Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
3.1.5. Влияние МСК «Валена» на эксплуатационные свойства современных смазочных материалов Развитие техники и все более жесткие требования экологов приводят к новым конструкторским решениям и применению новых материалов. Это потребовало и создания смазочных материалов, способных обеспечить устойчивую работу и долгую жизнь узлов трения. Ведущие мировые производители, находясь в условиях постоянной конкурентной борьбы, интенсивно работают над улучшением смазочных материалов. Применение однородной синтетической основы вместо широкой гаммы углеводородов, входящих в состав масляной фракции, позволило заметно улучшить физико-химические свойства, такие как термическая стабильность, устойчивость к окислению, улучшенные вязкостно- температурные характеристики и т.д. Добавление целого ряда присадок также улучшает качество масел. Однако все имеет свою цену: стоимость одного литра синтетического масла достигает 20…50 евро. В рекламных статьях производители рассказывают об «умных маслах», которые в зависимости от условий эксплуатации, «включают и выключают» различные присадки. При этом речь идет о периоде замены масла в 12–24 месяца. Много говорится об образовании защитных пленок на рабочих поверхностях, снижающих трение и износ в узле трения, а также температуру смазочной среды. В последние годы широко применяются присадки на основе нанопорошков, создающих керамические нанопленки (нано – 10 -9 м). Однако самые идеально обработанные поверхности имеют параметр шероховатости на порядок, а то и несколько порядков больше. Это означает, что защитная пленка не может называться «нано», или она не в состоянии защитить поверхности от прямого контакта. 90 Появление нового поколения металлоплакирующих присадок, работающих в режиме безызносного трения, позволило разъединить трущиеся поверхности за счет образования квазижидких, пористых пленок из металлов переменной валентности толщиной 1…2 мкм (10 -6 м). При этом реализуется эффективная защита от водородного износа и охрупчивания поверхностного слоя основного металла. Такие пленки получили название «сервовитные», т.е. сохраняющие, удлиняющие жизнь. Главным отличием сервовитных пленок от классических (химических) является их многократное восстановление в процессе трения (автокомпенсация износа). Все это приводит к значительному увеличению срока службы машин и механизмов. Путем долговременных эксплуатационных испытаний было проверено влияние МСК «Валена» на работу моторных масел легковых автомобилей. Для испытаний были отобраны 7 автомобилей 1995–2005 гг. выпуска с пробегом 120…178 тыс. км, как дизельные, так и бензиновые. Таблица 3.2 Тестовые испытания МСК «Валена» в зарубежных маслах (Германия) Модель автомобиля Двигатель, L/л.с. Год выпуска Пробег, тыс. км Расход топлива додобавления МСК «Валена» (L /100км) Расход топлива после добавления МСК «Валена» (L /100км) Масло Honda Shuttle 2,2/150 1995 178 13,5 12,3 M 10W-40 Mobil-1 Nissan 200sx 16V Turbo 1,8/230 2003 120 11,3 9,9 M 10W-40 Mobil-1 BMW 318d Touring 1,8/90 1997 140 8,1 7,3 MOS2 Leichtlauf 10W-40 Toyota Avensis 2/0 d-4d 2,0/110 2000 135 8,0 7,4 M 5W-30 longlife Lancia Zeta 2.0 jtd 2.0/109 2001 165 8,8 7,8 M 5W-30 Selenia VW Transporter T4 TDI 2,5/102 2001 152 8,9 7,9 M 10W-40 Mobil-1 Citroen Xsara Picasso 1.6 HDI 1.6/109 2005 126 7,5 6,9 M 10W-40 Leichtlauf Примечание. Период испытания – 1 год; [С] МСК «Валена» = 1 г/л масла 91 В качестве рабочих масел применялись масла, рекомендованные производителем данного автомобиля с добавлением 0,1% МСК «Валена». Средний расход топлива определялся суммарным количеством топлива за 12 месяцев и фактическому пробегу автомобиля по показаниям спидометра. В ходе испытания каждый участник заполнял опросный лист по темам: – какие изменения в работе двигателя Вы наблюдали; – запуск холодного автомобиля (в зимний период); – шум и вибрации; – приемистость (реакция на резкое нажатие педали газа); – прочие замечания и наблюдения. Результаты приведены в табл.3.2 и на рис.3.5. Рис .3.5. Снижение расхода топлива (испытания МСК «Валена» в Германии (L/100). Как видно из приведенных данных добавление МСК «Валена» снижает расход топлива на 8,0…2,4 %. Опросные анкеты показали, что уже после 30…50 км двигатель быстрее реагирует на нажатие педали газа, работает тише. Эти изменения продолжались до 300…500 км пробега, после чего режим работы двигателя стабилизировался. В условиях отрицательных температур (- 92 20…-30 °С) наблюдался уверенный запуск двигателя. При этом в 2–3 раза сокращалось время работы двигателя на повышенных оборотах. Все участники эксперимента отмечали заметное снижение вибрации и шумов при передвижении. При проведении сервисных работ было установлено, что отработанные масла не густеют, а полностью сохраняют свои реологические свойства. При этом последействие присадки сохраняется на весь следующий сервисный интервал. Контрольная разборка двигателя в конце испытательного сезона показала полное отсутствие нагаров и лаковых отложений на тяжелонагруженных деталях двигателя. При проведении очередного техосмотра (HU-TUV) было отмечено снижение уровня эмиссии CO, CO2, NO газов по сравнению с предыдущим замером. Таким образом, испытания показали, что добавление весьма незначительного количества (≈1 г/л) МСК «Валена» к маслам ведущих мировых производителей улучшает и оптимизирует режим работы двигателей внутреннего сгорания и снижает экологическую напряженность. Наряду с тестовыми испытаниями влияния МСК «Валена» на работу моторных масел разных ДВС, проведены лабораторные исследования зарубежных и российских масел на их термостойкость по методике, разработанной МГТУ им. Н.Э. Баумана, и влиянию МСК «Валена» на снижение температуры саморазогрева масел (табл. 3.3). Таблица 3.3 Результаты испытаний масел на термостойкость по температуре саморазогрева масел 10W-40 [С] МСК «Валена» 0,5 % Масло Тк до введения МСК «Валена», °С Тк после введения МСК«Валена», °С Снижение температуры, °С Лукойл 127 75 52 Татнефть 115 70 45 Castrol 127 70 57 Super Luks 128 75 53 Mobil Super 135 80 55 Shell Helix 100 70 30 Примечание. Тк – конечная температура масла после работы в течение одного часа 93 Полученные результаты показали, что при введении в масла (как российские, так и зарубежные) МСК «Валена» в концентрации 0,5 % температура снижалась на 30…57 °С. Такое значительное снижение температуры при трении объясняется образованием на сопряженных поверхностях сервовитной пленки, обладающей низким коэффициентом трения. Данный эффект приводит к сокращению расхода топлива и сбережению масла. 3.2 Финишная антифрикционная безабразивная обработка рабочих поверхностей трибосопряжений Открытие явления ИП при трении позволило рассматривать перенос металла в зоне фрикционного контакта как метод плакирования поверхностей трения стальных и чугунных деталей тонким слоем мягких металлов (латуни, меди, бронзы), с приданием им высоких антифрикционных свойств. Основополагающим изобретением этого метода является Авторское свидетельство Д.Н. Гаркунова и В.Н. Лозовского № 115744 от 23.4.1958 г. "Способ придания поверхности металлов трущихся пар противозадирных свойств". Сущность процесса состоит в том, что после окончательной, традиционной обработки резанием (шлифованием, полированием, хонингованием и др.) стальных и чугунных деталей их поверхности трения покрывают тонким слоем (1...3 мкм) латуни, меди или бронзы. Покрытия получают путем трения латунного, медного или бронзового прутка (инструмента) о поверхность детали, смазывая при этом поверхность трения глицерином или какой-либо другой специальной жидкостью. При трении материал прутка переносится на стальную (или чугунную) поверхность детали. На рис. 3.6 приведена схема обработки детали (болта шарнирного соединения) и приспособления для ФАБО на токарно-винторезном станке. Для латунирования используются прутки из латуни Л62 диаметром 4 мм. Удельная нагрузка составила 100... 150 МПа. Пруток перемещается вдоль детали со скоростью 0,15...0,23 м/с с подачей 0,1...0,2 мм/об. Глицерин наносится на деталь кисточкой. Для получения высококачественного латунного покрытия достаточно сделать 2–3 прохода. Если при латунировании происходит сильный нагрев детали, вызывающий кипение глицерина, то следует увеличивать продольную подачу латунного прутка. При этом необходимо также увеличивать число проходов. Перед очередным проходом глицерин, покрывающий обрабатываемую сталь, в случае его сильного загрязнения, удаляют ветошью, и на деталь волосяной кисточкой наносят слой свежего глицерина. После снятия со станка латунированные детали тщательно промывают в воде, обдувают сжатым воздухом или насухо протирают чистой ветошью и консервируют. 94 Рис . 3.6 Установка детали и латунного прутка при фрикционном латунировании на токарно- винторезном станке: 1 – центр, закрепленный в шпинделе станка; 2 – латунируемая деталь; 3 – подвижный центр задней бабки; 4 – латунный пруток; 5 – приспособление, закрепленное в резцедержателе станка Описанная технология использовалась в 1960-е гг. на заводах, производящих ремонт самолетов типа ТУ. ФАБО подвергались шарнирно- болтовые соединения шасси. На качество процесса влияют следующие факторы: 1. Степень обезжиривания детали и полнота удаления с ее поверхности окисной пленки. Наличие жировых и окисных пленок на поверхности детали не позволяет получить качественное латунное покрытие; 2. Исходная шероховатость поверхности детали. Шероховатость поверхности детали влияет на сплошность латунного покрытия; 3. Величина удельной нагрузки, с которой латунный пруток прижимается к детали. При недостаточном удельном давлении снижается плотность покрытия, а при чрезмерном давлении возможно образование кольцевых рисок на поверхности детали; 4. Скорость скольжения латунного прутка относительно поверхности детали. Отклонение скорости скольжения от оптимального значения в сторону уменьшения снижает производительность процесса, а в сторону увеличения уменьшает толщину покрытия; 5. Величина продольной подачи латунного прутка. Увеличение подачи снижает плотность покрытия, а снижение подачи уменьшает производительность; 6. Величина биения обрабатываемой поверхности детали относительно линии 95 центров токарного станка. Чем больше биение, тем менее равномерным по толщине получается латунное покрытие; 7. Смачивание поверхности детали глицерином. Отсутствие на поверхности детали слоя глицерина при латунировании приводит к сухому трению и может вызвать повреждение детали. Технический контроль деталей, латунированных фрикционным методом, осуществляется путем осмотра латунного покрытия с помощью лупы четырехкратного увеличения. При этом не должны быть видны участки поверхности детали, не покрытые слоем латуни, с налипшими отдельными крупными частицами латуни или с кольцевыми рисками. Для того чтобы наносимый слой латуни был сплошным и ровным, поверхность детали не должна иметь окисных и масляных пленок, а материал латуни нужно пластифицировать поверхностно-активным веществом в процессе нанесения покрытия. Давление при трении должно обеспечивать полное прилегание поверхности латунного прутка к поверхности детали, а также разрушение окисных пленок и очистку обрабатываемой поверхности. Скорость скольжения при трении способствует разрушению окисных пленок и их удалению, нагреву зоны трения, повышению пластичности инструмента и формированию контакта. Она определяет производительность процесса и качество покрытия. При чрезмерно высокой скорости инструмент не успевает внедряться во впадины поверхности, и покрытие может оказаться не сплошным, кроме того, технологическая жидкость при большой скорости скольжения может потерять вязкость и рабочие свойства. При оптимальных режимах материал латунного прутка наносится на деталь сплошным слоем, состоящим из очень мелких частиц, хорошо сцепленных как со стальной (или чугунной) поверхностью, так и между собой. С этой целью детали, подлежащие латунированию таким методом, обезжиривают, зачищают шлифовальной шкуркой, а сам процесс фрикционного латунирования проводят в среде глицерина. Глицерин в результате малой адсорбционной способности не препятствует непосредственному контакту, а значит, схватыванию металлических поверхностей при трении, он восстанавливает окисные пленки как на стали, так и на латуни, что способствует схватыванию и улучшению условий переноса латуни. Требования к технологическим жидкостям, применяемым при ФАБО . Технологическая жидкость должна пластифицировать материал инструмента для создания тонкого поверхностного слоя, разрыхлять окисные пленки на обрабатываемой поверхности, предохранять зону трения от возможного перегрева. Она не должна оказывать коррозийного действия на обрабатываемую деталь. Первоначально в качестве технологической жидкости применялся глицерин. Однако при обработке деталей из легированных сталей 96 глицерин не способен разрыхлить и восстановить более плотные и сильно связанные с основным металлом сложные окислы хрома, кремния, никеля, молибдена, титана и других элементов. Только введение в глицерин в качестве флюсующей добавки соляной кислоты (на 2 части глицерина 1 часть десяти процентного раствора соляной кислоты или хлористого цинка) позволило получить и на легированных сталях качественное латунное покрытие. Недостатком глицерина является также и то, что при обработке наружных поверхностей при повышенных скоростях скольжения вследствие жидкотекучести он легко удаляется под действием центробежных сил. В целях повышения скорости обработки разработан новый состав технологической жидкости повышенной вязкости, который эффективно удаляет окисные пленки на углеродистой и легированной сталях, и хорошо удерживается на обрабатываемой поверхности при скоростях скольжения до 1,0... 1,5 м/с. По данным литературно-патентного анализа сформулированы основные требования к технологическим жидкостям, которые должны содержать в своем составе: 1. Поверхностно-активные вещества в количестве, позволяющем разрыхлять окисные пленки и пластифицировать обрабатываемую поверхность и натирающий инструмент; 2. Органические материалы, способные при взаимодействии с другими компонентами или в процессе нанесения к полимеризации и образованию на поверхности медьсодержащего покрытия полимерной пленки; 3. Соединения металлов (в основном пластичных) для получения композиционных покрытий с заданными свойствами (металлоплакирующие среды). Компоненты среды должны находиться в растворенном виде для обеспечения хорошей траспортировки состава подающими устройствами в зону обработки, для чего необходим соответствующий универсальный растворитель. К техническим жидкостям предъявляется еще ряд технологических требований: оптимальная вязкость, безопасность использования, стабильность, низкая коррозийная активность и др. Главным критерием качества технологической среды является качество покрытий, получаемых с ее использованием: равномерность образующихся покрытий, маслоемкость (пористость), шероховатость поверхности, толщина покрытия, износостойкость. 97 Шероховатость обрабатываемой поверхности при ФАБО. ФАБО снижает шероховатость поверхностей деталей, величина которой после латунирования зависит от материала основы и исходной шероховатости поверхности. Параметр Ra должен иметь значение не ниже 1,25 мкм. В этом случае обеспечивается высокое качество покрытия и высокая производительность (наименьшее число проходов инструмента 1–2), так как микронеровности острой формы детали интенсивно изнашивают инструмент, а продукты износа образуют сплошное покрытие. При значениях Ra < 0,3 мкм латунирование затруднено тем, что микрорезание инструмента деталью заменяется пластическим оттеснением, в результате чего интенсивность изнашивания инструмента падает, а постепенный наклеп инструмента на значительную глубину, затрудняет отрыв отдельных частиц и перенос их на деталь. Особенно это характерно для поверхностей, обработанных методами поверхностного пластического деформирования (обкатка роликами, алмазное выглаживание и т. д.), имеющих большой радиус закругления микронеровностей. При значении параметра шероховатости Ra = 2,5 мкм и более грубых шероховатостях сложно обеспечить проникновение материала инструмента во впадины микронеровностей; покрытие в этом случае получается не сплошным. Качественное покрытие на деталях, имеющих грубую регулярношероховатую поверхность, получается при обработке поверхности периферийной частью свободно вращающегося латунного ролика, ось которого расположена к оси детали под углом 75…80°. В этом случае ролик вращается вследствие трения о деталь, прирабатывается к детали, на его рабочей поверхности формируется ответный микрорельеф, который легко внедряется во впадины микронеровностей и осуществляет натирание вдоль них. По такой схеме можно обрабатывать поверхности, получаемые токарной обработкой, при значениях Rа = 40.. .320 мкм, а также резьбы. Материал инструмента должен обладать достаточной прочностью, чтобы механически при трении разрушать окисные пленки на обрабатываемой (стальной или чугунной поверхности). В то же время материал инструмента должен быть и пластичным, чтобы обеспечивать контакт с обрабатываемой поверхностью во многих точках. Прочность инструмента должна значительно уступать прочности обрабатываемой детали. Только в этом случае обеспечивается односторонний перенос материала инструмента на материал детали. Важным свойством материала инструмента является способность наклёпываться в тонком слое в интервале рабочих температур. Упрочнение адгезионного шва за счет наклепа обеспечивает глубинное вырывание и перенос материала покрытия мелкими частицами. Здесь следует иметь в виду и упрочняющее действие материала обрабатываемой детали. 98 В наибольшей степени всем требованиям к инструменту соответствуют латуни Л63 и ЛС 59-1, в меньшей медь, бронза. При попытке нанести покрытие из таких пластичных материалов, как олово и свинец, оказалось, что они создают хороший контакт с обрабатываемой поверхностью, но не могут произвести ее механическую очистку из-за своей низкой прочности, быстро теряют первоначальную форму, текут, срезаются деталью. Получить качественное покрытие из этих высокопластичных материалов не удалось. Материал детали должен иметь способность образовывать ювенильную поверхность после того, как будет разрушена окисная пленка. Прочность сложных окислов определяет производительность процесса и возможность его осуществления. Этим требованиям отвечают углеродистые стали и, в меньшей степени, легированные стали. Чугун также поддается латунированию, но при этом сказывается отрицательное влияние графита, препятствующего контакту чистых металлов. Исследованиями было выявлено, что ФАБО не подвергаются хромированные детали, покрытые никелем и изготовленные из алюминиевых сплавов и некоторых других металлов и сплавов, окисные пленки которых обладают высокими механическими свойствами или способностью мгновенно восстанавливаться после разрушения. Не подвергаются также ФАБО и стальные поверхности с оксидными, фосфатными или какими-либо другими пленками. |