Введение

Современные условия эксплуатации машин, связанные с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами, диктуют необходимость соблюдения особых требований к материалам, в частности – высокой надежности и долговечности деталей, из которых они выполнены [1]. Практика показывает, что среди основных факторов, влияющих на надежность, значительное место занимают вопросы износостойкости деталей. По статистике большинство машин (85–90%) выходят из строя в результате износа поверхности отдельных деталей [2–8]. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость. Создание машин, не требующих капитального ремонта, позволит сэкономить огромное количество финансовых средств, трудовых ресурсов и материалов.

Повышение износостойкости и усталостной прочности деталей основано на воздействии на рабочую поверхность деталей и элементы кристаллической решетки металла путем применения различных видов обработок [9–30].

Слесарно-механическая обработка применяется для устранения задиров, рисок и других дефектов поверхности, а также для получения необходимой чистоты поверхности. Чем выше чистота поверхности, тем выше износостойкость детали. Наиболее часто для этих целей применяют шабрение, шлифование, полирование, хонингование.

Термическая обработка металлов и сплавов применяется для изменения структуры и свойств в заданном направлении. Среди основных видов термической обработки следует отметить отжиг (гомогенизация и нормализация), закалку, отпуск и дисперсионное твердение (старение).

Химико-термическая обработка проводится с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхности металла. Она включает в себя азотирование, фосфатирование, анодирование, цианирование, сульфидирование, борирование, цементацию, а также гальваническую обработку, которая заключается, главным образом, в хромировании рабочей поверхности деталей.

Механическое упрочнение (наклеп) – увеличение твердости и прочности металла, вызванное пластической деформацией при температурах ниже температуры рекристаллизации. Различают виброобкатывание (вибровыглаживание), дробеструйную и гидроструйную обработку, дорнование (дорнирование), обкатывание, электромеханическое упрочнение, электроискровую обработку.

Электролитическое хромирование широко применяется в промышленности для повышения твердости и износостойкости деталей (например, штоков, цилиндров, поршней, валиков, золотников и др.) из различных конструкционных материалов. Хромовое покрытие позволяет увеличить сопротивление деталей механическому износу в 5–10 раз [31, 32]. Актуальность проблемы и перспективность разработки способов замены хромовых покрытий обусловлены требованиями директивы Евросоюза (RoHS), ограничивающей использование токсичных канцерогенных соединений шестивалентного хрома.

Одним из процессов, направленных на повышение надежности и долговечности деталей, является химическое никелирование. Применение покрытий систем Ni–P и Ni–B, нанесенных химическим методом, может быть одним из способов исключения из гальванического производства соединений шестивалентного хрома. Химические никелевые покрытия по своим служебным характеристикам приближаются к хромовым. Особенностью химических покрытий является равномерность их толщины на деталях сложной конфигурации, в том числе на деталях с узкими зазорами и глухими отверстиями.

Большой вклад в изучение и развитие процесса химического никелирования в нашей стране внесли П.П. Беляев, К.М. Горбунова, М.И. Зильберфарб, С. Панченко, А.А. Никифорова, С.А. Вишенков, К.М. Вансовская, В.А. Ильин [33–39].

Целью и задачей работы является разработка износостойкого покрытия для пар трения для замены хрома на деталях из низко-, среднелегированных сталей средней прочности (до 1370 МПа) и высокопрочных сталей (до 1800 МПа).

Материалы и методика

Все исследования и испытания проведены в соответствии с ГОСТ и методиками ВИАМ, за результат испытаний принимается среднее арифметическое из трех параллельных определений.

Адгезия и прочность покрытия определяются по ГОСТ 16523–89 на пластинах размером 150×70 мм, толщиной 0,8 мм. Эластичность покрытия при изгибе определяется по ГОСТ 13345–85 на пластинах из черной полированной жести длиной 100–150 мм, шириной 20–50 мм, толщиной 0,25–0,32 мм.

Износостойкость покрытий на воздухе определяется при торцевом трении на испытательной машине И-47 согласно ММ 1.595-5-315–2007 при осевой удельной нагрузке 3 МПа и скорости взаимного перемещения 0,3 м/с в условиях сухого трения.

Фреттингостойкость покрытий определялась по методике ВИАМ на установке УИФ-2. Фреттинг-износ антифрикционного покрытия происходил в результате воздействия контртела при возвратно-вращательном движении на неподвижный образец с покрытием. Условия испытаний: удельная нагрузка 80 МПа, амплитуда 400 мкм, частота 16,7 Гц.

Оценка физико-механических свойств проводилась на пластинках размером 150×70 мм, толщиной 0,8 мм. Прочность при ударе измеряется на приборе У-1 по ГОСТ 13345–85, эластичность пленки при изгибе – на приборе ШН по ГОСТ 16523–89.

Толщина покрытий для определения физико-механических свойств составляет 25–30 мкм, на втулках для исследования триботехнических характеристик 25–35 мкм. Замер толщины производится микрометром с индикатором.

Термическая стабильность определяется путем выдержки покрытий в течении 5 ч в муфельной печи при заданной температуре.

Результаты

Для проведения исследований были изготовлены образцы из стали 30ХГСА, на которые наносили покрытие системы никель–бор разной толщины из щелочного раствора, содержащего никель двухлористый, гидроксид натрия, натрий боргидрид, этилендиамин, тиомочевину и калий-натрий виннокислый. Покрытие системы никель–бор наносили по следующей технологической схеме: шлифование→электролитическое обезжиривание→активация→нанесение химического покрытия→термическая обработка покрытия. При этом оптимальная температура раствора для получения покрытия составляет 85–90°С, плотность загрузки 1–2 дм²/л, рН раствора для получения покрытия системы Ni–B– не менее 13; режим термической обработки покрытий: 350°С в течение 1–1,5 ч.

Для химического покрытия системы Ni–Bмаксимальная толщина, получаемая из 1 л раствора при указанных условиях за 4 ч осаждения, составляет ~23 мкм: 19; 3; 0,9 и 0,5 мкм соответственно за каждый час осаждения. В связи с резким снижением скорости осаждения покрытия требуется смена раствора химического никелирования через каждый час. Помимо снижения скорости осаждения покрытия могут быть получены осадки разного состава, что может привести к нестабильности свойств покрытия системы Ni–B.

Указанные технологические параметры являются наиболее оптимальными с точки зрения скорости осаждения покрытия, которая для покрытия системы Ni–B составляет 16–19 мкм/ч. При этом формируется покрытие системы Ni–Bна деталях из сталей средней прочности, отвечающее по качеству (внешнему виду и прочности сцепления) требованиям ГОСТ 9.301 и ГОСТ 9.302.

Коэффициент сухого трения, определенный на установке И-47 согласно ММ 1.595-5-315–2007 (в течение 1 ч при удельной нагрузке 3 МПа и скорости взаимного перемещения 0,3 м/с в условиях сухого трения), для покрытия системы Ni–B составляет 0,49–0,51 (для покрытия системы Ni–Р: 0,56–0,77), что находится на уровне коэффициента сухого трения для хромовых покрытий (0,46–0,62).

С целью снижения коэффициента трения использована твердосмазочная пропитка ВАП-5. Проведены испытания трибологических свойств данного покрытия, состоящего из химического покрытия системы Ni–Bи суспензии антифрикционной пропитки ВАП-5.

В результате испытаний на фреттингостойкость установлено, что при удельной нагрузке 80 МПа, амплитуде 400 мкм и частоте 16,7 Гц (на установке УИФ-2) на образцах с покрытиями системы Ni–Bв паре с контртелом из стали 30Х13 наблюдается фреттинг через 5–20 мин; на одном образце из десяти через 240 мин очага фреттинга не обнаружено. На образцах с покрытием системы Ni–Pочаги фреттинга появились через 20 мин.

Проведены испытания на трение и износ покрытия системы Ni–B, пропитанного суспензией ВАП-5. Покрытие системы Ni–B, пропитанное суспензией ВАП-5, имеет стабильные значения коэффициента трения – от 0,11 до 0,14, работоспособно на воздухе при температурах от -80 до +250°С и удельных нагрузках до 50 МПа, превосходит серийное покрытие ВАП-2. Триботехнические свойства покрытий приведены в таблице.

Триботехнические свойства покрытий на стали 30ХГСА

Суспензия пленкообразующего состава для пропитки покрытия системы Ni–B состоит из эпоксидной матрицы и включений частиц дисульфида молибдена, графита, нитрида бора и оксида кадмия. Все наполнители просушены и размолоты для получения порошка дисперсностью

Наполнители суспензии имеют кристаллическое строение и обладают различными физико-механическими свойствами по всем направлениям, т. е. они анизотропны. В кристаллической решетке слоистых структур атомы располагаются в виде плоских слоев или гофрированных параллельных пакетов, состоящих из нескольких слоев. В графите атомы расположены в параллельных плоскостях и образуют правильные шестиугольники. Связи между атомами углерода в слое ковалентные, а между атомами углерода разных слоев – металлические. Металлическая связь значительно слабее ковалентной связи, что способствует легкой расщепляемости графита по плоскостям спайности. Слоистая структура дисульфида молибдена представляет собой «пакеты», состоящие из трех слоев, каждый из которых состоит из атомов металла, по обеим сторонам которого находятся атомы галоида. Связь галоида с металлом – ковалентная, а связь галоида с галоидом слабая, благодаря чему «пакеты» могут легко скользить по плоскостям спайности и легко разрушаться при размоле.

Непосредственно перед нанесением пропитывающего состава детали обезжириваются, затем на поверхность наносится пропитывающий состав и он полимеризуется. Исследования на образцах показали, что прочность покрытия при прямом ударе составляет не менее 4,9 МПа – максимально определяемое значение на приборе У-1, а прочность при изгибе 1–3 мм.

Исследовано состояние поверхности образцов и контртела после испытаний на трение и износ. После испытаний на всех образцах структура поверхности неоднородна. Наряду с сохранившимися областями, имеющими практически такую же структуру, как в исходном состоянии, отмечаются неравномерно расположенные по трущейся поверхности области с измененной структурой и области с вторичными структурами, образовавшимися при трении.

Поверхности контртела и покрытия системы Ni–B, пропитанного суспензией ВАП-5, после испытаний на машине И-47 представлены на рис. 1 и 2.

Рисунок 1. Поверхность контртела после испытаний на износ на машине И-47

Рисунок 2. Поверхность покрытия системы Ni–B, пропитанного суспензией ВАП-5, после испытания на износ на машине И-47

Результаты исследования позволяют утверждать, что при «тяжелых» режимах трения происходит химическое взаимодействие материалов контртела и покрытий с внешней средой, вследствие этого на контактной поверхности сопряжений образуются сульфиды и оксиды металлов, свойства которых определяют смазочную способность покрытия.

Обсуждение и заключения

Определены трибологические свойства покрытия системы Ni–B, пропитанного суспензией ВАП-5: коэффициент трения от 0,1 до 0,2, износостойкость 5·10^-9 (отн. ед.), фреттингостойкость до 1 ч.

Покрытие работоспособно на воздухе в интервале температур от -80 до +250°С и при удельных нагрузках до 50 МПа.

Покрытие системы Ni–B, пропитанное суспензией ВАП-5, рекомендуется взамен стандартного хромового покрытия для деталей в парах «трение–скольжение» (подшипники скольжения, ползуны, направляющие и т. д.), изготовленных из сталей для изделий авиационной техники (двигатели, планер и агрегаты), судостроения, машиностроения и товаров народного потребления.

Использование покрытия системы Ni–B, пропитанного суспензией ВАП-5, позволит повысить ресурс деталей трения и агрегатов до ресурса эксплуатации изделия и уменьшить затраты на нейтрализацию токсических веществ из отработанных растворов.