Інститут надтвердих матеріалів НАН України

(м. Київ)

К А П Л У Н

Павло Віталійович

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

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

Провідна установа: Фізико-механічний інститут
ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів

Захист відбудеться "17" 06 2004 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої 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. Бакуля НАН України за адресою: 04047, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

Автореферат розіслано "05" 05 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор ___________ А.Л. Майстренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності, довговічності та конкурентноздатності 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 в 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-механічних 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 держбюджетних тем 1Б-97 "Технологія поверхневого зміцнення металів та металевих сплавів з застосуванням керованої плазмової дифузії в газовому антикрихкісному середовищі" (Др. № 0193U018434) та 1Б-2000 "Теорія та фізичні основи технології модифікації поверхні формуванням комбінованих поліфазних плазмово-дифузійних шарів" (Др. № 0100U001977) 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-ІІІ.

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:

–

–

–

–

–

–

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:

–

–

–

–

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) покриття для сталей ШХ15, 45 і 20Х13 від технологічних параметрів іонного азотування.

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

Результати роботи впроваджено:

на НВП "Віднова" і ВАТ "Термопластавтомат" при проектуванні та виготовленні екструдерів К24-127 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 здобувачу. 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 здобувача полягає у виконанні теоретичних та експериментальних досліджень, обробці результатів досліджень, обґрунтуванні отриманих результатів і формуванні висновків.

Апробація результатів дисертації. ІІІ-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) пластини 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
покриття | Товщина шару в мкм | Варіант моделі покриття | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | Значення модулів пружності Е*105 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 | 30 | 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 | 11 | 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 обмеженій ділянці довжиною L = 10 мм і висотою Н = 5 мм при дії розподілених нормального і дотичного навантажень на контактній ділянці 2b = 0,4 мм. Дослідження проводились числовим методом з використанням 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 = б?(1-25?х2) і F = м?q, де х змінювався в межах від – 0,2 до + 0,2; м – безрозмірний коефіцієнт (м < 1); б – коефіцієнт навантаження дорівнював 103 МН/м.

Модуль пружності основи Ео = 2?105 МПа. Параметри покриття і коефіцієнт м змінювалися в таких межах: товщина покриття hп – від 5 до 300 мкм; модуль пружності шарів покриття Еп – (від 2 до 4) ?105 МПа; Ке = Еп / Ео від 1 до 2; м – від 0 до 0,5.

Рішення задачі одержано як в абсолютних значеннях напружень (?х, уу, фху, уе) і деформацій (?х, еу, еху, ее), так і в відносних одиницях, що визначалися коефіцієнтом Ку.

Ку = уеп / уео , (1)

де ?еп і ?ео – ефективні 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 товщини покриття hп, коефіцієнта дотичного навантаження м, модуля пружності покриття Еп та його співвідношення Ке з модулем пружності основи і зростає зі збільшенням цих параметрів. Збільшення коефіцієнта м викликає зміщення максимуму ефективних напружень від центру контактної площадки в сторону дії дотичного навантаження. Величина відхилення зростає зі збільшенням м (рис. 2).

Складові ефективних напружень (?х, уу, фху) по різному залежать від параметрів покриття. Напруження ?у практично не залежать від hп, Ке і градієнта зміни властивостей покриття по глибині. Зміна м від 0 до 0,4 викликає незначне збільшення величини ?у на поверхні – до 0,5%. Максимальне значення ?у виникає на поверхні в центрі площадки контакту. Величина ?у поступово зменшується по глибині покриття.

Характеристики покриття hп, Ке, а також коефіцієнт м мають великий вплив на напруження ?х і ?ху. Максимальне значення ?х виникає на поверхні площадки контакту, збільшується із збільшенням hп, Ке і м, різко зменшується по глибині покриття і є тим більшим, чим більшим є Ке, і меншим hп. Найменше значення ?хmах і градієнт його зменшення по глибині виникає в однорідному матеріалі без покриття. Збільшення м викликає зміщення максимуму ?х від центру площадки контакту в сторону дії дотичного навантаження. При м ? 0,1 величина цього зміщення незначна, а при м = 0,4 вона досягає 0,35b (рис. 3).

Дослідження показали, що для різних конструкцій і характеристик покриттів дотичні напруження ?ху мають різні значення. Для різних варіантів покриттів (табл. 1) зміна величини ?ху не перевищувала 10 % порівняно з їх значенням для однорідного матеріалу (варіант 0). Найбільший вплив на величину ?ху має коефіцієнт м. При значеннях м < 0,5 максимальні дотичні напруження ?хуmax виникають на певній глибині і зміщені по осі Х від центру площадки контакту. Так при м = 0 ф?уmax виникають на глибині 0,5b з симетричним розміщенні відносно осі Y на віддалі 0,5b від неї. Зі збільшенням м напруження ?хуmax збільшуються за абсолютною величиною, а координати точки їх виникнення наближаються до поверхні та до центру площадки контакту і при м = 0,5 знаходяться на поверхні в центрі площадки контакту (рис. 4).

Вплив характеристик покриття на НДС композиції "покриття-основа" зручно оцінювати за допомогою коефіцієнта Ку (1), що дозволяє порівнювати ефективні напруження в досліджуваній точці з їх значенням в матеріалі без покриття при дії ідентичного навантаження. Дослідження показали, що Ку 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 Ке = 2 розвантаження основи досягається при товщині покриття 20 мкм, величина розвантаження збільшується зі збільшенням hп і Ке та зменшенням градієнта зміни властивостей покриття по глибині.

Наявність на поверхні композиції "покриття-основа" тонкого шару низькомодульного покриття (варіант 4 табл. 1) викликає значне зменшення величини Ку на поверхні контакту при різних значеннях м. Розміщення низькомодульного шару на певній глибині від поверхні зміцнюючого покриття (варіант 5 табл. 1) викликає підвищення Ку на поверхні при різних значеннях м, 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 ?х, фху, 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:

–

–

–

–

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:

, (2)

де: ;

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

N – нормальне навантаження на кульку;

Еп – приведений модуль пружності;

R1, R2, R3 – 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 R1 і R3.

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 фізико-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 І-20, при частоті обертання зразка 750 хв-1. В сепараторі знаходилось 12 кульок. Кульки виготовлялись із сталі ШХ15 і мали твердість HRC 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 викрихчення 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 HRC > 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 HRC 45.

Лабораторні дослідження фізико-механічних характеристик, структури і фазового складу покриттів проводились з застосуванням методів металографії і рентген-структурного аналізу за допомогою мікроскопів МІМ-10, ПМТ-3, РМ-10РМ і установки "Дрон-3М". 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 20Х13, твердість яких змінювалася методом термообробки в межах від 26 до 62 HRC.

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 TiN 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:

, (3)

де: ?(х) – функція відклику (вхідна зміна); ?0, вi, вii, вij – коефіцієнти рівняння регресії; xi, xj – 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:

ц(?) = в0 + в1х1 + в2х2 + в3х3 + в4х4 + в11х12 + в22х22 + в33х32 + в44х42 +

+ в13х1х3 + в14х1х4 + в23х2х3 + в24х2х4 + в34х3х4 (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 ШХ15 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.

Кінетика процесу зношування і зміни мікротвердості на доріжці кочення досліджувались на сталях 20Х13, 45 і ШХ15 з різними покриттями і твердістю основи. Дослідження показали, 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).

Таблиця 2

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

Марка сталі | Режим азотування | Технологічні параметри азотування | Товщина покриття, мкм | Мікро-твердість Н100, МПа | Фазовий склад поверхні, в % | Т,·
С | Р,
Па | Склад насичуючого середовища | Час насичення, хв. | г’ | ШХ15 | 1а | 570 | 240 | 62%N2+38%Ar | 240 | 300 | 9180 | 40 | 50 | 10 | 2а | 570 | 80 | 25%N2+75%Ar | 240 | 280 | 7860– | 60 | 40 | 3а | 530 | 80 | 43%N2+57%Ar | 60 | 120 | 7860 | 10 | 55 | 35 | 45 | 1а | 570 | 240 | 62%N2+38%Ar | 240 | 280 | 7580 | 32 | 56 | 12 | 20Х13 | 1а | 570 | 240 | 62%N2+38%Ar | 240 | 260 | 7680 | 33 | 39 | 28 | 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 і не перевищує 15-30% від загального зносу до початку викрихчення. Основним видом зношування поверхні кочення є втомне зношування, що характеризується трьома стадіями: перша – 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 зношування поверхні кочення, а лише впливають на протяжність його стадій.

У таблиці 3 наведено результати порівняльних випробувань на зносостійкість і довговічність при терті кочення з проковзуванням різних зразків із сталей з різними покриттями і різною твердістю основи. З таблиці видно, що довговічність зразків збільшується при збільшенні товщини покриття. Найбільший вплив на довговічність і зносостійкість зразків має твердість основи і градієнт зміни твердості по глибині композиції “покриття-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.

Таблиця 3

Фізико-механічні та трибологічні характеристики зразків з різними покриттями та їх довго-вічність при випробуваннях на тертя кочення в мастилі І-20, навантаження на кульку 150 Н.

№ п/п | Марка сталі | Вид термообробки та технології і покриття | Мікротвердість Н100, МПа | Тов-щина пок-риття, мкм | Інте-нсив-ність зно-шу-вання, І·10-11 | Довговічність до появи пітигу, N·106 циклів | Поверхні | Основи | Доріжки кочення після випробувань | 1 | 20Х13 | без термообробки | 3550 | 2370 | 3460– | 620 | 0,59 | 2 | 20Х13 | іонне 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 | ШХ15 | без термообробки | 3840 | 3340 | 3340– | 594 | 0,70 | 8 | ШХ15 | без термообробки + іонне азотування режим 1а | 9180 | 2680 | 7400 | 300 | 312 | 1,08 | 9 | ШХ15 | без термообробки + оксіазотування режим 1а | 6140 | 2680 | 7420 | 300 | 210 | 1,25 | 10 | ШХ15 | гартування | 7210 | 7210 | 7130– | 8,0 | 25,1 | 11 | ШХ15 | гартування + іонне азотування режим 1а | 9180 | 4970 | 7160 | 300 | 8,4 | 24,2 | 12 | ШХ15 | гартування + іонне азотування режим 2а | 7660 | 5800 | 7300 | 290 | 7,5 | 26,4 | 13 | ШХ15 | гартування + іонне азотування режим 3а | 7860 | 5900 | 6350 | 120 | 13,0 | 22,8 | 14 | ШХ15 | гартування + TiN, метод КІБ | 14000 | 5120 | 5200 | 5 | 15,0 | 22,0 | 15 | ШХ15 | без термообробки + TiN, метод КІБ | 14000 | 2680 | 3350 | 5 | 564 | 0,75 | 16 | ШХ15 | гартування + гальванічне нанесення Cr12000 | 7210 | 7140 | 5 | 7,6 | 28,4 | 17 | ШХ15 | гартування + гальванічне нанесення Cr12000 | 7210 | 7300 | 10 | 7,0 | 30,1 | 18 | ШХ15 | нітрогартування за режимом 1НО | 8700 | 7200 | 7630 | 330 | 3,6 | 40,8 | 19 | ШХ15 | нітрогартування за режимом 2НО | 7700 | 7200 | 7420 | 350 | 3,2 | 48,8 | 20 | ШХ15 | нітрогартування за режимом 3НО7300 | 7200 | 7380 | 410 | 3,8 | 38,4 | 21 | ШХ15 | нітрогартування за режимом 1Н | 8300 | 7200 | 7410 | 320 | 3,7 | 38,7 | Дослідження показали, що зносостійкість і довговічність зразків збільшується з підвищенням твердості покриттів тільки до певних значень, 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 -фази.

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. Так при нанесенні покриття з TiN методом КІБ на гартовану сталь ШХ15 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 TiN 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).

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 -фази на поверхні і велика товщина дифузійного шару та низький градієнт твердості по глибині зразків. Зносостійкість і довговічність зразків із сталі ШХ15, 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 нітрогартування, яка включає іонне оксіазотування за оптимальним режимом, подальше гартування з нагрівом в соляних ваннах та оптимальним часом витримки при температурі гартування і низькотемпературний відпуск протягом 2 годин.

У п’ятому розділі наведено результати промислових випробувань упорних підшипників кочення №8320 ГОСТ 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 покриття 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-основа”. Із збільшенням дотичних навантажень максимум дотичних напружень, що знаходяться на 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 багатоцикловому 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. Фізико-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 математичні залежності товщини і мікротвердості азотованих шарів та інтенсивності їх зношування в мастилі І-20 при терті кочення і ковзання від технологічних параметрів дифузійного насичення