Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел
ФАБО используется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) был предложен Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским.
Основные способы ФАБО условно делятся на две группы.
1. Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение). Фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах с различными поверхностноактивными веществами и солями металлов, способными к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т. д. из неметаллического инструмента. Фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.
К разновидностям ФАБО относятся:
• химико-механическое нанесение покрытий (Россия);
• нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ);
• натирание поверхности латунью (Россия);
• электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);
• механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);
• химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других.
При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесением покрытий трением.
Использование ФАБО имеет следующие достоинства:
• небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии;
• стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения от оптимальных;
• автоматизация процесса;
• экологическая безопасность;
• высокая экономическая эффективность и др.
Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при достаточно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность. Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70–80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 65).
Рис. 65. Схема обработки поверхности детали вращений: 1 – деталь колесная пара; 2 – натирающий инструмент (латунь); 3 – приспособление; 4 – покрытие; Р – нагрузка прижатия; n – подача приспособления
ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной массой.
При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли пластичных металлов, например дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот.
Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности формируются защитные слои из хлоридов железа. Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.
При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. Согласно металлографическим и спектральным исследованиям, структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО состоит из четырех основных характерных зон: композиционного (медь, цинк, олово) антифрикционного покрытия, переходной диффузионной зоны, деформированной (наклепанная) зоны и основного конструкционного материала.
В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и триботехническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для «эффекта безызносности». Сервовитная пленка содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов.
Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления (рис. 66), полуавтоматы, автоматы и станки.
Рис. 66. Нанесение покрытия методом фрикционного латунирования на токарном станке
Рассмотрим режим фрикционной обработки детали прутковым инструментом: окружная скорость поверхности детали – 0,15-0,3 м/с; давление прижатия прутка – 10–50 МПа; продольная подача прутка – 0,1–0,2 мм/об; число рабочих ходов – 1–2.
Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в 3 раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала – вкладыш» в период приработки.
При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев.
Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в пять раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах.
По результатам стендовых испытаний двигателей СМД-62 (мощностью 180 КВт) с гильзами цилиндров и шейками коленчатого вала, обработанными методом ФАБО, получены следующие результаты:
• эффективная мощность возрастает на 8-12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшения качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма;
• давление масла в главной магистрали двигателя при номинальной частоте коленчатого вала повышается на 25–30 %, что указывает на более качественную приработку вкладышей коленчатого вала;
• износ деталей соединения снижается, в среднем, в два раза.
В ходе эксплуатационных испытаний двигателей, детали которых (гильзы цилиндров, коренные и шатунные шейки коленчатых валов) были обработаны с помощью ФАБО, получены следующие результаты:
• снижение средней интенсивности падения давления масла в главной магистрали дизелей на номинальной частоте вращения коленчатого вала в зависимости от наработки на 12,5 %;
• уменьшение содержания продуктов износа (железа) в пробах масла из картеров двигателей на 34,7 %;
• снижение расхода топлива на 5-10 %, что обеспечивает экономию 0,85-2,6 т топлива в год на один двигатель;
• уменьшение расхода моторного масла в 1,7 раза;
• увеличение межремонтного ресурса в 1,23 раза.
В перспективе возможность нанесения нанопокрытий методом ФАБО на стальные и чугунные детали позволит осуществить полную замену деталей из цветных сплавов.
В последние годы успешно развивается технология осаждения композиционных гальванических нанопокрытий (КГП). КГП получают из суспензий, представляющих собой электролит с добавкой ультрадисперсного порошка. При наложении электрического тока на поверхности покрываемого образца осаждается металл (первая фаза, или матрица) и частицы порошка (вторая фаза, или упрочнитель), которые заращиваются матрицей, образуя структуру покрытия. Вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждаются дисперсные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов, сульфидов, порошков полимеров и т. д. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий. Гальванические покрытия с дисперсной фазой обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для решения разнообразных задач.
В таблице 12 представлены обобщенные данные дисперсных материалов, обеспечивающих улучшение характеристик покрытий.Таблица 12. Ультрадисперсные порошковые материалы для модифицирования свойств покрытия
Применение композиционных материалов позволило произвести на ряде машин и механизмов замену подшипников качения опорами скольжения и добиться значительно более высокого межремонтного ресурса по сравнению с серийными образцами. Более высокое качество восстановленных деталей объясняется большей площадью поверхности трения скольжения, а также меньшей толщиной вкладыша. В данной главе были рассмотрены только некоторые вопросы, в той или иной степени затрагивающие нанотехнологическую сущность трибологии. На самом деле спектр решаемых нанотрибологией проблем современности, несомненно, гораздо шире – это и космическая трибология, и функционирование подвижных соединений биологических существ, и т. д. и т. п. Более подробное рассмотрение всех этих исследований и практических разработок потребовало бы написания отдельной книги.
