автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Влияние покрытий на износостойкость и долговечность подшипников качения

Міністерство освіти і науки України Інститут надтверднх матеріалів НАН Україні! (м. Київ)

КАПЛУН Павло Віталійович

°У

УДК 621.793.6 + 620.17

ВПЛИВ ПОКРИТТІВ НА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ І ДОВГОВІЧНІСТЬ ПІДШИПНИКІВ КОЧЕННЯ

Спеціальність 05.02.01 — матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі зносостійкості та надійності машин в Хмельницькому державному університеті (ХДУ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, КУЗЬМЕНКО Анатолій Григорович.

ХДУ (м. Хмельницький), завідуючий кафедрою зносостійкості і надійності машин

Офіційні опонентн:

доктор технічних наук, професор. Кіндрачук Мирослав Васильович, Київський національний авіаційний університет, професор кафедри збереження льотної придатності

Провідна установа:

доктор технічних наук, професор, Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності НАН України (м. Київ), зав. відділом покриттів

Фізико-механічний інститут

ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів

Захист відбудеться 2004 р. о^3"Годині на засіданні спеціалізова-

ної вченої ради Д26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України за адресою: 04047, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакупя НАН України за адресою: 04047, м. Київ, вуї. Автозаводська. 2.

Автореферат розіслано О &

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор

2004 р.

А.Л. Майстренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності, довговічності та конкурент-ноздатності машин і обладнання є одним з важливіших завдань машинобудування. Статистика свідчить, що близько 80 % несправностей в роботі машин трапляється через знос і руйнування поверхні тертя деталей машин.

У сучасному машинобудуванні збільшення питомих навантажень і швидкостей руху ускладнюють умови експлуатації деталей і вузлів машин, що призводить до підвищення інтенсивності зносу контактуючих поверхонь. У зв’язку з цим пошук шляхів підвищення зносостійкості та довговічності деталей машин має велике практичне значення.

Широкого застосування и машинобудуванні набули підшипники кочення, їх зносостійкість і довговічність в багатьох випадках визначає працездатність і довговічність машин та обладнання в цілому. Є різні способи підвищення довговічності підшипників кочення: конструктивні, технологічні, експлуатаційні. В літературі описано велику кількість досліджень з цих питань. Проте проблема підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення цілком не вирішена і є актуальною.

Одним з ефективних шляхів підвищення зносостійкості поверхонь тертя є нанесення зміцнюючих покриттів. Питання впливу конструкції, фізико-механічшгх характеристик, структури та фазового складу покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення вивчені недостатньо, не розкрито механізм їх руйнування та не розроблено заходів щодо підвищення цих експлуатаційних параметрів. Зазначеним питанням і присвячено цю роботу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано відповідно до держбюджети!« гем 1Б-97 "Технологія поверхневого зміцнення металів та металевих сплавів з застосуванням керованої плазмової дифузії в газовому антпкрихкісному середовищі" (Др. № 0193ШІ8434) та ІБ-2000 "Теорія та фізичні основи технології модифікації поверхні формуванням комбінованих поліфазних плазмово-днфузійних шарів" (Др. № 01ООІІО01977) за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки на період до 2006 року "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і сільському господарстві", визначеним в Законі України від 11.07.2001 р. №2623-111.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є вивчення впливу конструкції, фізико-механічних властивостей і фазового складу покриттів та твердості основи на зносостійкість і довговічність підшипників кочення, а також розробка рекомендацій щодо підвищення їх зносостійкості і довговічності. У роботі вирішувались такі завдання:

- теоретичне дослідження напружено-деформованого стану пластини з багатошаровим покриттям при контактному навантаженні (крайова задача) методом графів;

о

- дослідження кінематики руху і проковзування кульок в упорних підшипниках кочення;

- порівняльні експериментальні дослідження впливу конструкції, фізико-механічних характеристик та фазового складу покриттів і твердості основи на зносостійкість та довговічність зразків при терті ковзання і кочення;

- металографічні, рентгеноструктурні та фрактографічні дослідження поверхні кочення до і після випробувань, вивчення механізму зношування та руйнування матеріалів з різними покриттями на поверхні при терті кочення;

- розробка рекомендацій і технології зміцнення поверхні для підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення;

- промислова перевірка ефективності розроблених рекомендацій і технології зміцнення поверхні підшипників кочення.

Об’єктом дослідження є упорні підшипники кочення з покриттями різної конструкції та різними фізико-механічними властивостями.

Предмет досліджень - вплив властивостей покриттів і основи на зносостійкість і довговічність підшипників кочення в мастилі.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану моделі пластини з багатошаровими покриттями та кінематики руху кульок в упорних підшипниках кочення. Металографічні та рентгеноструктурні дослідження властивостей покриттів. Експериментальні дослідження впливу властивостей покриттів і основи на зносостійкість та довговічність підшипників кочення в лабораторних та промислових умовах. Математичне планування та статистичні методи обробки експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено комплексні теоретико-експериментальні дослідження впливу конструкції і властивостей покриттів на напружено-деформований стан та на процес зношування при терті кочення з проковзуванням, на основі яких розроблено рекомендації і нову технологію зміцнення поверхні для підвищення довговічності підшипників кочення.

Дослідженнями встановлено, що:

- величиною напружень в контактній зоні при терті можна керувати за рахунок зміни конструкції і фізико-механічних характеристик покриттів;

- в упорних підшипниках кочення має місце значне проковзування кульок відносно кілець, величина якого залежить від величини навантаження, геометричних характеристик елементів підшипника та пружних властивостей покриття. Одержано формули для визначення швидкості та коефіцієнта проковзування кульок;

- зносостійкість і довговічність підшипників кочення збільшується при збільшенні товщини та твердості (до певного оптимального значення) покриття, зменшенні градієнта твердості по товщині покриття, збіль-

шенні твердості основи, наявності в покритті залишкових напружень стиску та легуючих елементів. Найбільше відповідають цим вимогам дифузійні покриття;

- основним видом зношування, що визначає довговічність підшипників кочення в мастилі, є втомне зношування поверхні, яке характеризується трьома стадіями розвитку: перша - пристосування, друга - накопичення дефектів, третя - руйнування. Покриття на поверхні кочення не змінюють механізму її зношування, а лише впливають на протяжність стадій цього процесу.

Практична цінність одержаних результатів. Розроблено рекомендації з вибору конструкції та фізико-механічних характеристик покриттів, що наносяться на поверхню елементів підшипників кочення з метою підвищення їх зносостійкості та довговічності. Обґрунтовано перспективність застосування для цих цілей зміцнюючих дифузійних покриттів, що одержуються методом іонного азотування в плазмі тліючого розряду, при їх нанесенні на основу високої твердості. Розроблено нову технологію нітрогартування з застосуванням іонного оксіазотування, що забезпечила підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення зі сталі ШХ15 в мастилі в 1,8 рази порівняно з традиційною технологією їх виготовлення.

Одержано формули для визначення швидкості та коефіцієнта проковзування кульок в упорних підшипниках кочення.

Одержано математичні залежності фізико-механічних характеристик (твердості поверхні і товщини) покритгя для сталей ІІІХ15, 45 і 20X13 від технологічних параметрів іонного азотування.

Результати досліджень можуть використовуватися при проектуванні машин і обладнання з опорами кочення та в навчальному процесі.

Результати роботи впроваджено:

па НВП "Віднова" і ВАТ "Термопласіавтомат" при проектуванні та виготовленні екструдерів К24-І27 для переробки фуражного зерна (акт впровадження);

в Хмельницькому державному університеті при вивченні спецкурсу "Прогресивні методи зміцнення поверхні" на кафедрі "Машинознавства" для студентів механічних спеціальностей" (акт впровадження).

Особистий внесок здобувача.

Основні наукові результати дисертаційної роботи належать особисто здобувану. Постановка завдання та обговорення отриманих результатів виконано спільно з науковим керівником.

Автору належать основні ідеї в розробці методики експериментальних досліджень, результати теоретичних досліджень напружено-деформованого стану пластини з багатошаровим покриттям та кінематики руху кульки в упорних підшипниках. Автором проведено експериментальні дослідження, узагальнено та сформульовано основні висновки з теми роботи.

В роботах, виконаних із співавторами, особистий внесок здобувана поля-гас у виконанні теоретичних та експериментальних досліджень, обробці результатів досліджень, обґрунтуванні отриманих результатів і формуванні висновків.

Апробація результатів дисертації. ПІ-тя міжнародна конференція "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах", Хмельницький, 1995 р.; міжнародна наукова конференція "Зносостійкість, надійність вузлів тертя машин" (ЗНМ-2000), Хмельницький, 2000 р.; VII науково-технічна конференція "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий", Кацивелли, Крым, 2000 г.; 5-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 2001 р.; міжнародна науково-технічна конференція "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин" (ЗНМ-2003), Очаків, 2003 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 15 роботах, з яких 8 у фахових журналах і 1 патент.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та рекомендацій, списку використаних джерел і додатку. Основна частина роботи викладена на 166 сторінках машинописного тексту, містить 54 рисунки, 30 таблиць, список використаних джерел з 144 найменувань та додатку. Повний обсяг дисертації становить 183 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, викладено мету і завдання досліджень, показано наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, дано загальну характеристику дисертації.

У першому розділі дано загальний аналіз наявних досліджень із зазначеної тематики. Розглянуто особливості конструкції, умови роботи та розрахунку підшипників кочення, а також фактори, від яких залежить зносостійкість і довговічність підшипників кочення. Зроблено аналіз характеристик пошкоджень та видів зношування підшипників кочення в різних умовах експлуатації. В розділі описується вплив контактних напружень в зоні контакту та структурно-кінетичні закономірності мікропластичної деформації та зношування поверхневих шарів підшипників кочення без покриттів, розглянуто існуючі способи підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення. На основі проведеного аналізу зроблено висновок про те, що недостатньо вивчено вплив покриттів, зокрема їх фізико-механічних характеристик та конструкції і твердості основи, на яку наноситься покриття, на напружено-деформований стан, зносостійкість і довговічність композиції "покриття-основа" при терті кочення з проковзуванням, що має місце в підшипниках кочення. В зв’язку з цим і вибрано напрям подальших досліджень.

У другому розділі виконано теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) пластині) з багатошаровим покриттям при її контактному навантаженні [1, 2], а також дослідження кінематики руху кульки в упорному підшипнику кочення в процесі обертання рухомого кільця [5]. Дослідження НДС проводилися на моделі пластини з багатошаровим покриттями (рис. 1). Досліджуваною моделлю була пластина безконечної довжини і великої товщини, на поверхню якої було нанесено різні варіанти покриттів (табл. 1) з різними фізико-механічними характеристиками (товщиною, модулем пружності, градієнта властивостей по глибині), різною конструкцією: покриття з поступовою зміною властивостей по глибині (варіанти 1-8), що моделювали дифузійні покриття; одношарові покриття різної товщини з різкою зміною властивостей на границі з основою, що моделювали покриття одержані методом осадження; покриття з нанесенням тонких низькомодульних шарів на поверхню і на певну глибину від поверхні високомодульного покриття (варіанти 4 і 5 табл. 1).

Таблиця 1

Варіанти моделей покриттів з різними фізико-механічними характеристиками

№ шару Товщи- Ва ріант моделі покриття

покріїт- на шару о 1 2 3 4 5 6 7 9 10 П 12

гя в мкм Значення модулів пружності ЕМ0’ МПа

1 5 2.0 4,0 3,5 3,0 2,1 4,0 4,0 4,0 4,0 4.0 4,0 4,0 4,0

2 5 2.0 4.0 3,45 2,95 4,0 4,0 3,0 3,85 3,85 4,0 4,0 4,0 4,0

3 5 2,0 3,95 3,4 2.9 3,95 2.1 2,2 3.4 3,5 2,0 4,0 4.0 4,0

4 5 2.0 3,85 3,3 2.8 3,85 3,85 2,07 2,8 2,9 2,0 4,0 4.0 4,0

5 ЗО 2,0 3,6 2,9 2.6 3,6 3.6 2,0 2.3 2,6 2,0 2,0 4.0 4,0

6 50 2,0 2,8 2,4 2,3 2,8 2,8 2,0 2,0 2,3 2,0 2,0 4,0 4.0

7 100 2,0 2,3 2,15 2,1 2,3 2,3 2,0 2,0 2,0 2.0 2,0 2.0 4,0

8 100 2.0 2,05 2,05 2,02 2,05 2,05 2,0 2,0 2,0 2.0 2,0 2,0 4,0

9 700 2.0 2.0 2,0 2,0 2.0 2,0 2,0 2.0 2.0 2.0 2,0 2,0 2,0

10 1000 2.0 2.0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2.0 2.0 2.0 2.0 2,0 2,0

И 1000 2,0 2,0 2,0 2,0 2.0 2.0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

12 2000 2.0 2.0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2.0 2,0 2,0 2,0

Розглядалась крайова задача, плоский НДС в пружній частині пластини з покриттям в обмеженііі ділянці довжиною Ь = 10 мм і висотою Н = 5 мм прп дії розподілених нормального і дотичного навантажень на контактній ділянці 2Ь =- 0,4 мм. Дослідження проводились числовим методом з використанням

Рис. І Розрахункова модель а - загачьішй вигляд; б - область досліджування

графової моделі напруженого тіла і пакету програм "Термопружність", що розроблений Інститутом проблем міцності НАН України.

Розрахунки велись для випадку, коли нормальне q і дотичне F навантаження розподілялися за такими законами: q = а(1-25-х2) і F = |rq, де х змінювався в межах від - 0,2 до + 0,2; ц - безрозмірний коефіцієнт (р < 1); а - коефіцієнт навантаження дорівнював 10J МН/м.

Модуль пружності основи Е0 = 2Т05 МПа. Параметри покриття і коефіцієнт р змінювалися в таких межах: товщина покриття h„ - від 5 до 300 мкм; модуль пружності шарів покриття Еп - (від 2 до 4) ТО5 МПа; Ке = Е„ / Е0 від 1 до 2; ц- від Одо 0,5.

Рішення задачі одержано як в абсолютних значеннях напружень (ох, оу, тху, ое) і деформацій (сч, єг єху, се), так і в відносних одиницях, що визначалися коефіцієнтом Ка.

ка Оеп / Ge0 , (І)

де асп і оС0 -- ефект ивні напруження в досліджуваній точці при наявності і відсутності покриття відповідно.

Розрахунки НДС пластини з різними варіантами конструкції і фізико-механічних характеристик покриттів проведені на ЕОМ і зведені в таблиці та графіки. Деякі з цих графіків наведені на рис. 2 - 4.

Розрахунки показали, що при дії нормального навантаження максимальні ефективні напруження виникають на поверхні пластини в середині площадки контакту і зменшуються при віддалені від середини на периферію площадки та в глибину від поверхні контакту. їх величина залежить від тов-коефі-

щента дотичного навантаження ц, модуля пружності покриття Еп та його співвідношення Кс з моду-пружності основи і

т 350М таю 150 та о ¡о т по я» ттяо ш>х.м щини покритгя ь

Рис. 2. Ефективні напруження на поверхні площадки контакту' при різних фізико-механічних характеристиках дифузійних покрите та різних значеннях коефіцієнта дотичного навантаження р: 1.2,3- однорідним матеріал беї покриття К, = І (Е„ = 2-10’

МПа) прп ц = 0; 0,1 і 0.4 відповідно; 4.7 - ЬС, - 1,5 (Е„ = 3-10’

МПа), 1і„ = 50 мкм при ц-0; 0,1 і 0,4 відповідно, 5.8 - К, = 1.5,1і„ лем 400 мкм, при (т 0,1 і 0,4 віді ювідно. 6.9— К. 2: Ітп -400 мкм. зростає 31 збільшенням прп ц = 0,1 і 0,4 відповідно цих параметрів Збільшен-

ня коефіцієнта р викликає зміщення максимуму ефективних напружень від центру контактної площадки в сторону дії дотичного навантаження. Величина відхилення зростає зі збільшенням ц (рис. 2).

Рис 3. Розподіл напружень oN, на поверхні ділянки контакту моделі пластини з покриттями за варіантні 9, 12, при 0,1 і 0,4

Складові ефективних напружень (ох, оу, тху) по різному залежать від параметрів покриття. Напруження оу практично не залежать від hn, Ке і градієнта зміни властивостей покриття по глибині. Зміна ц від 0 до

0,4 викликає незначне збільшення величини оу на поверхні - до 0,5%. Максимальне значення ау виникає на поверхні в центрі площадки контакту. Величина Су поступово зменшується по глибині покриття.

Характеристики покриття Ііп, Кс, а також коефіцієнт |і мають великий вплив на напруження ах і т^. Максимальне значення ох виникає на поверхні площадки контакту, збільшується із збільшенням h,„ Ке і ц, різко зменшується по глибині покриття і є тим більшим, чим більшим є Ке, і меншим І1п. Найменше значення і градієнт його зменшення по глибині виникає в однорідному матеріалі без покриття. Збільшення ц викликає зміщення максимуму ох від центру площадки контакту в сторону дії дотичного навантаження. При ц <

0,1 величина цього зміщення незначна, а при |і =0,4 вона досягає 0,35Ь (рис. 3).

Дослідження показали, що для різних конструкцій і характеристик покриттів дотичні напруження тч> мають різні значення. Для різних варіантів покриттів (табл. І) зміна величини тху не перевищувала 10 % порівняно з їх значенням для однорідного матеріалу (варіант 0). Найбільший вплив на величину тху має коефіцієнт (д. При значеннях ц <" 0,5 максимальні дотичні напруження виникають на певній глибині і зміщені по осі X від центру пло-виникають на глибині 0,5Ь з симетричним

Рис. 4. Розподіл дотичних напружень вздовж осі X в горизонтальній площині, що проходить через точку з максимальними дотичними напруженнями при різних значеннях ц (варіант покриття І)

щадки контакту. Так при ц = 0 тх розміщенні відносно осі У на віддалі 0,5Ь від неї. Зі збільшенням ц напруження тх™4 збільшуються за абсолютною величиною, а координати точки їх виникнення наближаються до поверхні та до центру площадки контакту і при |і

0,5 знаходяться на поверхні в центрі площадки контакту (рис. 4).

Вплив характеристик покриття на НДС композиції "покриття-основа" зручно оцінювати за допомогою коефіцієнта Кп (1), що дозволяє порівнювати ефективні напруження в досліджуваній точці з їх значенням в матеріалі без покриття при дії ідентичного навантаження. Дослідження показали, що К„ зменшується по глибині пластини з покриттям і на певній віддалі від поверхні набуває значення, менше одиниці, що свідчить про зменшення ефективних напружень в цій точці порівняно з однорідним матеріалом, тобто при цьому відбувається розвантаження основи. Для випадку, коли Кг = 2 розвантаження основи досягається при товщині покриття 20 мкм, величина розвантаження збільшується зі збільшенням hn і 1<с та зменшенням градієнта зміни властивостей покриття по глибині.

Наявність на поверхні композиції "покриття-основа" тонкого шару низь-комодульного покриття (варіант 4 табл. 1) викликає значне зменшення величини Ка на поверхні контакту при різних значеннях ц. Розміщення низькомо-дульного шару на певній глибині від поверхні зміцнюючого покриття (варіант 5 табл. 1) викликає підвищення Ка на поверхні при різних значеннях ц, що приводить до зменшення несучої здатності та довговічності покриття.

Таким чином, проведені дослідження показали, що нанесення зміцнюючих покриттів спричиняє значний перерозподіл напружень по глибині композиції "покриття-основа", викликаючи підвищення напружень в покритті та їх зменшення в основі. Величина і характер цього перерозподілу залежить від конструкції покриття, механічних характеристик складових композицій і типу навантаження. Наявність дотичних навантажень (сил тертя) викликає значне підвищення напружень ах, тху, на поверхні конструкційних елементів в зоні контакту. При оптимальному співвідношенні фізико-механічних характеристик основи і покриття відкривається можливість підвищення несучої здатності і довговічності конструктивних елементів при контактному навантаженні. Шляхом до цього є:

- нанесення дифузійних зміцнюючих покриттів з високим модулем пружності;

— зменшення градієнта властивостей по глибині покриття за рахунок збільшення товщини покриття і підвищення модуля пружності та твердості ОСІІО-

- нанесення на поверхню покриття тонких нлзькомодульних шарів;

- нанесення покриття товщиною більшою глибини виникнення максимальних дотичних напружень тху’"'1\

Нами проведено дослідження кінематики руху кульки в упорному підшипнику [5]. Дослідженнями встановлено, що максимальна швидкість проковзування пропорційна коловій швидкості кільця в точці контакту з кулькою на осі жолоба та максимальному значенню коефіцієнта проковзування, який знаходиться за формулою:

ви:

де: и - коефіцієнт, що залежить від відношення А/В малої і великої осей еліпсу плями контакту;

Ы- нормальне навантаження на кульку;

Е„ - приведений модуль пружності;

К,, /?,, /?; - радіуси кульки, канавки поперечного перетину жолоба та осі жолоба відповідно.

Дослідження показали, що коефіцієнт проковзування збільшується при збільшенні навантаження на кульку і зменшенні радіусів кульки та осі направляючого жолоба. Для зменшення зносу від проковзування кульок необхідно зменшувати коефіцієнт їх проковзування, що досягається за рахунок підвищення модуля пружності матеріалу кульок і кілець та збільшення радіусів /?, і И3.

Третій розділ присвячується методиці експериментальних досліджень. У розділі описано конструкцію установок для випробувань на зношування при терті кочення і ковзання, методику випробувань та пристрої для вимірювання зносу, обладнання та методи нанесення покриттів, методику досліджень фізи-ко-механічних характеристик, фазового складу та залишкових напружень зразків з покриттями та фізико-механічні характеристики зразків, що випробовувались на зносостійкість.

Випробування зразків на зносостійкість і довговічність проводилися на спеціальній установці [6], що монтувалася на базі вертикально-свердлувального верстата, в якому модулювалася робота упорних підшипників кочення та ковзання. При моделюванні упорних підшипників кочення вузол тертя включав: нерухоме кільце і сепаратор з кульками стандартного упорного підшипника № 8204, з яким контактували досліджувані зразки. Випробування проводилися в середовищі масла 1-20, при частоті обертання зразка 750 хв"1. В сепараторі знаходилось 12 кульок. Кульки виготовлялись із сталі ШХ15 і мали твердість НЯС 61-62. Вертикальне навантаження на зразок змінювалось в межах від 500 до 3600 Н, що відповідно складало навантаження на кульку від 41,7 до 300 Н та максимальні контактні напруження від 2075 до 4008 МПа. Дослідження на довговічність продовжувались до появи викрихчешія на поверхні контакту. В процесі досліджень вимірювались величини зносу та мікротвердості на доріжці кочення. Мікротвердість поверхні на доріжці кочення вимірювалась за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3. Знос на доріжці кочення вимірювався за допомогою профілографа-профілометра моделі 201 для зразків з твердістю основи ЬШС > 45 та за допомогою спеціального пристрою з точністю ± 0,5 мкм.

Дослідження на тертя ковзання проводились при швидкості ковзання 1,24 м/с при питомому навантажені, що змінювалось від 2 до 30 МПа. В якості контртіла використовувалося загартована сталь 45 з твердістю НКС 45.

Лабораторні дослідження фізико-механічних характеристик, структури і фазового складу покриттів проводились з застосуванням методів металографії і рентген-структуриого аналізу за допомогою мікроскопів МІМ-10, ПМТ-3, РМ-10РМ і установки "Дрон-ЗМ". Залишкові напруження визначалися методом Давиденкова з використанням установки "ПІОН".

Для одержання покриттів різної конструкції, різних фізико-механічних характеристик та фазового складу застосовувались різні технології їх нанесення, а саме: іонного азотування в плазмі тліючого розряду, осадження нітриду титану в вакуумі методом катодно-іонного бомбардування (КІБ) та осадження хрому гальванічним методом. Як основу, на яку наносились покриття, було використано конструкційні сталі ШХ15, 45 та 20X13, твердість яких змінювалася методом термообробки в межах від 26 до 62 НЛС.

Властивості дифузійних покриттів, що одержувались методом іонного азотування, змінювались в широких межах, а саме: товщина - від 20 до 400 мкм; мікротвердість поверхні - від 5000 до 10000 МПа; залишкові напруження стиску - від 100 до 600 МПа; змінний фазовий склад та градієнт твердості по глибині. Покриття з хрому мали товщину 5 та 10 мкм і мікротвердість 7000 МПа. Покриття з ТіТМ мали товщину 5 мкм та мікротвердість 16000 МПа.

Для зменшення кількості експериментів та одержання математичних залежностей досліджуваних характеристик від технологічних параметрів нанесення покриттів було застосовано метод планування експериментів, зокрема план другого порядку Хартлі. Математичні залежності досліджуваних характеристик одержували в вигляді повного квадратного поліному:

ф(х) = Ро +ЕРл + ¿Мі +Е І Рцхіхі • &

і=| ¡=1 1=1 ^1+1

де: <р(х) - функція відклику (вхідна зміна); р0, Р.. Рп, Рц - коефіцієнти рівняння регресії; Хі, х, - незалежні змінні величини (фактори).

Для іонного азотування такими незалежними змінними величинами є температура, тиск, час дифузійного насичення та склад насичуючого середовища. При чотирьох факторному експерименті рівняння (3) має вигляд:

ф(х) — Ро РіX і + Р2Х2 + Р3Х3 + Р4Х4 РпХ, Рзз-^з Р-14^4~

+ Рі',Х|Х3 + Рі4Х,Х4 + Р23Х2Х3 + Р24Х2Х4 + Р34Х3Х4 (4)

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень властивостей покриттів, що нанесені на досліджувані сталі за різними технологіями (іонного азотування, іонного оксіазотування, нітрогартування); описується вплив технологічних параметрів цих технологій на фізико-механічні характеристики, фазовий склад, залишкові напруження та градієнт

твердості по глибині покриттів; наведено результати випробувань на зносостійкість і довговічність при терті кочення та ковзання зразків з різними за властивостями та конструкцією покриттями, що наносилися на основу різної твердості; запропоновано рекомендації з властивостей покриттів, що забезпечать підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення.

Дослідження процесу нанесення дифузійних покриттів в плазмі тліючого розряду показали, що за допомогою зміни технологічних параметрів процесу можна змінювати властивості покриттів в широких межах. Наприклад, іонним азотуванням на сталі 111X15 одержано покриття товщиною від 10 до 400 мкм, твердістю від 5000 до 10000 МПа, з залишковими напруженнями стиску від 100 до 600 МПа та з різним фазовим складом. Одержано математичні залежності, у вигляді рівнянь (4) що описують вплив технологічних параметрів іонного азотування на фізико-механічні характеристики та зносостійкість покриттів. На основі одержаних рівнянь регресії знайдено оптимальні значення технологічних параметрів (температури, тиску, складу насичуючого середовища та часу дифузійного насичення) іонного азотування та властивостей покриттів, що забезпечують мінімальну інтенсивність зношування, на основі яких вибрано технологічні режими нанесення покриттів (табл. 2) для подальших порівняльних досліджень покриттів, одержаних за різними технологіями.

Таблиця 2

Режими іонного азотування сталей при порівняльних випробуваннях на тертя кочення зразків з різними покриттями

Марка етап і Режим азотування Технологічні параметри азотування Товщина покриття. мкм Мікро- твердість И,,»,. МПа Фазовий склад поверхні, в %

Т.- °С Р, Па Склад насичуючого середовища Час наси- чення, хв. г у' а

Іа 570 240 62%Ыг+38%А1 240 300 9180 40 50 10

ШХІ5 2а 570 80 25%Ы,-175%А[ 240 280 7860 - 60 40

За 530 80 43 %Ы, і-57%Аі 60 120 7860 10 55 35

45 1а 570 240 62%Ы,+38%А1 240 280 7580 32 56 12

20X13 1а 570 240 62%Ы;+38%А1 240 260 7680 33 39 28

Кінетика процесу зношування і зміни мікротвердості на доріжці кочення досліджувались на сталях 20X13, 45 і ШХ15 з різними покриттями і твердістю основи. Дослідження показалп, що в початковий період відбувається інтенсивна пластична деформація поверхні контакту, яка з часом зменшується і досягає мінімального значення через певну кількість циклів навантаження. В залежності від фізико-механічних характеристик покриття і основи та величини навантаження величина пластичної деформації змінюється. Нанесення зміцнюючих покриттів, зокрема дифузійних, значно зменшує пластичну деформацію (рис.5).

У загартованих зразках з

дифузійними покриттями величина пластичної деформації в початковий

період є на порядок меншою і мінімізується значно швидше порівняно з не гартованими (рис. 6).

Дослідженнями встановлено, що величина зносу в мастилі від проковзування кульок в підшипнику є незначною

1-і---53—а—в—ь ,ь, ,Ьт>|ь. І не перевищує 15-30% від загального

зносу до початку викрихчення.

Рис. 5. Зміна мікротвердості Hum (1, 4) і зносу U ОСНОВНИМ ВИДОМ зношування поверхні

(2,3) зразків зі сталі 45 в залежності від часу кОЧЄННЯ Є ВТОМНе ЗНОШуваННЯ, ЩО Хара-

випробувань: 1.2 - сталь 45 без термообробки; .фьома стадіями: перша -

3,4 - сталь без термообробки азатована за режи- г ' г . .

MOM 1а. Навантаження на кульку Р„ = 150 Н. пристосування, яка має протяжність ВІД

пластичної деформації до її вичерпання і досягнення максимальної мікротвердості поверхні; друга - накопичення

дефектів в поверхневому шарі та виникнення мікротріщин; третя - руйнування (швидкий ріст мікротріщин, викрихчення матеріалу, значне зниження мікротвердості в зоні викрихчення).

„ , „ . . . Покриття не змінюють механізм зношу-

Рис. 6. Залежність зносу від часу випробувань при .

терті кочення зразків з сталей і різними покриття- ванНЯ поверхні КОЧЄННЯ, а ЛИШЄ ВИЛИ-ми в мастилі 1-20 при навантажені на кульку Р0 = ВШОГЬ на протяжність ЙОГО стадій.

150 Н:. 1,3,7 - сталі 20X13, 45, ШХ15 без термо- у таблиці 3 наведено результати

обробки; 5,10-стаді 45 і ШХІ5 після тарування; порівняльних випробувань на 3HOCO-2,4,8 - сталі 20X13,45, ШХ15 без термообробки з . . . . .

подальшим іонним азотуванням за режимом 1а, СТІЙКІСТЬ І ДОВГОВІЧНІСТЬ при терті КО-6,11 - сталі 45, ШХ15 після гартування з подаль- ЧЄННЯ 3 проковзуванням рІЗНИХ зразків ІЗ шим іонним азотуванням за режимом 1а; 14 - сталей 3 різними покриттями І різною сталь ШХ15 гартована з подальшим нанесенням твердістю основи. 3 таблиці ВИДІЮ що TiN методом КІБ; 17 - сталь U1X15 після гарту- . . .

вання з подальшим нанесенням хрому гальваніч- ДОВГОВІЧНІСТЬ зразків збільшується при ним методом; 18 - сталь ШХ15 ні трогартована за збільшенні ТОВЩИНИ покриття. Найбі-режимом 1а (оксіазатована і подальшим гарту- ДЬШИЙ ВПЛИВ на ДОВГОВІЧНІСТЬ І 3HOCO-ванням і відпуском). стійкість зразків має твердість основи і

градієнт зміни твердості по глибині композиції “покриггя-основа”. Всі зразки з покриттями, що наносилися на загартовану основу, мали зносостійкість і довговічність майже на порядок вищу порівняно з такими ж покриттями, нанесеними на основу з малою твердістю. Зменшення градієнта твердості по глибині азотованих зразків із сталі ШХ15 в 2 рази за рахунок збільшення твердості основи гартуванням збільшило їх довговічність в 5 разів.

Н,„

МПа

Дослідження показали, що зносостійкість і довговічність зразків збільшується з підвищенням твердості покриттів тільки до певних знамень, при яких досягається оптимальне співвідношення між твердістю і пластичністю. Таке співвідношення визначається структурою і фазовим складом покриттів. При твердості покриття, більшій від оптимального значення, підвищується його крихкість і відбувається більш швидке руйнування. Для азотованих покриттів оптимальною є твердість поверхні 7600-7800 МПа без крихкої Е-фази.

Таблиця З

Фізико-механічні та трибологічні характеристики зразків з різними покриттями та їх довговічність при випробуваннях на тертя кочення в мастилі 1-20,

навантаження на кульку 150 11.

№ п/п Марка сталі Вид термообробки та технології і по-кріїтгя Мікротвердість 11 пт. МПа Тов- щина пок- риття, мкм Інте- нсив- ність зно- шу- вання, 1-Ю’" Довго- вічність до появи піпігу. N■10'" циклів

По- верх- ні Ос- нови Доріжки кочення ПІСЛЯ випробу- вань

1 20X13 без термообробки 3550 2370 3460 - 620 0,59

2 20X13 іонис азотування режим 1а 7380 2370 3650 260 570 0,88

3 45 без термообробки 4200 2450 3290 - 600 0,60

4 45 без термообробки + іонне азотування режим 1а 7440 2450 7100 280 452 0,96

5 45 гартування 5100 5100 5230 - 21,2 12,1

6 45 гартування + іонне азотування режим 1а 7460 4400 7200 290 16,1 12,9

7 41X15 без термообробки 3840 3340 3340 - 594 0,70

8 ШХ15 без термообробки +- іонне азот)вам ня режим 1а 9180 2680 7400 300 312 1,08

9 МІХ 15 без термообробки + оксіазогування режим 1а 6140 2680 7420 300 210 1.25

10 ШХ15 гартування 7210 7210 7130 - 8,0 25.1

1 1 111X15 гартування +■ іонне азотування режим 1а 9180 4970 7160 300 8,4 24,2

12 111X15 гартування + іонне азотування режим 2а 7660 5800 7300 290 7,5 26,4

ІЗ 111X15 гартування + іонне азогування режим За 7860 5900 6350 120 13,0 22,8

14 ШХ15 гаріування * ТІЙ, метод КІБ 14000 5120 5200 5 15,0 22.0

15 111X15 без термообробки -і ТІМ мегод КІБ 14000 2680 3350 5 564 0.75

16 111X15 гартування + гальванічне нанесення Сг 12000 7210 7140 5 7,6 28,4

17 ШХІ5 гартування + гальванічне нанесення Сг 12000 7210 7300 10 7,0 30,1

18 111X15 нітрогартуванпя за режимом 1НО 8700 7200 7630 330 3,6 40.8

19 ШХ15 пітрогартування за режимом 2110 7700 7200 7420 350 3,2 48,8

20 ИIX1 5 нітрогартуванпя за режимом ЗНО 7300 7200 7380 410 3,8 38.4

21 111X15 нітроіартування за режимом 111 8300 7200 7410 320 3,7 38.7

При нанесенні покриттів на гартовану основу при температурах високого відпуску сталей відбувається зниження твердості основи, що приводить до зменшення ефекту від нанесення покриття і навіть до негативного результату. Гак при нанесенні покриття з ГІТМ методом КІБ на гартовану сталь 111X15 відбулося зниження твердості основи з 7210 МПа до 5200 МПа, що в кінцевому

результаті не дало підвищення довговічності зразків, а навпаки, знизило її на 12%. Не одержано позитивного ефекту з підвищення довговічності при нанесенні на сталь ШХ15 без термообробки. Проте, нанесення хрому гальванічним методом на гартовану основу із сталі ШХ15 зі збереженням твердості основи дозволило підняти довговічність на 25% (табл. 3).

1 ! ' TrN5

І І Іа . Г Г+la ПЗа 2НО 1НО ЗНО TiN5 * Сі5 СгІО

і і г

■ Довговічність, млн.цикл 0,7 \ 1Д)8| 25,1 1 26.4 22.8 48,8 40.8 38,4 0.75 22 28.4 30.1

В Мікротвердість основи. ГГІа ' 3,3 ■ 2.7 7.2 5 S 5 9 72 7.2 7.2 2.6 5.1 7.2 7.2

Мікротвердість пиверчиї. ГПа ^ j 7.7 7 9 7.7 8.7 7,3 14 14 12 1 12

Рис 7. Гістограма довговічності зразків із сталі LLIX15 з різними покриттями та різною твердістю основи при терті кочення з проковзуванням в мастилі 1-20. Умовні позначення: довговічність до появи пітпнгу в мли. циклів, мікротвердість основи (Hum) в ГПа: І - сталь без термообробки:

Г - стать гартована, І а. За - режими іонного азотування: 1 HO. 2НО. ЗНО - режими нітрогартування; TiN5. TiN5r- покриття з TiN товщиною 5 мкм нанесені на не гартовану та гартовану основу відповідно; Сг5, Сr10 - покриття з Сг товщиною 5 і 10 мкм відповідно, нанесені на гартовану основу.

Експериментами встановлено, що нанесення оксидних плівок з меншою твердістю на азотований шар приводить до підвищення довговічності і зносостійкості покриттів. Це пояснюється зменшенням контактних напружень в поверхневому шарі [1].

Найбільшу довговічність і зносостійкість показали зразки, що зміцнювались за технологією нітрогартування. При такій технології досягається висока твердість поверхні та основи, відсутність крихкої є-фази на поверхні і велика товщина дифузійного шару та низький градієнт твердості по глибині зразків. Зносостійкість і довговічність зразків із сталі LUX 15, зміцнених за цією технологією, майже в 2 рази вищі порівняно з гартованими зразками.

На основі проведених досліджень зроблено висновок, що для підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення в мастилі рекомендується нанесення дифузійних покриттів з оптимальною твердістю поверхні , з максимальною товщиною і мінімальним градієнтом твердості по глибині на основу

максимальної твердості. Ці рекомендації забезпечує розроблена технологія ніт-рогартупання, яка включає іонне оксіазотування за оптимальним режимом, подальше гартування з нагрівом в соляних ваннах та оптимальним часом витримки ігри температурі гартування і низькотемпературний відпуск протягом 2 годин.

У п’ятому розділі наведено результати промислових випробувань упорних підшипників кочення №8320 ГОС'Г 6874-75, що зміцнювалися нанесенням дифузійних покриттів за технологією нітрогартування. Ці підшипники було встановлено в екструдерах К-24-127 і показали підвищення довговічності в 2,3 рази порівняно з аналогічними підшипниками без зміцнення.

ВИСНОВКИ

Проведені дослідження показали, що покритгя мають значний вплив на процес зношування підшипників кочення. Зносостійкість і довговічність підшипників кочення залежать від конструкції, фізико-механічних характеристик, залишкових напружень, хімічного та фазового складу покриттів і при оптимальних значеннях цих показників для певних умов експлуатації досягають максимального значення. Дослідженнями встановлено:

1. Нанесення зміцнюючих покриттів викликає перерозподіл контактних напружень між покриттям та основою, збільшуючи їх величини в покритті та зменшуючи в основі тим більше, чим більшими є товщина покриття та відношення модуля пружності покриття до модуля пружності основи;

2. Наявність дотичних навантажень в зоні контакту викликає збільшення дотичних напружень як на поверхні так і в глибині композиції “покриття-оспова”. Із збільшенням дотичних навантажень максимум дотичних напружень, що знаходяться гга певній глибині, переміщується до поверхні та при значенні відношення дотичних навантажень до нормальних 0,5 - виходить на поверхню;

3. Зменшення еквівалентних контактних напружень в покритті досягається збільшенням товщини покриття та зменшенням градієнта властивостей по товщині. Нанесення на покриття тонких плівок меншого модуля пружності, ніж у покритті, приводить до зменшення еквівалентних напружень в покритті та підвищення довговічності конструкції при багатоцик-ловому навантаженні в процесі кочення;

4. В упорних підшипниках кочення відбувається проковзування кульок відносно кілець, величина якого прямо пропорційна коефіцієнту проковзування, коловій швидкості рухомого кільця в точці контакту з кулькою та часу руху підшипника. Максимальне значення коефіцієнта проковзування збільшується зі збільшенням навантаження на кульку та зменшенням радіусу кульки і спрямовуючого жолоба;

5. Фізпко-механічні характеристики, фазовий склад і залишкові напруження стиску дифузійних покриттів, що наносяться методом іонного азотування та іонного оксіазотування, можна змінювати в широких межах за допомогою технологічних параметрів дифузійного насичення. Одержано матема-

тичні залежності товщини і мікротвердості азотованих шарів та інтенсивності їх зношування в мастилі 1-20 при терті кочення і ковзання від технологічних параметрів дифузійного насичення при іонному азотуванні сталі LLIX15. Визначено оптимальні значення технологічних параметрів, що забезпечують найменшу інтенсивність зношування сталі ШХ15;

6. Фізико-механічні характеристики і фазовий склад покриттів мають великий вплив на інтенсивність зношування при терті ковзання, особливо в період припрацювання. Для дифузійних покриттів, одержаних методом іонного азотування, вона може відрізнятися в цей період на порядок залежно від властивостей покриття;

7. Основним видом зношування підшипників кочення в середовищі мастила є втомне зношування. Покриття на поверхні кочення не змінюють механізму її зношування, а лише впливають на протяжність стадій цього процесу;

8. Зносостійкість і довговічність підшипників кочення збільшується зі збільшенням товщини покриття та твердості його поверхні до певного оптимального значення, зменшенням градієнта твердості по товщині та збільшенням твердості основи;

9. Порівняльні дослідження зносостійкості зразків з різними покриттями при терті кочення з проковзуванням показали, що найменшу інтенсивність зношування і найбільшу довговічність мали зразки з дифузійними покриттями, одержані методом нітрогартування за оптимальним режимом. Інтенсивність зношування цих зразків із сталі ШХ15 є в 2,2 меншою, а довговічність майже в 2 рази більшою порівняно з гартованими зразками;

10.Для збільшення довговічності підшипників кочення рекомендується нанесення дифузійних покриттів максимальної товщини з оптимальною мікротвердістю поверхні (7600-7800 МПа для нітрндних покриттів) і мінімальним градієнтом твердості по глибині на основу максимальної твердості. Такою технологією, що забезпечує зазначені рекомендації, є запропонована технологія нітрогартування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧЕМ ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Каплун П.В. Дослідження напружено-деформованого стану пластини з покриттями при контактному навантаженні //’’Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, - 1999, — №4. - С. 179-182.

2. Каплун П.В. Влияние характеристик покрытий на величину и характер распределения касательных напряжений при контактном нагружении //36. наук, праць. За результатами VII наук.-техн. конф. “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - Хмельницький, - 2000, -С. 246-251.

3. Каплун П.В.. Люховець В.В., Глущак Г'.С. Дослідження триболопчних характеристик та довговічності конструктивних елементів з дифузійними і

комбінованими покриттями. // Вісник Технологічного університету Поділля: ТУП, - Хмельницький, — 2000. - Ч. 1. —№5. - С. 85-87.

4. Каплун ГІ.В. Донченко О.Л. Вплив технології азотування на механіку руйнування, міцність і довговічність конструкційних елементів // Вісник Технологічного університету Поділля: ТУП, - Хмельницький, - 2000. -Ч.2.-ЖЗ.-С. 33-35.

5. Каплун П.В., Кіницький Я.Т., Кузьменко А.Г. Швидкість проковзування кульок в упорних підшипниках кочення // Вісник Технологічного університету Поділля: ТУП, - Хмельницький, - 2001. - №1. — С. 110-115.

6. Каплун П.В. Кинетика износа сталей с диффузионными покрытиями при контактном циклическом нагружении // «Проблемы трибологии», - Хмельницкий, - 2001, —№1. С. 199-204.

7. Каплун П.В., Паршенко A.B. Дослідження спрацювання і довговічності підшипників кочення і зміціповальнимн покриттями. // Машинознавство.

- Львів. - 2001. -№6. - С. 50-52.

8. Каплун П.В., Паршенко A.B., Кухар В.І. Вплив покриттів на процеси зношування гірн циклічному контактному навантаженні // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький: ТУП - 2001, - 4.1. -№3. - С. 12-16.

9. Каплун П.В. Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипни-

ків кочення // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - Хмельницький. - 2003.-№4.-C. 131-140. ^

10. Патент UА 33099А В29С47/00. Вузол екструдування та спосіб підвищення його довговічності / В.Г. Каплун, ГІ.В. Каплун, М.О. Мазур, B.C. Павлов/.-28116001. Заявл. 12.11.1998. Опубл. 15.02.2001. Бюл.№1.

ТЕЗИ ДОПОВІДЕЙ

1. Пастух 1.М., Каплун П.В., Пастух В.І. База данных для разработки программного обеспечения микропроцессора управления технологическим процессом поверхностного упрочнения. // Матеріали Ш науково-технічної конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва”. - Хмельницький, - 1995. -С. 185.

2. Кузьменко А.Г., Каплун П.В., Шалапко Ю.І. Фреттинг-усталосгь стали 45Х с диффузионными покрытиями // Матеріали міжнародної наукової конференції “Зносостійкість, надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000). -Хмельницький. - С. 43-44.

3. Каплун П.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов с покрытиями при контактном нагружении //Материалы международной научной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» - Коцивелли. -Крым.-2000. - С. 187.

4. Каплун П.В., Паршенко A.B. Дослідження спрацювання і довговічності підшипників кочення зі зміцнювальними покриттями // 5-й міжнародний

симпозіум українських інженерів-механіків у Львові. Тези доповідей. -Львів, 2001,-С. 140.

5. Каплун П.В. Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення // Міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість

і надійність вузлів тертя машин" (ЗНМ-2003). - Очаків. - 2003. -С. 25.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА

У роботах [3, 4, 7] здобувачеві належить методика встановлення залежностей, обгрунтування та обробка результатів досліджень.

У роботі [5] здобувач виконав теоретичні дослідження, одержав основні співвідношення для визначення коефіцієнта проковзування кульок відносно кілець, дослідив його залежність від геометричних характеристик упорних підшипників кочення.

У роботі [8] здобувачем обгрунтовано результати досліджень, досліджено вплив фізико-механічних характеристик покриттів на процес зношування, досліджено механізм зношування підшипників кочення з покриттями в мастилі.

У роботі [10] запропоновано ідею зміцнення елементів екструдера і сформульовано 2-гу частину формули винаходу.

Всі доповіді на конференціях зроблено здобувачем особисто.

АНОТАЦІЯ

Каплун П.В. Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство Інститут надтвердих матеріалів НАН України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної проблеми підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення нанесенням зміцнюючих покриттів. У роботі розглянуто новий комплексний теоретико-ексітериментальний підхід до вирішення поставленої проблеми.

Теоретичними дослідженнями напружено-деформованого стану моделі пластини з багатошаровим покриттям при її контактному навантаженні виявлено вплив конструкції і фізико-механічних характеристик покриття на величину контактних напружень в композиції “покриття-основа” та обгрунтовано шляхи їх зменшення. Досліджено кінематику руху кульок в упорних підшипниках кочення, одержано формули для визначення швидкості та коефіцієнта проковзування кульок відносно кілець.

Експериментальними дослідженнями виявлено вплив конструкції фізико-механічних властивостей покриттів та твердості основи на зносостійкість і довговічність підшипників кочення в мастилі, на основі яких обгрунтовано перспективність застосування дифузійних покриттів і зокрема покриттів, одержаних методом іонного азотування в плазмі тліючого розряду, для зміцнення поверхні, уточнено механізм зношування поверхні кочення з покриттями в

мастилі, розроблено рекомендації та нову технологію для підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення, проведено промислові випробування упорних підшипників кочення за розробленою технологією, які підтвердили ефективність запропонованих рекомендацій та технології.

Ключові слова: покриття, основа, підшипник, кочення, конструкція, товщина, твердість, градієнт властивостей, дифузія, зносостійкість, довговічність.

АННОТАЦИЯ

Каплун П.В. Влияние покрытий на износостойкость и долговечность подшипников качения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Институт сверхтвердых материалов НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена решению актуальной проблемы машиностроения

- повышению износостойкости и долговечности подшипников качения нанесением упрочняющих покрытий. Применен комплексный теоретикоэкспериментальный подход при решении поставленной задачи. На основании теоретических исследований напряженно-деформированного состояния модели пластины с многослойным покрытием при ее контактном нагружении распределенной по определенному закону нагрузкой выявлено влияние конструкции и физико-механических характеристик (модуля упругости, толщины и градиента изменения свойств по толщине) покрытия на величину контактных напряжений в композиции «покрытие-основа», что позволило наметить пути и предложить рекомендации по снижению величины контактных напряжений и повышению несущей способности конструктивных элементов с покрытиями при контактном нагружении в процессе качения.

Исследования кинематики движения шариков упорных подшипников показали, что в процессе качения имеет место значительное проскальзывание шариков относительно колец подшипников, получены формулы для определения скорости и коэффициента проскальзывания.

Разработана методика и лабораторная испытательная установка для проведения исследований на износ и долговечность образцов при трении скольжения и качения с проскальзыванием. Проведены исследования физикомеханических характеристик и фазового состава образцов с покрытиями различной конструкции и сравнительные испытания на износостойкость в масле при изменении твердости, толщины и градиента твердости по толщине покрытий, а также различной твердости основы, на которою наносились покрытия.

Ключевые слова: твердость, подшипник, износостойкость, покрытие, основа, диффузия, градиент свойств, толщина, конструкция.

ANNOTATION

Kaplun P.V. Influence of coverings on wear resistance and durability of rolling bearings.

Dissertation for seeking a scientific degree of doctor of technical science on specialization 05.02.01 - Material Studies, Institute of Superfirm Materials, NAS of Ukraine, Kiev, 2004.

The dissertation is devoted to solving actual problem of increasing wear resistance and durability of rolling bearings by means of drawing strengthening coverings. New complex of theoretical and experimental approach to solving above mentioned problem is considered in the work.

Theoretical research of intense and deformed state of a plate model with a multilayered covering under its contact loading revealed influence of a design and physical-mechanical characteristics of covering on the size of contact pressure in a composition "covering-basis" and ways of their reduction are outlined. The kinematics of spheres movement in resistant rolling bearings is investigated; formulas for measuring speed and coefficient of spheres skidding in reference to rings are received.

Experimental researches reveal influence of design of physical-mechanical properties of coverings and hardness of basis for wear resistance and durability of rolling bearings in lubricant oil, on the basis of which perspectives of application of diffusion coverings, in particular the coverings received by method of ionic nitrating in plasma of the glowing discharge, for strengthening surface is proved, the mechanism of wear process of a rolling surface with coverings in the lubricant oil is specified, recommendations and new technology for increasing wear resistance and durability of rolling bearings are developed, industrial tests of resistant rolling bearings based on the developed technology, which proved efficiency of the offered recommendations and technologies are carried out.

Key words: covering, basis, bearing, rolling, design, thickness, hardness, gradient of properties, diffusion, wear resistance, durability.