Антикоррозионное покрытие тяжелонагруженных валов подшипников скольжения сухого трения

Антикоррозионное покрытие тяжелонагруженных валов подшипников скольжения сухого трения

Иваночкин П.Г., Кравченко В.Н., Сычев А.П., Флек Б.М.

(РГУПС, г.Ростов-на-Дону, РФ)

The use of a multi-layer ionic-plasma covering which consists of alternating layers of titanium and nitrite of titanium is proposed for preventing the corrosion of the shaft of a sliding bearing.

В последние годы несомненный интерес в области инженерии поверхности представляют подходы, резко повышающие эксплуатационные (трибологические) свойства деталей. Технически и экономически целесообразнее такой подход к износостойким покрытиям, когда прочность детали обеспечивается основой, а сопротивление внешним факторам – локальным формированием износостойких покрытий со специальными функциональными свойствами. При этом изменение свойств поверхностного слоя часто позволяет параллельно с повышением износостойкости решать и некоторые другие задачи, в частности защиту от коррозии и действия агрессивных сред. В результате формирования поверхностно измененного слоя деталей существенно изменяются и условия их контактирования с контртелом: происходит перераспределение контактных давлений, изменяется размер зоны контакта, изменяются трибологические характеристики [1].

Узлы трения машин и механизмов, работающие на участках железной дороги расположенных вдоль побережья, подвержены высокой коррозии, что часто приводит к их отказам. Очевидно, что в этих условиях целесообразнее использовать антифрикционные материалы не подверженные коррозии, выдерживающие значительные удельные нагрузки и имеющие небольшой коэффициент трения при значительном режиме работы. Таким требованиям отвечают антифрикционные самосмазывающиеся композиты (АСК) на основе технической ткани с волокнами из ПТФЭ. Для проверки эффективности использования втулок из таких материалов была разработана конструкция и изготовлены детали блока натяжения контактного провода. В качестве втулки подшипника скольжения была использована двухслойная втулка на основе модифицированной технической ткани «Даклен» [2], а для вала была рассмотрена возможность использования и оптимизирована технология изготовления его из стали 45 с вакуумным ионно-плазменным покрытием.

В процессе подбора состава покрытия для вала заслуживает внимание покрытие из нитрида титана, которое хорошо исследовано и широко используется для упрочнения деталей машин и режущего инструмента.

В интервале температур 20÷100°С нитрид титана химически чрезвычайно устойчив. Он индеферентен к воде и ее парам, устойчив к действию соляной, азотной и серной кислот. Сам нитрид титана обладает высокой коррозионной стойкостью, а стойкость покрытия на основе нитрида титана зависит от многих факторов. Сведения в литературе о противокоррозионной стойкости покрытий на основе нитрида титана крайне ограничены, в отличие от сведений по упрочнению режущего инструмента.

Важнейшей характеристикой защитных свойств покрытий является адгезия с основой, которая определяется, в основном, химическими и диффузионными силами. Ионно-вакуумные покрытия нитридами металлов обладают достаточно высокой адгезией, поэтому есть все основания полагать, что покрытие нитридом титана может быть эффективным средством защиты от коррозии. Хотелось бы сразу отметить, что защитная способность покрытия в значительной степени зависит от равномерности напыления по площади и толщины покрытия, а также его пористости. Только при выполнении этих условий можно сказать, что покрытие нитридом титана будет эффективным защитным средством от коррозии.

Для определения коррозионной стойкости образцов с покрытием из нитрида титана были проведены ускоренные коррозионные испытания по ГОСТ 9.908-85. Испытания образцов с покрытием из нитрида титана показали, что уже через 15 суток наблюдаются следы точечного поражения продуктами коррозии, а через 30 суток 10-20 % поверхности образца покрыты следами коррозии.

Для длительной (многолетней) эксплуатации блока натяжения контактного провода эти результаты нельзя признать положительными. В связи с этим были проведены исследования коррозионной стойкости различных покрытий для вала натяжения контактного провода. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1- Коррозионные испытания

Материал	Вид покрытия	Внешний вид образцов (степень пораженности продуктами коррозии)
Материал	Вид покрытия	5 дней	15 дней	30 дней
Ст 45	Без покрытия	Без изменений	60-70 %	80-90 %
Ст 45	Ti	Без изменений	следы коррозионных изменений	10 %
Ст 45	Al	Без изменений	Без изменений	Без изменений
Ст 45	Ti N	Без изменений	Точечное поражение	5-10 %
Ст 45	Al + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N	Без изменений	Без изменений	Без изменений
Ст 45	Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N	Без изменений	Без изменений	Без изменений

Для более точного исследования коррозии покрытий и получения сравнительных характеристик для различных по своей природе видов покрытий нами использовался очень чувствительный и наглядный метод испытаний покрытий на пористость.

Контроль пористости покрытия на металле производился в соответствии с ГОСТ 9–302-88. Метод контроля пористости основан на взаимодействии основного металла или металла подслоя с реагентом в местах пор с образованием окрашенных соединений.

В таблице 2 приведены результаты исследования пористости различных покрытий, напылённых на подложку из Ст 45. Как видно из результатов исследования на пористость, у образцов из Ст 45 с покрытиями из алюминия и многослойным покрытием из многократно чередующихся слоев титана и нитрида титана практически отсутствует пористость.

Таблица 2- Пористость исследуемых покрытий

Материал	Вид покрытия	Количество пор на см²
Ст 45	Без покрытия	136
Ст 45	Ti	8
Ст 45	TiN	20
Ст 45	Al	0
Ст 45	Al + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N	0
Ст 45	Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N + Ti + Ti N	1

С цель оценки трибологических характеристик исследуемого узла были проведены сравнительные испытания [3]. В качестве втулки подшипника использованы образцы АСК, изготовленные из модифицированной в плазме тлеющего разряда технической ткани «Даклен» методом намотки. В качестве контртела использовались ролики из Ст.45 с многослойным ионно-плазменным покрытием «Ti¹⁰^¢+ TiN¹⁰^¢+ Ti¹⁰^¢+ TiN¹⁰^¢+ Ti¹⁰^¢+ TiN¹⁰^¢+ Ti¹⁰^¢+ TiN¹⁰^¢+ Ti¹⁰^¢+ TiN¹⁰^¢+ Ti¹⁰^¢+ TiN¹⁰^¢» и ролики без покрытия. Испытания проводили без подвода внешней смазки при контактном давлении 2,0…37,0 Мпа и относительной скорости скольжения 0,005…0,19 м/с. В исследовании использовался статистический метод планирования многофакторного эксперимента. В качестве функции отклика выбраны интенсивность изнашивания и коэффициент трения, а в качестве варьируемых параметров – контактное давление P(x₁) и скорость относительного скольжения V(x₂).

Для коэффициента трения получено следующее уравнение в натуральных значениях

(1)

На рисунке 1 построена поверхность, описываемая уравнением (1), выражающая зависимость коэффициента трения от скорости и давления.

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента трения АСК на основе модифицированной технической ткани по стали 45 с многослойным антикоррозионным покрытием от скорости и давления

Для интенсивности изнашивания получено следующее уравнение в натуральных значениях

(2)

На рисунке 2 построена поверхность, описываемая уравнением (2), выражающая зависимость интенсивности изнашивания от скорости и давления.

Рисунок 2 – Зависимость интенсивности изнашивания АСК на основе модифицированной технической ткани по стали 45 с многослойным антикоррозионным покрытием от скорости и давления.

Из сравнения результатов трибологических исследований модифицированного АСК с контртелом из Ст.45 и образцом из той же партии, но с нанесенным многослойным ионно-плазменным покрытием из чередующихся слоев титана и нитрида титана было получено, что в случае многослойного покрытия интенсивность изнашивания и коэффициент трения уменьшились. Из сравнения профилограмм для исходных образцов из Ст.45 и образцов из той же партии, но с многослойным покрытием, приведенных на рисунке 3 с соответствующими им параметрами шероховатости, видно, что шероховатость исходной поверхности снизилась. Это связано с выглаживанием поверхности при нанесении покрытия, если исключен дефект типа «капля». Кроме того, определенную роль в улучшении трибологических характеристик образцов с многослойными покрытиями играет и состав поверхности контртела, и физико-химические процессы в зоне фрикционного контакта.

Рисунок 3 – Профилограммы поверхности образцов роликов для трибологических испытаний Ст.45 с многослойным ионно-плазменным покрытием Ti+TiN+Ti+TiN+Ti+TiN+Ti+TiN+Ti+TiN+Ti+TiN (а) и без покрытия (б).

Блоки натяжения контактной сети с втулками из АСК с модифицированной технической тканью и валиками с антикоррозионным многослойным покрытием были переданы для установки в ЭЧКН 408 и в настоящее время проходят испытания на участке Туапсе – Шепси Северо-Кавказской железной дороги.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-08-00730, 07-08-00697 и 06-08-01257).

Литература

1. Айзикович С.М., Александров В.М., Белоконь А.В., Трубчик И.С., Кренев Л.И. Контактные задачи теории упругости для неоднородных сред. М.: Физматлит, 2006.240 с.

2. Иваночкин П.Г., Мясникова Н.А., Сычев А.П., Флек Б.М.Влияние модификации компонентов самосмазывающегося композита на его трибологические характеристики в контексте задачи оптимального проектирования подшипника скольжения// Новые материалы и технологии в машиностроении. Сб. научн. тр. по итогам междунар. научн.-техн. конф. Вып. 5.–Брянск: БГИТА, 2006. С.59-62

3. Иваночкин П.Г. Кравченко В.Н., Флек Б.М. Трибологические испытания тонкостенных двухслойных втулок для подшипников скольжения сухого трения // Труды Всеросс. науч.-техн. конф. «Транспорт 2007», ч.2, РГУПС, 2007, С. 140-142