Tribological tests of solid lubricating coatings at elevated temperatures and loads

Abstract

The article presents a scheme of the friction machine for triboengineering tests of solid lubricating coatings at elevated temperatures and loads. The results of experimental studies of some composite solid lubricating coatings are shown.

Full Text

Твёрдосмазочные покрытия (ТСП) находят широкое применение в узлах трения, работающих при экстремальных режимах эксплуатации (вакуум, ионизирующие излучения, повышенные нагрузки и температуры). Их экспериментальное моделирование предъявляет специальные требования как к используемому при этом оборудованию, так и к методикам проведения испытаний [1, 2]. Несмотря на практическую важность научно обоснованных методов триботехнических испытаний ТСП при повышенных температурах и нагрузках, они отсутствуют в существующих стандартизованных методиках [3, 4]. Повышенные нагрузки требуют создания на взаимодействующих образцах значительных крутящих моментов, высокой жёсткости и прочности конструктивных элементов машины трения, а испытания по исследованию влияния температуры на процессы трения и изнашивания должны проводится при низких скоростях скольжения, не приводящих к фрикционному разогреву поверхностей образцов [5]. Особые требования предявляются к способам создания и поддержания повышенных температур в процессе проведения экспериментов. Кроме того, важную роль при трибологических испытаниях ТСП играет выбор схемы трения [6], которая во многом определяет не только конструкцию машины трения, но и общность получаемых результатов, необходимых для анализа и моделирования процессов фрикционного взаимодействия. В работе [7] было показано, что для экспериментального исследования элементарного случая фрикционного взаимодействия технических поверхностей с ТСП при их номинально плоском контакте, одной из наиболее подходящих является торцевая схема трения. Выпускаемые в настоящее время универсальные машины трения [3] без их модернизации не позволяют проводить испытания ТСП при необходимых для этого режимах с непрерывным и одновременным контролем, нормальной нагрузки, момента трения, температуры и износа образцов в процессе экспериментов применительно к торцевой схеме трения, поэтому для проведения таких исследований была разработана специальная машина трения. Анализ несущей способности и температурной стойкости наиболее распространённых длительно работающих композиционных ТСП [8] показал, что конструкция машины трения должна позволять повышать номинальную нагрузку в контакте до десятков мегапаскалей, а температуру окружающей среды как минимум до 150ºС. Скорость скольжения при этом для снижения влияния фрикционного разогрева должна иметь значения порядка нескольких сантиметров в секунду. Реализовать такие режимы в приемлемых габаритах машины трения удалось применением следующих конструктивных решений: в приводе вращения образцов электродвигателя постоянного тока с тиристорным регулированием и двухступенчатой передачей, состоящей из червячного редуктора и понижающей клиноремённой передачи; в узле приложения нормальной нагрузки - силовой винтовой передачи с компенсацией износа образцов и измерением приложенной нагрузки с помощью специального динамометра; при нагреве окружающей среды и образцов применить компактную регулируемую электропечь с автоматическим поддержанием заданной температуры. Измерение момента трения и износа осуществлялось с помощью специальных тензобалок способных обеспечивать необходимую точность измерений при повышенных температурах. Схема разработанной машины трения представлена на рисунке 1. Рисунок 1. Схема торцевой машины трения для триботехнических испытаний ТСП при повышенных температурах и нагрузках Она состоит из основания 1, смонтированного на нем двигателя постоянного тока 2, который через упругую муфту 3 соединен с червячным редуктором 4, также установленным на основании 1. На выходном валу червячного редуктора 4 размещен шкив 5, который с помощью клинового ремня 6 передает вращающий момент на шкив 7 шпинделя 8, установленного в подшипниках 9 на П-образной стойке 10, смонтированной на основании 1. На шкиву 7 установлен диск 11 со стержнем 12, проходящим внутри отверстия шпинделя 8, на конце которого запрессован шарик 13 и имеется водило 14. В нижней части основания 1, соосно со шпинделем 8, смонтирован стакан 15 с нагружающим винтом 16, компенсатором износа 17 и специальным динамометром 18, взаимодействующим с плунжером 19, имеющим возможность возвратно-поступательного перемещения по направляющей втулке 20, установленной в основании 1. Компенсатор износа 17 выполнен в виде пружины, что позволяет за счет её деформации поддерживать постоянной величину нормальной нагрузки в сопряжении. Вращению плунжера вокруг своей оси препятствует палец 21. На торце плунжера 19 смонтированы электронагревательная печь 22, имеющая дверку для доступа к образцам, и упорный шариковый подшипник 23, на котором в оправке 24 установлен шероховатый образец 25. Оправка 24 имеет упор 26, взаимодействующий с тензобалкой 27, измеряющей момент трения, смонтированной на нижней стенке печи 22 и ограничивающей вращение шероховатого образца 25, находящимся в контакте с образцом имеющим ТСП 28, который имеет возможность самоустанавливаться на шарике 13 и вращается за счет передачи ему крутящего момента через водило 14. Измерение износа осуществляется тензобалкой 29, смонтированной на стержне 30, имеющем возможность возвратно-поступательного перемещения во втулке 31. Регулировка тензобалки по высоте возможна микрометрическим винтом 32, связанным с помощью траверсы 33 через стержень 30 с тензобалкой 29. Вертикальное перемещение шероховатого образца 25 в процессе износа ТСП на образце 28 деформирует тензобалку 29 и позволяет измерять величину линейного износа. В процессе испытаний непрерывно измеряются нормальная нагрузка в сопряжении, момент трения, линейный износ, температуры объемная и на поверхности трения, число оборотов, сделанных подвижным образцом, скорость скольжения. Для регистрации значений этих параметров была использована стандартная измерительная аппаратура: 16-ти канальная тензостанция ЛХ-7006, шлейфовый осцилограф H-1I5, КСП-4 с термопарами, тахометр 11ДТ-2М, счетчик импульсов Ф-5007. Шероховатый образец и контробразец с ТСП изготавливались из стали 20Х13. Исходная толщина покрытия составляла 15-20 мкм, а в качестве материалов ТСП применялись ВНИИНП-212, ВНИИНП-230 и ЭОНИТ-3. В таблице 1 приведены характеристики микрогеометрии шероховатого образца до испытаний и после приработки образцов. Таблица 1 Параметры микрогеометрии шероховатого образца. Параметры микрогеометрии Ra, мкм Rp, мкм Sm, мм tm до испытаний 2,48 8,25 0,19 0,58 после приработки 0,96 1,5 0,625 0,56 Согласно ГОСТ 25142-82 Ra - среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии, Rp - максимальная высота выступа шероховатой поверхности, Sm - средний шаг профиля по средней линии, tm - относительная опорная длинна профиля по средней линии. На рисунке 2 представлены результаты экспериментального исследования влияния температуры на интенсивность изнашивания и коэффициент трения ТСП ЭОНИТ-3, ВНИИНП-230 и ВНИИНП-212 и построенные по ним полиномиальные апроксимации. Рисунок 2. Зависимость: a) интенсивности изнашивания и б) коэффициента трения ТСП от температуры Приведённые данные (рисунок 2а) показывают, что в исследованном диапозоне температур интенсивность изнашивания для ТСП ВНИИНП-212 и ВНИИНП-230 практически не изменяется, а для ТСП ЭОНИТ-3 возрастает при температурах выше 800С. Это можно объяснить различием в зависимостях физико-механических свойств связующих от температуры для данных композиционных покрытий. С особенностями физико-механических свойств ТСП связан и экстремальный характер влияния температуры на их коэффициент трения (рисунок 2б). Так его максимум для ТСП ЭОНИТ-3 возникает при более низких температурах чем для ТСП ВНИИНП-212 и ВНИИНП-230. На рисунок 3 представлены результаты экспериментального исследования влияния нагрузки на интенсивность изнашивания и коэффициент трения тех же ТСП и построенные по ним полиномиальные апроксимации. Как видно из представленных данных (рисунок 3а), интенсивность изнашивания покрытий существенно возрастает при превышении некоторого критического значения номинального давления для всех ТСП, а коэффициент трения (рисунок 3б) снижается до общего для всех покрытий предела. На основе проведённых исследований может быть разработана методика проведения экспериментальных исследований ТСП при повышенных температурах и нагрузках. Рисунок 3. Влияние нагрузки на: a) интенсивность изнашивания и б) коэффициент трения ТСП