Повышение работоспособности узлов трения энергооборудования

Повышение работоспособности узлов трения энергооборудования с помощью антифрикционных и износостойких покрытий

МИХАЙЛОВА А.Н., канд. техн. наук, физико-техническое отделение ВТИ

Повышения работоспособности пар трения можно добиться улучшением трибологических и противоизносных свойств их поверхностных слоев. В ВТИ разработаны упрочняющие твердосмазочные покрытия, способные противостоять износу в различных условиях. Так например, создана технология получения покрытий никель-бор гальваническим методом из скоростного электролита никелирования (i>* 1 +- 6 мкм/мин). Этот метод позволяет наносить названное покрытие на широкую серию деталей пар трения, варьируя содержание бора в слое от 0,05 до 5% по массе. Изменяя содержание бора в покрытии и температуру его термообработки от 130 до 400°С, удается получать покрытия с аморфной и кристаллической структурой, твердость покрытия при этом достигает 7—20 ГПа. Данная технология позволяет также получать бес пористые покрытия с высокой коррозионной стойкостью к различным агрессивным средам.
В таблице приведены физико-механические свойства покрытий никель-бор в сравнении со свойствами покрытий серебро, хром, химический никель (никель-фосфор). Серебро обладает высокими антифрикционными свойствами, но химическая стойкость и износостойкость его значительно уступают аналогичным характеристикам покрытия никель-бор. Износостойкость хромовых покрытий выше, чем серебряных и покрытий никель-бор, но химическая стойкость и антифрикционные свойства ниже, чем покрытий никель-бор и из серебра. Механические свойства покрытий никель-бор зависят от его структуры, микротвердости, внутренних напряжений и содержания бора. Например, слоистая структура осадков никель-бор обеспечивает стабильность антифрикционных свойств этих покрытий (коэффициент трения Ктр во времени практически не изменяется) и хорошую прирабатываемость с сопряженной парой. Аморфные покрытия никель-бор в отличие от хромовых бес пористы, не имеют сетки трещин, что обусловливает высокую коррозионную стойкость их в агрессивных средах.
Эксплуатационные испытания покрытий никель-бор на посадочных местах подшипников Ns 3518 в кулачковых распределительных устройствах турбин показали коррозионную устойчивость их к пароводяной среде с температурой до 200°С. Это покрытие может быть также рекомендовано как защитное, износостойкое на штоки арматуры высокого давления. Испытания его на деталях из стали 25Х2М1Ф, находящихся под воздействием пара или воды при температурах от 280 до 570°С и давлении 140 кгс/см2, продемонстрировали высокие защитные свойства такого покрытия.
Наряду с технологией нанесения покрытия никель-бор в ВТИ отработана технология нанесения серебряного покрытия на стали типа ШХ-15, 95X18, Ст. 20, медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы. Серебряные покрытия хорошо зарекомендовали себя в качестве твердой смазки в узлах трения, работающих под разрежением, воздействием радиации и в различных агрессивных средах. Серебро хорошо отводит тепло при нагревании и поэтому применяется в интервале температур до 400°С. Испытания на контактную выносливость показали, что покрытие серебром значительно увеличивает долговечность деталей подшипников, оно может быть рекомендовано в качестве твердой смазки для подшипников или других узлов трения, работающих при высоких контактных нагрузках (до 70 кгс/мм2) и больших скоростях вращения (до 40 000 об/мин).

Технология электрохимического бесцианистого нанесения серебряного покрытия позволяет получать чистые, плотные осадки серебра с электропроводимостью 62 • 104 1 /(Ом • см) и высокими коррозионными свойствами, что дает возможность успешно применять гальваническое серебро на токоподводящих элементах роторов турбогенераторов.
Анализ условий работы подшипников энергооборудования ТЭЦ показал, что для подшипников качения, эксплуатирующихся в условиях тяжелого нагружения, в зоне так называемого смешанного трения, важно повышение и сохранение смазочных свойств контактирующих тел качения и беговых дорожек колец. Исследователи и разработчики различных фирм решают эту проблему созданием новых смазок с повышенной несущей способностью типа смазок "АгсапоГ", успешно применяемых фирмами FAG, GMN, выпускающими подшипники. В последние годы фирма "KLUBERLubrication" создала ряд специальных смазок с высокими смазочными свойствами за счет дополнительного введения в них антифрикционных полимерных присадок, обладающих противоизносными и демпфирующими свойствами. Технология создания многоцелевых сложных смазок значительно удорожает их и тем самым сдерживает широкое их применение в серийном производстве, в частности, в производстве и эксплуатации подшипников и подшипниковых узлов.
Проблема повышения смазочных свойств и обеспечения гарантированного смазочного слоя отечественных и зарубежных серийно производимых смазок может быть успешно решена нанесением на поверхность трения олеофильного полимерного покрытия, обладающего повышенной смачиваемостью по сравнению с металлом или металлическими покрытиями. На поверхности основы детали создается металлополимерное покрытие с реакционным олеофильным слоем, имеющим адсорбционную связь рабочей смазки с полимерным покрытием. Нанесение олеофильного слоя толщиной 0,1—2,0 мкм способствует увеличению его износостойких и трибологических свойств, при этом коэффициент трения качения уменьшается в 1,5—2 раза. Подбором смазок, благоприятно сочетающихся с полимерным покрытием, можно увеличить грузоподъемность подшипников в 1,5 раза.
Стендовые испытания нового олеофильного покрытия показали, что смачиваемость его различными маслами и смазками типа И-20, Литол-24, L-78, L-138 за счет уменьшения краевого угла смачивания увеличилась в 1,2—1,5 раза по сравнению со смачиваемостью этими же маслами и смазками стальной основы. Износ покрытия при исходной контактной нагрузке 70 кгс/мм2 составил 0,15—0,3 мкм, в то время как износ стальной основы (ШХ-15) без покрытия в этих же условиях испытания — 1 т 2 мкм. Исследования состояния смазок и масел до и после испытаний на наличие в них механических примесей показали, что в исходных отечественных смазках размер механических частиц достигает 28 мкм, в то время как в импортных смазках типа "Агсапо" размер посторонних частиц не превышает 3 мкм, а в некоторых смазках даже 0,5 мкм. В отработанных импортных смазках, бывших в контакте с полимерным покрытием не наблюдалось появления крупных механических частиц размером более 1 мкм, в то время как в этих же смазках, использованных на металлических поверхностях, были обнаружены механические частицы размером более 8 мкм.
Испытания подшипника № 3518 с полимерным покрытием дорожек качения на долговечность выявили увеличение срока его службы в 2 раза. Производственные испытания подшипника № 36 205 с полимерным покрытием дорожек качения, установленного на скоростную головку шлифовального станка фирмы "Линдер", показали увеличение работоспособности этого подшипника в 1,2 раза.
Технология электрохимического нанесения олеофильного полимерного покрытия на элементы подшипников и другие детали трения обеспечивает: получение экологически безопасного смазочного слоя точных размеров при низких удельных расходах электроэнергии и себестоимости покрытия, возможность использования ее в серийном производстве, повышение ресурса подшипников, увеличение несущей способности поверхности трения. Температурный диапазон применения полимерного покрытия - 70 - + 200°С.
Разработанные покрытия могут быть рекомендованы в производстве подшипников и узлов трения, а также и при их эксплуатации в экстремальных условиях, там, где необходимы надежность и повышенный ресурс деталей узлов механизмов.