полимерных покрытий при повышенных нагрузках. В этом случае, даже в средах с плохими смазочными свойствами, такими как вода и 3% раствор ЫаС1, величина применимой удельной нагрузки возрастает до 10 МПа, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями (6-7 МПа). В средах с хорошими смазывающими свойствами - керосин, вазелиновое масло и полусинтетическое моторное масло, диапазон величины удельной нагрузки еще более расширен. Поэтому применение таких фрикционных пар возможно при работе с удельной нагрузкой до 20 МПа с относительно низким коэффициентом трения. Керосин имеет относительно хорошую смазывающую способность, но для пары трения сталь 40X13 - МДО-покрытие величина коэффициента трения существенно выше при удельной нагрузке от 0 до 10 МПа, чем для пары трения сталь 40X13 - МДО + СВМПЭ (от 0 до 20 МПа). Этот факт можно объяснить тем, что керосин, попавший в поры МДО-покрытия, при высокой удельной нагрузке испаряется с поверхности под влиянием нагрева зоны трения, тем самым ухудшая антифрикционные свойства трущейся поверхности. Для пары трения сталь 40X13 -МДО+СВМПЭ, вследствие импрегнированного полимерного слоя, смазывающие свойства поверхности трения не нарушаются, что видно из рисунка 10, б. Наименьшая величина коэффициента трения - Г = 0,04 композиционных антифрикционных керамико-полимерных покрытий была получена при трении в вазелиновом масле при удельной нагрузке 12 МПа.

По результатам экспериментов были построены графики зависимости интенсивности изнашивания от удельной нагрузки (рисунок 11), из которых видно, что с увеличением удельной нагрузки интенсивность изнашивания МДО-покрытий растет, а для покрытий МДО + СВМПЭ она изменяется несущественно. В случаях, когда износ МДО-покрытий был выше, чем для покрытий с дополнительным полимерным слоем, наблюдалось и существенное изнашивание контробразца (ролика). Следовательно, покрытия МДО + СВМПЭ проявляют лучшие износостойкие свойства, при этом интенсивность изнашивания с ростом удельной нагрузки изменяется равномерно.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что импрегнирование СВМПЭ существенно улучшает износостойкие свойства традиционных МДО-покрытий.

На рисунке 12 представлены фотографии колодок, после испытаний на трение. На этих фотографиях хорошо видны следы и канавки трения, характерные для условий однонаправленного скольжения в воде, обладающей плохими смазывающими характеристиками. Однако, для МДО-покрытий (рисунок 12, а) эти канавки более явные и глубокие, хорошо прослеживаются зоны трения, выделяющиеся более темным цветом. В свою очередь, покрытия МДО + СВМПЭ более гладкие, и имеют практически зеркальную поверхность (рисунок 12, б).

2 230 —-

о 2,00

к

3

ТО 0.50

Удельная нагрузка, МПа

»^вазелиновое масло 1

керосин 2 -^техническая вода з_

2 2.50

^

А ь- о тЧ 2.00

о

со и К 5 1.50

X I

й) *— ГО ш 1,00

I Г

3

го 0,50

т 5

0,00

20 О Э 10 15

Удельная нагрузка, МПа

полусинтетическое моторное масло 4 ■~&«~3%МаС1-раствор 5

а) б)

Рисунок 11 — Зависимость интенсивности изнашивания МДО-покрытий (а) и покрытий МДО+СВМПЭ (б) в паре трения с роликом из стали 40X13 (НЯС 44) от удельной нагрузки в различных смазочных средах

а) б)

Рисунок 12 - Изношенные колодки (увеличение х 10): а) с МДО-покрытием, б) с покрытием МДО + СВМПЭ Профилограммы, приведенные на рисунке 13, а также показатели шероховатости поверхности колодок после трения (Яа = 1,98 мкм для МДО-покрытия, Яа = 0,24 мкм для покрытия МДО+СВМПЭ) свидетельствуют о том, что СВМПЭ, заполняя поровое пространство поверхностного слоя МДО-покрытия и работая как смазочный материал, улучшает триботехнические характеристики, по сравнению с МДО-покрытиями.

-Л Л .л

■ к у и«"^ • Г —..... "Ч/ у -----IV V V ■^•Ч- ■

„1

Р'-щ-к.г.'Л Р; 030.8 мы];

.____

1 -Т..... ¥ " " ..... Ч............:::...........

Рисунок 13 - Профилограммы поверхности трения изношенных колодок (после испытаний в воде - уд.нагрузка 5МПа):а) МДО-покрытие, б) покрытие МДО + СВМПЭ

19

Важно отметить, что участки МДО-иокрытия и СВМПЭ в его порах, при трении работают одновременно, что существенно снижает коэффициент трения (рисунок 14). При этом СВМПЭ, обладая большим коэффициентом температурного расширения по сравнению с МДО-покрытием, выходит на поверхность при разогреве в процессе трения и работает как смазочный материал.

Второй параграф данной главы посвящен исследованию износостойкости модифицированных МДО-покрытий. Для проверки работы исследуемых покрытий в условиях абразивного изнашивания была разработана лабораторная установка и методика испытаний по определению износостойкости, позволяющая проводить испытания на трение и износ в широком диапазоне рабочих параметров.

Схема установки представлена на рисунке 15. Конструкция установки предусматривает воспроизведение схемы трения пальчиковый образец - диск-контртело. Образец 1 зажимается цанговым зажимом в образцедержателе 2 и нагружается сверху грузом 3. Для обеспечения стабильности установки образцов применен пантографный механизм 4 в виде сдвоенного шарнирного четырехзвенника, гарантирущий параллельность рабочей поверхности образца 1 и диска-контртела 5. Рычаг 4 образцедержателя связан с противовесом 6 для его уравновешивания относительно стойки 7. Это позволяет точно нагружать исследуемый образец, особенно при малых удельных нагрузках, что повышает достоверность результатов испытаний.

Рисунок 14 - Микрорельеф покрытия МДО + СВМПЭ после трибологических испытаний (увеличение х500)

Рисунок 15 - Схема лабораторной установки

В качестве диска-контртела 5 могут использоваться как диски из различных материалов, так и абразивные круги или диски с наклеенной абразивной шкуркой при испытании на абразивное изнашивание. При этом путь трения образца 1 по поверхности абразивного круга представляет собой спираль Архимеда за счет радиального перемещения образца 1, получающего движение от реверсивного двигателя 8.

Оценка относительной износостойкости проводилась на разработанной лабораторной установке при изнашивании образцов покрытий о закрепленные абразивные частицы. В качестве абразива был использован абразивный круг из карбида кремния зеленого (КЗ), зернистостью < 0,070 мм, имеющего микротвердость абразивных частиц порядка 32 ГПа. Испытания осуществляли при удельной нагрузке 0,02 - 0,2 МПа с подачей в зону трения воды для удаления продуктов изнашивания. Скорость скольжения составляла 0,6 - 1,0 м/с. Каждый опыт проводился в течение 15 с, путь трения за это время (спираль Архимеда) составлял 22 м. В таблице 2 представлены результаты испытаний на абразивное изнашивание МДО-покрытий и покрытий МДО + СВМПЭ, а также других материалов. Для сравнения данных по абразивному износу модифицированных МДО-покрытий в тех же условиях были испытаны следующие материалы: сталь 20, сталь 12Х18Н10Т, сталь 20X13, чугун СЧ 18, латунь, фторопласт Ф-4. По результатам испытаний строился график зависимости интенсивности изнашивания от удельной нагрузки (рисунок 16).

Материал Интенсивность изнашивания 10°г/м (при удельной нагрузке, МПа)

0,06 0,13 0,19 0,25 0,32

Сталь 12Х18Н10Т 41,82 95,76 129,24 174,55 204,32

Сталь 20X13 53,18 117,88 175,61 250,76 288,41

Сталь 20 27,58 66,21 170,30 226,97 240,91

Чугун СЧ 18 53,79 116,21 171,36 253,03 319,09

Латунь 126,97 199,24 298,48 398,94 485,23

Фторопласт Ф-4 72,42 126,97 181,06 201,82 220,68

МДО-покрытие 20,00 34,70 62,73 95,00 151,14

МДО +СВМПЭ 32,42 89,09 107,27 150,95 188,26

Следует отметить, что, несмотря на то, что интенсивность изнашивания покрытий МДО + СВМПЭ при абразивном изнашивании ниже, чем у традиционных МДО-покрытий, она выше, чем у других материалов. Очевидно, что это связано со свойствами СВМПЭ. Так как полимер менее износостойкий, чем МДО-покрытие, то большую долю износа в композиционном покрытии дает именно он. По мере истирания полимера и вступления в работу МДО-слоя, композиционное покрытие становится более износостойким. Причем, слой СВМПЭ при проведении экспериментов, не отслаивался от МДО-покрытия во всем диапазоне исследованных нагрузок.

различных материалов: 1 - Латунь, 2 - Чугун СЧ 18, 3 - Сталь 20X13,4 - Сталь 20, 5 - Фторопласт Ф-4, 6 - Сталь 12Х18Н10Т, 7 - Покрытия МДО + СВМПЭ, 8 - МДО-покрытия

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ КЕРАМПКО-ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МДО-СЮЯ

Данная глава посвящена внедрению результатов исследований и рекомендациям по использованию новых композиционных покрытий МДО + СВМПЭ. Даются подробные практические рекомендации по использованию модифицированных МДО-покрытий.

Сравнительно высокая износостойкость покрытий МДО + СВМПЭ, сопоставимая с износостойкостью традиционных МДО-покрытий, позволяет использовать такие покрытия для повышения износостойкости деталей и узлов трения, работающих даже в присутствии абразивных частиц.

Для условий неабразивного трения минимальная толщина МДО-покрытия, достаточная для обеспечения высокой износостойкости трущегося сопряжения должна быть не менее 80 мкм. При этом слой СВМПЭ не должен превышать 60 - 80 мкм, так как дальнейшее увеличение полимерного слоя ведет к тому, что при работе узла трения будет работать только слой СВМПЭ без участия МДО-подложки. Исследования триботехнических характеристик покрытий МДО+СВМПЭ показали, что их несущая способность выше, чем у МДО-покрытий и определяется удельной нагрузкой до 20 МПа (для сред с высокой смазывающей способностью) в условиях трения скольжения до 1,5 м/с.

Первый параграф пятой главы посвящен областям применения усовершенствованной технологии получения покрытий МДО + СВМПЭ в различных парах трения. Проведенные исследования позволяют расширить применение покрытий МДО + СВМПЭ в узлах трения машин и механизмов и рассматривать их как полноценный заменитель (где это возможно) дорогостоящих и дефицитных материалов (легированных сталей, твердых сплавов и т.д.). В этой связи, значительно расширяется перспектива применения модифицированных МДО-покрытий в различных отраслях промышленности. Наибольшая эффективность использования рекомендуемой технологии получения износостойких покрытий с повышенными антифрикционными свойствами может быть достигнута применительно к деталям, имеющим сложный профиль, а также внутренние изнашиваемые поверхности. В качестве предлагаемого объекта внедрения данной технологии были использованы уплот-нительные кольца для погружных штанговых плунжерных и поршневых насосов и шары для шаровых кранов. На рисунке 17 представлены виды изделий, изготовленных по рекомендуемой технологии.

Применение разработанной технологии формирования МДО-покрытия с СВМПЭ в производстве уплотнительных колец для механических уплотнений штанговых плунжерных и поршневых насосов типа НП-2СПхх, разработанных ООО «Экогермет-М», а также шаров для шаровых кранов запорной арматуры, позволил повысить срок их службы в 2-3 раза.

б)

Рисунок 17 - Уплотнительные кольца (а) и шары для запорной арматуры (б) с покрытием МДО + СВМПЭ Помимо уплотнительных колец для поршневых штанговых насосов и шаров для запорной арматуры, данную технологию можно использовать для изготовления пар трения торцевых уплотнений, подшипников скольжения и других узлов нефтегазопромысло-вого оборудования. Кроме того, такие покрытия позволят обеспечить высокую надежность и длительность работы деталей разнообразных машин, работающих в различных эксплуатационных условиях, заменить дорогостоящие материалы и расширить области применения традиционных МДО-покрытий.

1. Основной проблемой использования МДО-покрытий в качестве триботехнического материала являются высокие значения коэффициента трения и необходимость обязательной механической обработки поверхностного слоя для ликвидации его пористости и снижения шероховатости поверхности.

2. Разработана технология создания антифрикционных композиционных покрытий, позволяющая использовать пористую структуру поверхностного слоя МДО-покрытия как матрицу для формирования керамико-полимерных покрытий с улучшенными трибо-техническими характеристиками, за счет заполнения порового пространства поверхностного слоя МДО-покрытия сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, который работает как смазочный материал в процессе трения. Выявлены методы и режимы нанесения слоя СВМПЭ.

3. Исследованы триботехнические свойства композиционных антифрикционных кера-мико-полимерных покрытий МДО-слой+СВМПЭ. Экспериментально установлено, что пропитка МДО-покрытий СВМПЭ снижает коэффициент трения в средах с низкими смазывающими свойствами (вода, 3% раствор ЫаС1) при удельных нагрузках до 5 МПа от 1,1 до 1,7 раза, а при удельной нагрузке до 10 МПа- более чем в 3 раза, что обусловлено разогревом СВМПЭ, переходом в высоко-эластичное состояние и работой в зоне трения в роли антифрикционного смазочного материала. Это обеспечивает повышение износостойкости поверхностей трения в 1,5-2 раза, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

4. Показано, что для сред с хорошими смазывающими свойствами (керосин, вазелиновое масло) обеспечивается стабилизация коэффициента трения на уровне 0,05 - 0,1 в диапазоне удельных нагрузок от 2 до 15 МПа. Это обуславливается тем, что реализация процессов трения осуществляется в пределах полимерного слоя, удерживаемого в зоне контакта за счет пористости МДО-покрытия, и способствует повышению износостойкости композиционного материала от 2 до 3 раз, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

5. Разработана методика снижения сквозной поверхностной пористости МДО-покрытий за счет пропитки пористого МДО-слоя СВМПЭ, которая позволяет устранить операции механической обработки внешней поверхности МДО-покрытий (шлифования), необходимой для узлов трения скольжения.

6. В результате металлографических и морфологических исследований показано, что при пропитке поверхностного слоя МДО-покрытия СВМПЭ глубина его проникновения в МДО-слой составляет порядка 20 мкм, а объемная пористость снижается с 5% до 2%.

7. Разработана лабораторная установка для испытаний материалов и покрытий в условиях трения скольжения с системой самоустановки образца в процессе трения и регистрацией силы трения в диапазоне от 0 до 70 Н. Установка используется для проведения лабораторных работ по курсу "Основы трения и изнашивания".

8. Испытания на абразивное изнашивание покрытий на разработанной лабораторной установке показали, что износостойкость покрытий МДО + СВМПЭ при абразивном изнашивании ниже, чем у традиционных МДО-покрытий, но выше, чем у таких материалов, как сталь 20, сталь 12Х18Н10Т, сталь 20X13, чугун СЧ 18, латунь, фторопласт Ф-4.

9. Разработаны рекомендации по использованию антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ в узлах трения машин и механизмов. Предложено использование разработанной технологии формирования керамико-полимерного покрытия на основе МДО-технологии с пропиткой СВМПЭ в производстве уплотнительных колец для штанговых плунжерных и поршневых насосов и шаров для шаровых кранов запорной арматуры, которая позволяет повысить срок их службы.

10. Разработанная технология формирования на поверхности узлов трения композиционных керамико-полимерных покрытий позволяет существенно расширить номенклатуру деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок и эксплуатационных жидкостных средах с низкими смазывающими свойствами.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских исследований:

1. Малышев В.Н., Вольхин A.M., Гантамиров Б.М., Ким С.Л. Повышение антифрикционных свойств износостойких МДО-покрытий // Химическая физика и мезоско-пия.-2013.-Т. 15, №2.-С. 285-291.

2. Елагина О.Ю., Никипелов B.C., Пономарев К.З., Вольхин A.M. Исследование коррозионной стойкости алюминиевой фольги в различных средах // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2013. - №2. - С. 29 - 32.

3. Вольхин A.M., Малышев В.Н. Исследование прочности сцепления сверхвысокомолекулярного полиэтилена с МДО-покрытием // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2014. — №1 (принято к печати).

Публикации в других научно-технических изданиях:

4. Малышев В.Н., Вольхин A.M., Гантамиров Б.М. Заявка на изобретение № 2013117249: Способ получения композиционных покрытий на сплавах вентильных металлов. C25D11/18, 11/02, 11/08.

5. Малышев В.Н., Вольхин A.M. Системная оптимизация технологии формирования МДО-покрытий/ Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической интернет-конференции с международным участием / под ред. А.А.Силича. - Тюмень: ТюмГНГУ. - 2010. С. 87-92.

6. Вольхин A.M., Малышев В.Н. Повышение триботехнических характеристик покрытий, сформированных микродуговым методом // Сборник тезисов и докладов IX Всероссийской научно-технич. конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». М.: РГУНГ.-2012.

7. Malyshev V.N., Volkhin A.M., Gantimirov B.M. Tribological Characteristics Improvement of Wear Resistant MAO-coatings // Journal of Coatings. - 2013. № 262310 (Research Article).

8. Malyshev V.N., Volkhin A.M. Antifriction Properties Increasing of Ceramic MAO-coatings //Journal of Engineering Tribology. Proceedings of the Instituation of Mechanical Engineers, Part: J. 2013, Vol.227.

9. Вольхин A.M. Повышение триботехнических характеристик покрытий, сформированных микродуговым методом // Сборник тезисов и докладов 67-й Международной молодежной научной конференции НЕФТЬ И ГАЗ -2013.

10. Вольхин A.M., Малышев В.Н. Метод повышения износостойкости шаровых кранов // Сборник тезисов докладов десятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности». - М. -2013.

11. Вольхин A.M., Малышев В.Н. Исследование прочности сцепления слоев в композиционном материале с МДО-прокрытием // Сборник тезисов и докладов Международного симпозиума «ФИЗИКА КРИСТАЛЛОВ 2013».

12. Вольхин A.M. Повышение триботехнических характеристик покрытий, сформированных микродуговым методом. // Сборник тезисов докладов X Российской конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физика-химия и технология неорганических материалов». - М: ИМЕТ РАН. - 2013.

Подписано в печать: 21.11.13

Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 161 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д.2 (495) 978-66-63, www.reglet.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина»

На правах рукописи

04201451601

Вольхин Александр Михайлович

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРИСТЫХ МДО-ПОКРЫТИЙ, ПРОПИТАННЫХ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫМ ПОЛИЭТИЛЕНОМ

05.02.04 Трение и износ в машинах (техн. науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Малышев В.Н.

Москва-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................:............................5

Глава 1 Анализ методов упрочнения поверхностей. Цель и задачи

исследования......................................................................................................^

1.1 Методы формирования износостойких покрытий...................................Ю

1.2 Микродуговое оксидирование (МДО)......................................................26

1.2.1 Суть метода микродугового оксидирования.................................26

1.2.2 Анодно-катодный метод микродугового оксидирования............34

то

1.3 Цель и задачи исследования.......................................................................

1 41 Выводы по главе 1.............................................................................................

Глава 2 Обоснование и выбор материалов и методов исследования...........43

2.1 Разработка установки микродугового оксидирования............................43

до

2.2 Выбор алюминиевых сплавов....................................................................

2.3 Выбор электролита......................................................................................

2.4 Методика определения толщины МДО-покрытий..................................51

2.5 Методика подготовки микрошлифов для изучения микроструктуры

материалов..........................................................................................................^ ^

2.6 Методика проведения морфологического анализа и

металлографических исследований МДО-покрытий....................................53

2.7 Методика определения микротвердости МДО-покрытий......................54

2.8 Методика определения пористости покрытий.........................................57

2.9 Методика определения адгезионных свойств покрытий........................60

2.10 Методика определения триботехнических характеристик модифицированных МДО-покрытий..............................................................63

2.10.1 Выбор режимов испытаний и рабочих сред для определения триботехнических характеристик............................................................66

2.10.2 Методика проведения испытаний на машине

трения СМЦ-2............................................................................................69

2.11 Методика обработки опытных данных...................................................72

Выводы по главе 2.............................................................................................77

Глава 3. Разработка метода создания антифрикционных композиционных покрытий на основе пористого МДО-слоя......................79

3.1 Обоснование выбора материала для пропитывающего слоя..................79

3.1.1 Требования к пропитывающему материалу..................................79

3.1.2 Анализ свойств подходящих полимерных материалов и

___предварительный выбор материала для пропитки................................81

3.1.3 Определение характеристик порошка

сверхвысокомолекулярного полиэтилена...............................................89

3.2 Разработка технологии нанесения полимерного слоя на МДО-покрытия..................................................................................................90

3.2.1 Лабораторные методы нанесения слоя СВМПЭ на МДО-покрытия..........................................................................................92

3.3 Свойства композиционных МДО-покрытий, пропитанных СВМПЭ.... 99 3.3.1 Морфологический и металлографический анализ композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ ..99

3.3.2 Определение пористости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ........................................................104

3.3.2 Определение микротвердости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ.................................................111

3.3.3 Исследование прочности сцепления СВМПЭ

к МДО-покрытию....................................................................................115

Выводы по главе 3...........................................................................................123

Глава 4. Исследование триботехнических характеристик новых композиционных покрытий............................................................................125

4.1 Особенности трения и изнашивания композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ в различных средах......................125

4.2 Исследование износостойкости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ.........................................................154

4.2.1 Выбор метода оценки износостойкости......................................154

4.2.2 Разработка лабораторной установки для оценки износостойкости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ.......................................................................156

4.2.3 Исследование износостойкости композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ на лабораторной установке. 162

Выводы по главе 4...........................................................................................166

Глава 57Практические рекомендации использования композиционных

керамико-полимерных покрытий на основе МДО-слоя.............................168

5.1 Области применения усовершенствованной технологии получения

композиционных керамико-полимерных покрытий МДО+СВМПЭ.........172

Основные выводы............................................................................................181

Список литературы..........................................................................................184

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................198

ВВЕДЕНИЕ

Микродуговое оксидирование (МДО) на сегодняшний день является одной из наиболее перспективных технологий формирования покрытий с универсальными свойствами поверхностного слоя. Сформированные этим методом покрытия за счет своих превосходных свойств - сочетания высокой

износостойкости,_коррозионной стойкости, а также тепло- и

эрозионностойкости, могут использоваться в производстве узлов и деталей для самых разных областей промышленности. Изучением свойств покрытий, сформированных МДО-методом, занимались как российские, так и зарубежные ученые. В частности исследованиями МДО-покрытий занимались: в ИНХ СО РАН - группа Маркова Г. А. - автора метода МДО [55 - 57]; в МИСиС - Тимошенко А. В., Ракоч А. Г. [82, 103 - 106, 130]; в ИХ ДВО РАН - Гордиенко П. С., Руднев В. С. [23, 84]; в ДХТИ (Днепропетровск) - Снежко Л. А., Черненко В. И. [88, 89]; в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина - Федоров В. А., Малышев В. Н., Ефремов А. П. [47, 49, 54, 109 - 112]; а также ученые в Китае [125, 133], Англии [122, 123], и во многих других странах [121, 127, 131, 132].

Как известно микродуговое оксидирование может быть анодным, катодным и анодно-катодным [23, 48, 57]. Исследования покрытий, сформированных методом анодно-катодного микродугового оксидирования, показали их высокую твердость, износостойкость, адгезию и возможность использования в качестве триботехнического материала в различных областях машиностроения [18, 47, 50, 52, 56, 89]. Однако, получаемые этим методом покрытия состоят из двух слоев: верхнего - пористого, относительно мягкого, и внутреннего - плотного, с высокой адгезией, прочностью, и практически беспористого. Внешний слой, который составляет от 10 до 30% от толщины покрытия, как правило, пористый и подлежит удалению путем алмазного шлифования детали.

В целом изучению снижения пористости поверхностного слоя МДО-покрытий на сегодняшний день уделяется большое внимание [4, 22, 47, 52, 124, 129]. Вопросами влияния пористости поверхностных слоев на свойства МДО-покрытий занимались как российские, так и зарубежные ученые. На основе этих исследований можно сделать вывод, что величина пористости существенно влияет как на физико-механические, так и на триботехнические характеристики покрытий. При высоком содержании пор основные физико-механические свойства покрытия - НУ~Е и другие - снижаются. Пористость также влияет на величину допустимой удельной нагрузки.

Поэтому для расширения диапазона триботехнических характеристик МДО-покрытий актуальной становится задача достижения минимальной пористости поверхностного слоя, за счет его пропитки полимерным материалом, который при разогреве в процессе трения выходил бы на поверхность и работал как смазочный материал.

Разработкой полимерных покрытий для нанесения на стальную основу и изучением их свойств занимались Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В. [10], Белый В. А., Петроковец М. И. [11, 12], Протасов В.Н. [78 - 80], Савкин В. Г., Смуругов В. А. [85] и другие. Основная проблема таких покрытий - низкое сцепление со стальной основой.

Устранение пористости поверхностного слоя покрытия, сформированного методом анодно-катодного микродугового оксидирования, пропиткой полимерным материалом лишено указанных недостатков и способно расширить сферу применения МДО-покрытий в узлах трения.

Объектом исследований в настоящей работе являются поверхности трения, состоящие из антифрикционного композиционного покрытия, на основе пористого МДО-слоя, пропитанного полимерным материалом с требуемыми свойствами, которые обеспечивают расширение диапазона триботехнический характеристик по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

Целью диссертационной работы являлось расширение диапазона триботехнических характеристик традиционных МДО-покрытий, за счет пропитки пористого поверхностного слоя, сформированного микродуговым методом, антифрикционным полимерным материалом.

Научная новизна работы:

1. Предложен метод создания композиционного антифрикционного керамико-полимерного покрытия с улучшенными триботехническими характеристиками, заключающийся в заполнении порового пространства поверхностного слоя МДО-покрытия сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ), который при разогреве в процессе трения выходит на поверхность и работает как смазочный материал.

2. Показано, что пропитка МДО-покрытий СВМПЭ снижает коэффициент трения в средах с низкими смазывающими свойствами (вода, 3% раствор ИаС1) при удельных нагрузках до 5 МПа от 1,1 до 1,7 раза, а при удельной нагрузки до 10 МПа - более чем в 3 раза, что обусловлено разогревом СВМПЭ, переходом в высоко-эластичное состояние и работой в зоне трения в роли антифрикционного смазочного материала. Это обеспечивает повышение износостойкости поверхностей трения в 1,5-2 раза, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

3. Показано, что для сред с хорошими смазывающими свойствами (керосин, вазелиновое масло) реализация процессов трения осуществляется в пределах полимерного слоя, удерживаемого в зоне контакта за счет пористости МДО-покрытия, за счет чего обеспечивается стабилизация коэффициента трения на уровне 0,05 - 0,1 в диапазоне удельных нагрузок от 2 до 15 МПа. Это способствует повышению износостойкости композиционного материала от 2 до 3 раз, по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

4. Разработана методика снижения сквозной поверхностной пористости МДО-покрытий при отсутствии традиционной механической

обработки поверхностного слоя за счет пропитки поверхности МДО-покрытий СВМПЭ.

Практическая значимость:

1. Разработана технология формирования на поверхности трения композиционного антифрикционного керамико-полимерного покрытия на основе МДО-слоя с пропиткой СВМПЭ, которая позволяет существенно расширить номенклатуру деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок и жидкостных средах с низкими смазывающими свойствами.

2. Применение разработанной технологии формирования износостойких антифрикционных керамико-полимерных покрытий на основе МДО-метода с пропиткой СВМПЭ в производстве уплотнительных колец для штанговых плунжерных и поршневых насосов и шаров для шаровых кранов запорной арматуры, позволяет повысить срок их службы в 2-3 раза.

3. Разработана лабораторная установка для испытаний материалов и покрытий в условиях трения скольжения с системой самоустановки образца в процессе трения и регистрацией силы трения в диапазоне от 0 до 70 Н. Установка используется для проведения лабораторных работ по курсу "Основы трения и изнашивания".

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод создания антифрикционных керамико-полимерных композиционных покрытий с улучшенными триботехническими характеристиками по сравнению с традиционными МДО-покрытиями;

2. Результаты морфологического и металлографического исследований антифрикционных композиционных керамико-полимерных покрытий;

3. Методика и результаты определения пористости МДО-покрытий до и после пропитки СВМПЭ;

4. Результаты исследования адгезионных свойств композиционных керамико-полимерных покрытий на основе пористого МДО-слоя, пропитанного СВМПЭ;

5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность применения антифрикционных керамико-полимерных покрытий в условиях трения скольжения в различных смазочных средах и расширяющих диапазон удельных нагрузок их применения по сравнению с традиционными МДО-покрытиями.

Глава 1 Анализ методов упрочнения поверхностей. Цель и задачи исследования

1.1 Методы формирования износостойких покрытий

Надежность подвижных сопряжений машин всегда была одной из

основных проблем развития машиностроения, а ее решение остается актуальным и сегодня. Правильный подбор материалов с высокими физико-механическими характеристиками, методов их технологической обработки, а также новых методов конструирования повышают надежность в целом за счет увеличения таких показателей как износостойкость, коррозионная стойкость и др. [108], но этого зачастую не достаточно. Работоспособность большинства машин и аппаратов утрачивается вследствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, в которых происходят процессы трения и изнашивания подвижных сопряжений машин и оборудования. В процессе эксплуатации поверхностные слои деталей подвергаются наиболее сильному механическому, тепловому, химическому и другим видам воздействия [94].

В настоящее время происходит все большее ужесточение требований к качеству продукции машиностроения, что в свою очередь приводит к ужесточению требований к структуре и свойствам поверхностных слоев. От качества, физико-механических свойств, шероховатости, твердости, химической стойкости и структуры поверхностных слоев зависит износостойкость узла трения, надежность и долговечность машин и оборудования в целом [51]. Все это приводит к поиску и развитию новых методов модификации поверхностных слоев, а также к усовершенствованию уже имеющихся методов обработки. Совокупность названных методов в концепции современных терминов относится к единому понятию «Инженерия поверхности» [64].

Инженерия поверхности относится к одному из новых направлений в науке и технологии, включающему традиционные и инновационные процессы модифицирования поверхностей изделий, создающие на ней

композиционный материал со свойствами, отличающимися от свойств основного материала [98, 99].

Инженерия поверхности относится к различным областям современного материаловедения и базируется на научных и технологических основах получения поверхностных слоев с необходимыми свойствами непосредственно в основном материале, а также нанесение на него различными методами прочно с ним связанных слоев другого материала [64]. "При этом в инженерию поверхности входят как традиционно распространенные методы модифицирования, например, деформационное упрочнение, так и современные высокоэффективные и во многих случаях единственно возможные инструментально-физические методы, такие, как плазменная обработка в ионных пучках, в тлеющем разряде, обработка потоками электронов и другие методы воздействия концентрированными потоками энергии [64]. Все они различаются по способам модификации поверхности, по способам переноса энергии и вещества к обрабатываемой поверхности и по физико-механическим, триботехническим, эксплуатационным свойствам полученных поверхностей [26] (рисунок 1.1).

Существует несколько классификаций методов поверхностного упрочнения, но по своей сущности все их можно подразделить на группы:

• механические;

• термические;

• термо-механические;

• химико-термические;

• гальванические;

• физические.

Как известно, на износостойкость материалов, наряду с совокупностью механических, физических, фрикционных свойств, а также температурных, нагрузочных, скоростных и других характеристик, существенно влияет

качество поверхностей трения. Помимо этого износостойкость в значительной мере зависит и от степени упрочнения (твердости) поверхностного слоя.

Поэтому для упрочнения рабочих поверхностей деталей трибосистем зачастую используются такие методы образования износостойких покрытий, как химико-термическая обработка (ХТО), наплавка, металлизация, гальванотехника (химические и электрохимические), импульсные (электрофизические), поверхностное легирование стального литья и другие [5, 7, 17, 19, 27, 28,35,37, 113].

Наиболее широкое применение получили наплавочные технологии, напыления и адгезионные методы.

Наплавляемые покрытия используются для упрочнения поверхностей деталей, вследствие чего повышается их долговечность [27, 28, 115]. При наплавке металл, формирующий поверхностный слой, подве�