Тематическая подборка - "Применение триботехнических составов в локомотивном хозяйстве". МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. ЗАПАДНО-СИБИРСКАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА.
Триботехнический состав НИОД
Технология, свойства, применение.
Триботехнические составы НИОД применяются в различных областях техники уже более шести лет. Накопленная за это время информация, а также результаты проведенных исследований позволяют описать процессы, происходящие в узлах трения при обработке их НИОД и дальнейшей эксплуатации. Следует заметить, что данный материал относится только к «Составу трибо-техническому НИОД» ТУ 0254-002-23124986-96, сертификат соответствия РОСС. БШНХ07 Н00065.
Прежде всего, определим, что подразумевается под понятием «триботех-нический состав» (ТС). ТС - это состав, который при внесении его в зону трения коренным образом изменяет протекающие там процессы за счет изменения свойств контактирующих поверхностей. Таким образом, ТС не является смазкой, т.е. веществом, разделяющим поверхности трения. Не является ТС и модификатором смазки, поскольку функцией модификаторов является изменение свойств смазки или изменение ее взаимодействия с поверхностями трения (например, удержание смазки на поверхности путем создания на ней пористых или волнистых структур). Отличительной особенностью ТС является то, что по завершении необходимых процессов, не требуется его дальнейшее присутствие в узле трения, в отличие от смазок, присадок к ним и модификаторов, концентрацию которых в узлах трения необходимо поддерживать постоянно.
Обратимся теперь к процессам, протекающим в зоне трения при наличии в ней ТС. Условно их можно разделить на три фазы:
- активирование ТС и поверхностей в зоне трения;
- диффузия ТС в поверхностные слои металла;
- диффузия ТС из поверхностного слоя вглубь металла.
Рассмотрим эти фазы подробнее.
Фаза 1.
В зоне трения, в микрообъеме пятна контакта действует давление до 1000 МПа. Мелкодисперсные частицы НИОД попадают со смазкой в зону трения, где подвергаются воздействию этого давления. В результате кристаллы НИОД разрушаются, образуя активные радикалы. Одновременно происходит микрошлифование контактирующих поверхностей кристаллами НИОД, имеющими более высокую твердость. При этом с поверхности металла удаляются окисные пленки и т.п., таким образом, поверхность «активируется».
Фаза 2
Вторая фаза процесса начинается, когда в зоне контакта образуется достаточная концентрация активированных частиц НИОД и появляется активная поверхность. Под действием контактных нагрузок активированные частицы НИОД диффундируют в кристаллическую решетку стали с образованием твердых растворов. Диффузии способствует направленное( действие высокой (на уровне предела текучести) нагрузки, а также сходность параметров кристаллических решеток составляющих НИОД и стали.
В результате на поверхности образуется стеклокристаллический слой, органически связанный с поверхностным слоем стали. Твердость поверхности существенно увеличивается, прекращается ее абразивный износ.
Вторая фаза продолжается до тех пор, пока вся поверхность металла в пятне контакта не будет насыщена НИОД. О ее завершении можно судить по резкому снижению коэффициента трения, и, следовательно, температуры узла трения. По окончании этого этапа остаток НИОД удаляют из механизма.
ФазаЗ.
В процессе дальнейшей эксплуатации механизма НИОД из поверхностного слоя под действием контактных нагрузок диффундирует вглубь кристаллической решетки стали. При этом происходят изменения в структуре как поверхностных, так и более глубоких слоев. Процесс заканчивается с образованием стабильной кристаллической структуры поверхностных и подповерхностных слоев. В некоторых случаях количества НИОД, внедрившегося в поверхность, оказывается недостаточно для полного завершения процесса, тогда требуется дополнительное внесение НИОД и повторение всего процесса. Общая продолжительность третьего этапа может достигать нескольких тысяч часов.
Отметим некоторые особенности процесса, оказывающие существенное влияние на свойства образующихся поверхностей.
1. Процесс протекает одновременно в обеих контактирующих поверхностях под действием одинаковых нагрузок.
2. Процесс обладает способностью к саморегуляции, поскольку изменение свойств поверхностей и условий трения вызывает изменение скорости и направления диффузии.
3. Процесс завершается с образованием структур, адаптированных к конкретным условиям трения.
В результате воздействия НИОД образуются поверхностные трения, обладающие уникальными свойствами.
- Шлифование поверхностей частицами НИОД и образование поверхностного стеклокерамического микрослоя приводит к значительному снижению шероховатости поверхности (до Rа= 0,16мкм).
- Диффузия НИОД в поверхностные слои металла вызывает упрочняющие их дислокации, что, в совокупности с образованием поверхностного слоя, приводит к повышению твердости поверхности (до НКС 56-58).
- При одинаковых условиях диффузия в более твердую поверхность происходит медленнее, поэтому менее твердая в паре трения поверхность упрочняется в большей степени и, в конечном итоге, происходит выравнивание твердостей взаимодействующих поверхностей.
- Низкая шероховатость, высокая и, что более существенно, одинаковая твердость поверхностей и образование на них идентичных стеклокера-мических микрослоев приводит к значительному снижению коэффициента трения. Эксперименты, проведенные на машине трения СМЦ-2 показали, что в результате воздействия НИОД коэффициент трения снижается, в среднем, в 4-6 раз, а в отдельных опытах было зафиксировано его снижение в 9 раз.
На рис. 1 (присоединенный файл) представлен результат одного из испытаний. Здесь Мтр - момент трения в паре колодка - ролик, Т- время. Скорость скольжения в этом эксперименте составила 1,3 м/с, нагрузка- 120 кг. Изменение структуры поверхностных слоев приводит к значительному снижению износа при трении. Экспериментально было зафиксировано снижение износа в 6-10 раз.
Образовавшийся на поверхности металла стеклокерамический слой обладает значительно меньшей, чем у стали, теплопроводностью, в результате чего существенно снижается нагрев узла трения в целом. Приведенные исследования, а также опыт эксплуатации реальных механизмов показали, что после обработки НИОД узлы трения могут нормально работать без смазки. Так, например, более трех лет эксплуатируется с «сухим» тяговым редуктором электровоз ВЛ-23 (пробег за это время превышает 100000 км), более 60000 км прошел с «сухим» задним мостом автомобиль «ТАТРА». В настоящее время в «сухом» режиме эксплуатируются сотни механизмов, в том числе десятки редукторов электровозов, мосты легковых и грузовых автомобилей. Известны случаи эксплуатации без смазки воздушных компрессоров и даже двигателей внутреннего сгорания. Контроль, осуществляемый за этими механизмами, не выявил повышенного износа работающих без смазки пар трения или их перегрева при эксплуатации. Испытания, проведенные на СМЦ-2, показали, что при удалении смазки из обработанной НИОД пары трения, коэффициент трения изменяется незначительно. На рис. 2 представлены результаты таких испытаний. Здесь I*- коэффициент трения, Р - действующая нагрузка, цифрами обозначены пары трения: 1 -необработанная НИОД со смазкой ТАД - 17, 2 - обработанная со смазкой ТАД - 17, 3 - обработанная НИОД с последующим удалением смазки.
Уникальным свойством НИОД является способность восстанавливать изношенные поверхности. При этом происходит увеличение размеров контактирующих деталей в. пределах существующих зазоров, прекращающееся, как только эти зазоры будут выбраны. Дальнейшему увеличению размеров, происходящему за счет изменений в кристаллических решетках поверхностных слоев обработанных НИОД поверхностей препятствуют, возникающие при этом значительные деформации, препятствующие диффузии НИОД в более глубокие слои металла. В таблице 1 приведены результаты обработки НИОД редукторов электровоза ВЛ-23. Малые шестерни МТТТ 1.2.3 и большие зубчатые колеса БЗК 1.2.3 были обработаны НИОД, после чего эксплуатировались без смазки. Зубчатые пары МШ 4.5.6 БЗК 4.5.6 шесть месяцев эксплуатировались со штатной смазкой, после чего были обработаны НИОД и так же эксплуатировались без смазки. Измерения толщины зуба производились в соответствии со штатным регламентом. По результатам измерений видно, что нормальный износ работающих со штатной смазкой зубчатых колес составляет, в среднем, 0,1 мм в месяц.
- После обработки НИОД не только прекращается износ, но и происходит восстановление номинального размера толщины зуба, причем в разных зубчатых парах продолжительность процесса восстановления различна (от 1 месяца /2 -я кол. пара, правая МШ/ до 8 месяцев/ 2-я кол. пара, левая БЗКУ). На рис. 3 приведены осредненные результаты измерений (Ь - толщина зуба).
- Важной особенностью НИОД является то, что эффект от его применения достигается в условиях обычной эксплуатации, то есть не требует существенных затрат времени.
В заключение приведем примеры успешного применения ТС НИОД в различных узлах и механизмах.
- Восстановление редукторов, трансмиссий, коробок передач, перевод их на работу без смазки или с уменьшенным количеством смазки.
- Восстановление подшипников (качения и скольжения), снижение шума и вибрации в быстровращающихся узлах.
- Приработка новых зубчатых передач, притирка опор скольжения (например, пары станина - суппорт тяжелых металлорежущих станков). Увеличение ресурса бандажей колесных пар рельсового транспорта.
- Увеличение ресурса подшипниковых узлов, работающих в тяжелых условиях, например, при высоких (до 500° С) температурах.
- Увеличение производительности гидравлических насосов (поршневых, плунжерных, шестеренчатых и т.п.)
- Увеличение производительности поршневых воздушных компрессоров.
- Повышение компрессии в двигателях внутреннего сгорания.
Снижение потерь на трение, уменьшение связанного с ним нагрева (в механизмах с червячными редукторами экономия электроэнергии достигала 30-50 %).
- Повышение работоспособности механизмов, работающих в тяжелых климатических условиях (например, при низких температурах).
- Предотвращение выхода узлов трения из строя при аварийной потере смазки.
- Повышение стойкости метчиков, плашек, резьбонарезных головок, разверток и другого металлорежущего инструмента.
- Увеличение в 10-15 раз срока службы сальниковых набивок.
Эффект от применения НИОД получен более чем в 200 предприятиях в различных регионах России и СНГ на десятках тысячах различных механизмов. Обобщенно можно сказать, что применение НИОД позволяет повысить работоспособность, увеличить ресурс, снизить нагрев, износ, вибрацию и потери энергии практически в любом узле трения.