Триботехнологии в реновации

      Введение

      Проблемы  трения, износа и смазки в машинах  изучает наука трибология. Современная наука трибология изучает трение, износ, смазку в процессе взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических, химических, биологических и др. явлений, связанных с трением.

      Как известно, уже со второй половины XX века надежность, экономичность и экологичность машин, приборов, аппаратов, транспортных средств и технологического оборудования начали определяться в основном не показателями прочности, а триблологическими показателями узлов и деталей, работающих с трением. В XXI веке, безусловно, роль трибологических показателей возрастет ещё больше.

      Поэтому трибологические явления должны учитываться при проектировании, изготовлении, эксплуатации и ремонте машин и механизмов. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4…5 % национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20…25 % вырабатываемой за год энергии [3].

      Можно анализировать природу трения, использовать расчетные зависимости, связывающие воедино внешние характеристики процессов и свойств контактирующих тел, рассмотреть физико-механические свойства материалов контактирующих тел и смазки, определяющие их поведение в подвижных сопряжениях. Это позволяет представить отдельные части машины (и машину в целом) в виде сложной триботехнической системы, аналитически описать ее, поставить численные математические эксперименты и по их результатам оптимизировать конструкцию на стадиях проектирования и изготовления, а также при эксплуатации и ремонте [4]. Но недостаточно только разработать рациональную конструкцию узла трения и корректно выбрать материалы для изготовления элементов этой конструкции. Необходимо правильно изготовить эти детали, в случае необходимости подвергнуть их поверхностному или объемному упрочнению, нанести на них антифрикционные или износостойкие покрытия и т.д. Подобрав метод обработки поверхностей деталей узлов трения машин и механизмов, можно придать им необходимые триботехнические свойства.

       1. Триботехнология и трибоматериаловедение

      Триботехнология – это раздел трибологии, изучающей проблемы формообразования деталей пары трения, обработки материалов со снятием и без снятия (путем упрочнения) стружки, а также с нанесением специальных покрытий. В то же время триботехнология – это раздел технологии машиностроения (науки об изготовлении машин заданного качества в установленном количестве при наименьших затратах материала, минимальной себестоимости и с высокой производительностью труда), изучающей проблемы технологического обеспечения и повышения долговечности деталей машин.

      Первая  задача – реализация процесса создания деталей трибосопряжений (зубчатые, винтовые, цепные передачи и др.). При этом оптимизация условий фрикционного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью путем рационального использования смазочно-охлаждающих технологических сред, назначение рациональных режимов резания и параметров геометрии инструмента позволяют управлять качеством поверхности трения, повышать износостойкость инструментов и снижать энергетические затраты.

      Вторая  задача триботехнологии – управление триботехническими характеристиками поверхностей трения – решается главным образом путем разработки специальных методов модифицирующей упрочняющей обработки. При этом модификация свойств поверхностных слоев трущихся деталей достигается модифицированием структуры или химического состава материалов. В этой области триботехнология тесно смыкается с трибоматериаловедением как по решаемым задачам повышения триботехнических характеристик трибосопряжений, так и по используемым методам исследования.

      Исследование  и разработка эффективных триботехнических материалов являются одним из основных путей решения технических проблем, связанных со снижением потерь на трение и износа в машинах.

      Процессы, протекающие на фрикционном контакте, мало изучены. В зоне трения двух деталей  трибосопряжения возникают высокие температуры, большие давления, имеются различные ингредиенты окружающей среды и смазочных материалов, т.е. материал трущегося тела, по существу, подвергается интенсивной технологической обработке, и часто его поверхностный слой по своим свойствам значительно отличается от исходного материала.

      Накопленные научные данные свидетельствуют, что процессы трения и изнашивания представляют собой совокупность последовательных переходов материала из одного состояния в другое. При одних условиях переходы определяются процессами упругой и пластической деформаций, при других осуществляются более глубокие структурные и фазовые превращения в поверхностном и подповерхностном слоях материала.

      Результаты  проведенных исследований показывают, что для обеспечения лучших показателей износостойкости так, например, при механическом изнашивании необходимо совместить три основных компонента: статическую прочность, твердость и пластичность. Сочетание именно этих характеристик обеспечивает наилучшие результаты в части повышения износостойкости конструкционных материалов.

      Можно утверждать, что в общей проблеме повышения износостойкости деталей трибосопряжения роль трибоматериаловедения исключительно велика; в любой конкретной задаче повышения показателей долговечности (ресурса, срока службы) составных частей машин две трети объема возможных мер всегда будут приходится на выбор конструкционных материалов. Но не стоит забывать и об обработки поверхности.

      Повышение экономически целесообразной долговечности  изделий возможно за счет повышения износостойкости материалов. Решение этой актуальной технической задачи базируется на результатах глубоких исследований и научных знаний. В этой связи большое значение приобретают работы в области трибоматериаловедения (металлы и их сплавы, полимеры, композиционные материалы), трибофизики (физико-химия процессов трения и изнашивания) и триботехнологии (модификация структур и упрочнения). Они помогут раскрыть новые способы снижения потерь мощности на трение и повышения износостойкости деталей функционального назначения. В решении этих задач важнейшая роль в настоящем и будущем принадлежит различным методам модификаций поверхностных слоев, упрочняющим технологиям, разработке материалов с новыми триботехническими свойствами[1]. 

      2. Повышение качества поверхностного слоя

      Как говорилось выше, для достижения совместимости материалов элементов конструкции узлов трения машин и механизмов, обеспечивающих их работоспособность и надежность, нужно разработать рациональную конструкцию узла трения, корректно выбрать материалы для изготовления элементов этой конструкции. Так же необходимо правильно изготовить эти детали, ибо процессы трения и изнашивания во многом определяются геометрическими и физико-механическими характеристиками поверхностных слоев трибосопряжения, которые формируются при выполнении цикла технологических операций. На рисунке 1 дана схема повышения пути качества поверхностного слоя деталей трибосопряжений различными способами [1].

      Повышение качества несущего слоя возможно в  результате:

      ▪ снижения или регуляризации высотных параметров шероховатости, увеличения опорной длины профиля поверхности механическими и электрофизическими методами: алмазно-абразивной обработкой и ее разновидностями; электрохимическим полированием; выглаживанием и обкатыванием; сатинированием в процессе обработки вращающимися металлическими щетками;

      ▪ формирования пленки или слоя из высокопрочного, износо- или коррозионно-стойкого материала на подложке из материала-основы;

      ▪ изменения химического состава  поверхностного слоя основного материала вследствие его насыщения атомами материала-упрочнителя – поверхностным легированием;

      ▪ деформационного упрочнения воздействием на поверхностный слой основного  материала концентрированными потоками энергии или обработкой поверхностным пластическим деформированием;

      ▪ термического упрочнения в результате локального термического воздействия на поверхностный слой основного материала;

      ▪ комбинированием перечисленных методов (рисунок 2) [1]. 

      Рисунок 1 – Способы повышения качества поверхностного слоя 
 

      Рисунок 2 – Повышение качества поверхностного слоя комбинированной упрочняющей обработкой 
 
 
 

      Каждый  способ упрочняющей обработки обеспечивает индивидуальный диапазон значений параметров качества поверхностного слоя для разных трибосопряжений.

      Методы  нанесения покрытий необходимо разделять  по толщине покрытия: толстые; тонкие твердые и мягкие покрытия. Большую часть покрытий можно отнести к тонким, для них характерна толщина модифицированного слоя от нескольких нанометров до десятка микрометров.

      При всех способах нанесения твердых  покрытий в модифицированном слое формируются растягивающие остаточные напряжения до 1100 МПа, имеет место резкая граница между покрытием и основным металлом, что способствует концентрации напряжений.

      Даже  при очень плотном контакте покрытия и основы в переходном слое имеются участки с ослабленными связями, являющимися по сути микротрещинами, способность к распространению которых растет с увеличением толщины покрытия. При работе в условиях усталости и контактной выносливости наблюдается разрушение упрочняющих покрытий отслаиванием. Отмечено влияние на контактно-усталостную прочность глубины упрочнения и градиента изменения микротвердости. Толстые покрытия легко отслаиваются даже при небольших деформациях. Кроме того все толстые покрытия требуют последующей механической обработки из-за ухудшения шероховатости поверхности и снижения точности размеров. Следовательно, упрочнение тяжелонагруженных деталей машин твердыми толстыми и тонкими покрытиями нецелесообразно. Отсюда следует, что нанесение твердых покрытий эффективно только с целью повышения износостойкости. Также, несмотря на большие перспективы повышения долговечности нанесением тонких мягких покрытий на сопрягаемые поверхности деталей машин можно решить лишь проблему повышения износостойкости, но не усталостной прочности или контактной выносливости.

      Для выявления рациональных областей применения различных способов упрочнения необходимо знать также характер влияния параметров качества поверхностного слоя на то или иное эксплуатационное свойство.

      Микрогеометрия  поверхностей трения оказывает большое влияние на работоспособность трибосопряжения – чем меньше значения параметра шероховатости Rа поверхностей трения, тем больше вероятность реализации гидродинамического режима смазки. С другой стороны, при граничной смазке слишком гладкие поверхности могут привести к повышенному молекулярно-механическому изнашиванию – адгезии, схватыванию и даже задиру. В процессе приработки происходит постепенный переход к установившейся равновесной (эксплуатационной) шероховатости.

      Несущая способность поверхностей, имеющих одинаковые высотные характеристики шероховатости и объемную твердость, но обработанных различными методами, разная.

      Форма и направление штрихов обработки (вдоль или поперек направления трения) также оказывает определенное влияние на трибологический процесс. Так, при граничной смазке и малой высоте неровностей предпочтительней является поверхность со следами обработки, перпендикулярными направлению движения, а при большой шероховатости наименьший износ дают поверхности, на которых следы обработки параллельны движению. Хорошие результаты износостойкости наблюдаются тогда, когда у трущихся поверхностей деталей трибосопряжения направление штрихов обработки взаимно перпендикулярны.

      Эти эффекты связаны, с одной стороны, с уровнем непрерывности контакта при трении, а с другой – с наличием микрорезервуаров, позволяющих удерживать в зоне трения дополнительные объемы смазочного материала и облегчающих условия трения при жестком  режиме. Существуют специальные методы нанесения на трущиеся поверхности регулярного рельефа, т.е. образования микронеровностей, отличающихся большими радиусами впадин, чем полученные при обработке резанием. Например, частично регулярный рельеф можно произвести сатинированием в процессе обработки вращающимися металлическими щетками или методами виброобкатывания, алмазного выглаживания и др. вариантами поверхностного пластического деформирования.

      3. Некоторые методы нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхности трения

      3.1 Обработка деталей поверхностным  пластическим деформированием