Твердосмазочные покрытия в машиностроении. Адаптивные покрытия как направление совершенствования технологии твердой смазки

Твердосмазочные покрытия в машиностроении. Адаптивные покрытия как направление совершенствования технологии твердой смазки

Твердосмазочные покрытия в машиностроении. Адаптивные покрытия как направление совершенствования технологии твердой смазки
  1. Твердосмазочные покрытия: принцип работы и основные компоненты
  2. Примеры применения покрытий MODENGY
  3. Перспективы развития технологии твердой смазки

Проектирование узлов и механизмов машин идет по пути уменьшения их габаритов при увеличении срока службы.

Помимо этого, среди основных направлений совершенствования деталей установок выделяют:

  • Увеличение скорости перемещения сопряженных элементов
  • Повышение контактного давления деталей
  • Расширение диапазона рабочих температур
  • Обеспечение возможности работы в агрессивных условиях: радиация, вакуум, химикаты
  • Повышение энергетической эффективности
  • Снижение периодичности обслуживания механизмов и риска их отказов
  • Отсутствие вреда для человека и атмосферы

Самые совершенные машины должны сохранять свою работоспособность в различных условиях, при этом иметь длительный срок службы. Как известно, основным разрушающим фактором, оказывающим влияние на ресурс подвижных соединений, является трение. Его снижение достигается путем использования смазочных материалов.

Очевидно, что традиционные смазки не могут удовлетворить возросшим требованиям современного машиностроения. Именно поэтому на смену им приходят инновационные материалы – твердосмазочные покрытия.


Твердосмазочные покрытия: принцип работы и основные компоненты

Первыми смазочными материалами твердой формы, которые использовались в качестве твердой смазки (в виде порошков) были вещества слоистой кристаллической текстуры – дисульфид молибдена, графит, некоторые полимеры – политетрафторэтилен и металлы – серебро, свинец, золото. Они широко применяются и по сей день, в их список добавились алмазоподобный углерод, дисульфид вольфрама. Последний способен обеспечить коэффициент трения ниже 0,05, может эксплуатироваться при температуре от -200 до +500 °С и выдерживать контактные давления до 3000 МПа.

Однако порошкообразная форма не может эффективно выполнять функцию ресурсной смазки в узлах и механизмах современных изделий машиностроения. Поэтому стали разрабатываться различные способы внедрения твердых смазочных материалов в поверхности трения.

Антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY – один из таких способов. В исходном виде эти материалы представляют собой суспензии порошков вышеуказанных твердых смазок, связующих веществ органической и неорганической природы и растворителей. В качестве связующих веществ применяются эпоксидные и феноформальдегидные смолы, полиамид-имиды, полиуретаны, силикаты, а также алюмофосфатные и алюмохромфосфатные материалы.


Схема структуры покрытий

Рис.1. Схема структуры покрытий


После нанесения покрытий на поверхности трения формируется устойчивый слой толщиной от 20 до 30 микрометров. Он представляет собой матрицу связующего вещества, в ячейках которой распределены высокодисперсные частицы твердосмазочных материалов.

Слой покрытия имеет меньшую твердость, чем поверхности, на которые его наносят. Однако за счет прочного сцепления с основой материалы демонстрируют высокое сопротивление сжатию и малое сопротивление сдвигу. При указанной толщине основную нормальную нагрузку воспринимает поверхность основы, а покрытие работает на сдвиг. Это позволяет эффективно снижать трение и износ в различных условиях эксплуатации механизмов.


Примеры применения покрытий MODENGY

Узлы трения трубопроводной арматуры

Узлы трения скольжения запорно-регулирующей арматуры теплоэнергетических установок работают в условиях высоких контактных давлений, малых скоростей скольжения, при температурах более +350 °С. Кроме того, устройства длительное время простаивают между циклами работы.

Потери на трение в значительной степени влияют на усилия открытия-закрытия затворов и потребную мощность исполнительных механизмов. Пластичные смазочные материалы в указанных условиях малоэффективны.


Детали запорного клапана с нанесенным покрытием

Рис. 2. Детали запорного клапана с нанесенным покрытием


На предприятии, специализирующемся на производстве запорных клапанов, были проведены исследования на определение моментов открытия и закрытия с использование штатной смазки и с покрытиями MODENGY. На диаграмме 3 отражены данные, полученные в результате этих испытаний.


Результаты измерения моментов открытия и закрытия клапана

Рис. 3. Результаты измерения моментов открытия и закрытия клапана


Моменты открытия и закрытия клапана стабилизировались и уменьшились в несколько раз.

Юбки поршней ДВС

На юбках поршней двигателей внутреннего сгорания функции покрытия сводятся к следующему:

  • Защита поверхности от износа и образования задиров в условиях масляного голодания при пуске двигателя и перегреве
  • Облегчение приработки


Поршни с твердосмазочными покрытиями MODENGY

Рис. 4. Поршни с твердосмазочными покрытиями MODENGY


Для решения этих задач применяются покрытия MODENGY, которые прошли обширные исследования в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН.

В таблице 1 содержатся данные исследований в виде значений коэффициентов трения на образцах, имитирующих пару цилиндр-поршень. Без покрытия существенно возрастает коэффициент трения и снижается нагрузка, при которой сила трения превышает предельную для измерительной системы.

Таблица 1. Результаты испытаний

Наименование покрытия

Коэффициент трения при нормальной нагрузке, Н

50

120

250

350

450

Без покрытия

0,69±0,08

0,58±0,06

-*

-*

-*

MODENGY 1007

0,22±0,07

0,17±0,05

0,17±0,03

0,13

0,12±0,03

MODENGY 1003

0,16±0,03

0,11±0,01

0,11±0,01

0,10±0,02

0,11±0,02

MODENGY 1066

0,13±0,05

0,12±0,01

0,11±0,03

0,12±0,02

0,11±0,01

MODENGY 1006

0,12±0,04

0,10±0,02

0,10±0,01

0,10±0,01

0,11±0,02


* – сила трения превысила предельные значения для измерительной системы.

В Южно-Уральском государственном университете проводятся испытания подшипников скольжения двигателей. Было доказано, что применение твердосмазочных покрытий на стандартных вкладышах шатунного подшипника позволяет повысить время сохранения их работоспособности после аварийного прекращения подачи смазочной жидкости до 5 раз.

Покрытия MODENGY также успешно применяются в нефтегазовом оборудовании, на подшипниках скольжения высоконагруженных машин, направляющих скольжения штампов и пресс-форм, крепеже, в узлах промышленных роботов и экзоскелетов, пневматических приводах, компрессорах и так далее.


Перспективы развития технологии твердой смазки

Технология твердой смазки позволяет создавать необслуживаемые узлы трения, которые соответствуют требованиям современной техники. Однако некоторые отрасли машиностроения нуждаются в более совершенных решениях.

Широкое развитие получает строительство компактных энергетических машин, в которых в качестве опор вала используются лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП).

При работе детали не подвергаются износу, однако в моменты пуска-останова они нуждаются в дополнительной смазке.

Известные на сегодня твердые смазочные составы неэффективны в условиях высоких контактных давлений, при скорости скольжения более 15 м/с и температурах от -50 °С до +500…600 °С.

Коэффициент трения дисульфида молибдена значительно повышается при температуре выше +350 °С из-за его окисления с образованием триоксида молибдена. Графит для сохранения смазочных функций требует наличия в нем влаги, которая испаряется при +200…+250 °С. Оксиды некоторых металлов и фторид кальция, наоборот, проявляют смазочные свойства только при нагреве выше +400 °С.


Для защиты ЛГП необходимо комбинирование твердых смазочных материалов и создание обратимо адаптирующихся покрытий. Их важной характеристикой является возможность формирования новых структур при переходе через различные температуры. При этом материалы не должны терять работоспособность после возврата из высокотемпературных зон.


В лаборатории Моденжи были созданы образцы таких материалов. Они были испытаны в Московском авиационном институте.


Результаты испытаний покрытий в виде зависимости потерь на трение от температуры

Рис. 5. Результаты испытаний покрытий в виде зависимости потерь на трение от температуры

(покрытие 1 – базовое покрытие на основе графита, покрытие 2 – первая версия обратимо адаптирующегося покрытия, покрытие 3 – доработанная версия обратимо адаптирующегося покрытия)


На представленном графике демонстрируется способность обратимо адаптирующихся покрытий 2 и 3 подстраиваться под изменяющуюся температуру. Образец 1 на основе графита оптимально работает в диапазоне от +100 °С до +300 °С. В других режимах эффективность покрытия падает.


Элементы ЛГП с покрытием MODENGY

Рис. 6. Элементы ЛГП с покрытием MODENGY


По мере возрастания потребностей современной техники совершенствуется и технология твердой смазки. Перспективным направлением ее развития является создание обратимо адаптирующихся покрытий, которые меняют свою структуру в зависимости от условий работы – температуры, влажности и других окружающих факторов.

Возврат к списку