RU2443801C1 - Treatment method of working surface of friction assembly part - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: method involves creation of protective coating on the surface by its electrospark alloying by means of an electrode made from material on copper basis; after that, polyvinylidene fluoride solution in polar aprotonic solvent is applied; surface heating of the applied solution is performed at temperature of 170-270°C till polyvinylidene fluoride is monolithiated and machining of the coating is performed by means of plastic deformation.

EFFECT: method involves reducing friction coefficient and increasing wear resistance of working surface of parts of high-rate friction assemblies and friction assemblies of the equipment used during pumping of high fluid flows including chemically corrosive liquids and oil.

2 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении новых и восстановлении изношенных металлических деталей узлов трения различных машин и механизмов, а также для увеличения ресурса и надежности пар трения за счет нанесения, по крайней мере, двух совмещенных покрытий.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the manufacture of new and restoration of worn metal parts of friction units of various machines and mechanisms, as well as to increase the resource and reliability of friction pairs by applying at least two combined coatings.

Известен способ восстановления размеров отверстий в деталях из чугуна, заключающийся в нанесении антифрикционного покрытия из меди электроискровой наплавкой (электроискровым легированием) и последующей его механической обработки (патент РФ 2173731 C1, МПК C23C 4/12, опубл. 20.09.2001). Недостатком данного способа является то, что нанесение меди в качестве износостойкого покрытия повышает износостойкие и антифрикционные свойства узла трения в недостаточной степени, что часто не обеспечивает желаемой продолжительности срока их службы.There is a method of restoring the size of holes in parts made of cast iron, which consists in applying an antifriction coating of copper with electrospark surfacing (spark alloying) and its subsequent mechanical processing (RF patent 2173731 C1, IPC C23C 4/12, published on September 20, 2001). The disadvantage of this method is that the application of copper as a wear-resistant coating does not increase the wear-resistant and antifriction properties of the friction unit, which often does not provide the desired duration of their service life.

Известен наиболее близкий по технической сути и достигаемому положительному эффекту способ обработки рабочей поверхности детали узла трения для придания ей износостойких и антифрикционных свойств (патент РФ 2319790 C1, МПК C23C 28/00, опубл. 20.03.2008 - прототип). Способ включает создание защитного покрытия поверхности путем ее электроискрового легирования электродом, выполненным из материала на основе меди, механическую обработку покрытия путем шлифования со съемом 10-30% толщины покрытия, натирание материалом на основе меди, пассивацию и сушку, после чего на обработанную поверхность наносят композицию на основе мыльной пластичной смазки, содержащую медь, политетрафторэтилен и борат гликоля. Данный способ обеспечивает увеличение продолжительности срока службы деталей узлов трения путем повышения их противоизносных и антифрикционных свойств за счет использования в покрытии вместо меди материалов на ее основе, в частности бронзы, и дополнительного применения пластичной смазки. Однако использование данного способа для повышения износостойких и антифрикционных свойств поверхностей деталей высоконагруженных узлов трения скольжения (при давлении порядка 10,0 МПа и более) и узлов трения оборудования, применяемого при перекачивании интенсивных потоков жидкости, не дает в полной мере ожидаемого положительного эффекта. Это объясняется быстрым выдавливанием и вымыванием из зоны контакта пластичной смазки. Так испытание данного технического решения в узле трения шиберной задвижки нефтепровода показало удаление предлагаемой композиции из зоны трения шибер - уплотнительное кольцо уже после двух-трех циклов срабатывания задвижки.Known for the closest in technical essence and the achieved positive effect is a method of processing the working surface of a friction assembly part to give it wear-resistant and antifriction properties (RF patent 2319790 C1, IPC C23C 28/00, publ. March 20, 2008 - prototype). The method includes creating a protective coating of the surface by electrospark alloying with an electrode made of copper-based material, machining the coating by grinding with removal of 10-30% of the coating thickness, rubbing with copper-based material, passivation and drying, after which the composition is applied to the treated surface based on soapy grease containing copper, polytetrafluoroethylene and glycol borate. This method provides an increase in the service life of parts of friction units by increasing their anti-wear and antifriction properties due to the use of materials based on it, in particular bronze, in the coating instead of copper, and the additional use of grease. However, the use of this method to increase the wear-resistant and antifriction properties of the surfaces of parts of highly loaded sliding friction units (at a pressure of about 10.0 MPa and more) and the friction units of equipment used in pumping intense fluid flows does not fully give the expected positive effect. This is due to the rapid extrusion and leaching of grease from the contact zone. So, the test of this technical solution in the friction unit of the slide gate valve of the oil pipeline showed the removal of the proposed composition from the friction zone of the gate valve - O-ring after two or three valve actuation cycles.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение коэффициента трения и повышение износостойкости рабочей поверхности деталей высоконагруженных узлов трения и узлов трения оборудования, применяемого при перекачивании интенсивных потоков жидкости, включая химически агрессивные жидкости и нефть.The objective of the invention is to reduce the coefficient of friction and increase the wear resistance of the working surface of parts of highly loaded friction units and friction units of equipment used in pumping intense fluid flows, including chemically aggressive liquids and oil.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе обработки рабочей поверхности детали узла трения, включающем создание защитного покрытия поверхности путем ее электроискрового легирования электродом, выполненным из материала на основе меди, и механическую обработку покрытия, после электроискрового легирования на защитное покрытие дополнительно наносят раствор поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе и осуществляют поверхностный нагрев нанесенного раствора при температуре 170-270°C до монолитизации поливинилиденфторида, а механическую обработку покрытия осуществляют после монолитизации поливинилиденфторида путем пластического деформирования. При этом пластическое деформирование осуществляют методом выглаживания, обкатывания или раскатывания.This problem is solved due to the fact that in the known method of treating the working surface of a friction assembly part, including creating a protective coating of the surface by electrospark alloying with an electrode made of copper-based material, and machining the coating, after electrospark alloying, an additional coating is applied to the protective coating polyvinylidene fluoride in a polar aprotic solvent and carry out surface heating of the deposited solution at a temperature of 170-270 ° C until the monolithization of poly vinylidene fluoride, and the mechanical treatment of the coating is carried out after monolithization of polyvinylidene fluoride by plastic deformation. In this case, plastic deformation is carried out by the method of smoothing, rolling in or rolling out.

Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом. Сначала на рабочую поверхность узла трения электроискровым легированием наносят покрытие электродом, выполненным из материала на основе меди. В качестве материала, используемого для электрода, могут применяться различные марки износостойких сплавов на основе меди, в частности сплав твердый безоловянной бронзы марки БрАЖМц 10-3-1,5 или БрАМц9-2. Процесс электроискрового легирования осуществляют на стандартном оборудовании для электроискровой обработки металлов, например марки ЭЛИТРОН, при рабочем токе 0,5-10 A. Режимы работы оборудования и модель установки выбирают в зависимости от необходимой толщины наносимого покрытия и заданной производительности процесса. В отличие от прототипа после электроискрового легирования механическую обработку (шлифование) сформированного основного покрытия (из материала на основе меди) не производят, чем достигается экономия материала и сохраняется получаемая при электроискровой обработке развитая поверхность основного покрытия (наличие микронеровностей сложной структуры и открытых пор). После нанесения основного покрытия на него методом распыления, кистью или поливом наносят раствор поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе. В качестве раствора поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе используют, например, насыщенный раствор в диметилформамиде, диметилсульфоксиде или диметилацетамиде порошка фторопласта-2М марки «Д» по ТУ 6-05-1781-84 или его зарубежных аналогов (Kynar, Solef и др.). Затем осуществляют поверхностный нагрев нанесенного раствора, например, пламенем газовой горелки или ИК-излучением при температуре 170-270°C до монолитизации поливинилиденфторида. Температура нагрева раствора выбрана из условия достижения монолитизации поливинилиденфторида (температура плавления около 170°C) и недопущения его термической деструкции (наступает при температуре более 270°C). После монолитизации поливинилиденфторида на поверхности основного покрытия образуется дополнительное полимерное покрытие, толщина которого зависит от исходной шероховатости основного покрытия. Экспериментально установлено, что при этом суммарная толщина защитного покрытия увеличивается на несколько мкм (до 10 мкм). Затем осуществляют механическую обработку полученного защитного покрытия путем пластического деформирования при скольжении по нему или перекатывании цилиндрического инструмента под давлением порядка 100-200 МПа (методом выглаживания для плоских рабочих поверхностей, обкатывания для деталей типа вал и раскатывания для внутренних поверхностей деталей типа втулка). При пластическом деформировании происходит уменьшение шероховатости поверхности защитного покрытия, которое сопровождается повышением твердости поверхностного полимерного слоя и полным заполнением им микронеровностей и пор основного покрытия, что улучшает адгезию дополнительного покрытия к основному. Кроме этого происходит выравнивание выступающих вершин микронеровностей основного покрытия с уровнем поверхности дополнительного полимерного покрытия. В результате, как показала экспериментальная проверка и эксплуатационные испытания, комплексное использование дополнительного покрытия из поливинилиденфторида и механической обработки путем пластического деформирования позволяют на длительный срок в несколько раз снизить коэффициент трения защитного покрытия и как следствие повысить его износостойкость, особенно при работе деталей в высоконагруженных узлах трения.The method according to the invention is as follows. First, a coating with an electrode made of copper-based material is applied to the working surface of the friction unit by electrospark alloying. As the material used for the electrode, various grades of wear-resistant copper-based alloys can be used, in particular, the BrAZHMts 10-3-1.5 or BrAMts9-2 grade solid tinless bronze alloy. The process of spark alloying is carried out on standard equipment for electric spark metal processing, for example, ELITRON brand, with an operating current of 0.5-10 A. The operating modes of the equipment and the installation model are selected depending on the required thickness of the applied coating and the given process productivity. In contrast to the prototype, after electrospark alloying, the formed main coating (made of copper-based material) is not machined (grinded), which saves material and maintains the developed surface of the main coating obtained by electrospark processing (presence of irregularities of complex structure and open pores). After applying the main coating, a solution of polyvinylidene fluoride in a polar aprotic solvent is applied by spraying, brushing or watering. As a solution of polyvinylidene fluoride in a polar aprotic solvent, for example, a saturated solution of dimethylformamide, dimethyl sulfoxide or dimethylacetamide of fluoroplast-2M powder of grade "D" according to TU 6-05-1781-84 or its foreign analogues (Kynar, Solef, etc.) is used. Then carry out surface heating of the applied solution, for example, by a flame of a gas burner or infrared radiation at a temperature of 170-270 ° C until the polyvinylidene fluoride is monolithized. The heating temperature of the solution is selected from the condition of achieving monolithization of polyvinylidene fluoride (melting point about 170 ° C) and preventing its thermal degradation (occurs at temperatures above 270 ° C). After monolithization of polyvinylidene fluoride, an additional polymer coating forms on the surface of the base coat, the thickness of which depends on the initial roughness of the base coat. It was experimentally established that in this case, the total thickness of the protective coating increases by several microns (up to 10 microns). Then, the obtained protective coating is machined by plastic deformation when sliding on it or rolling a cylindrical tool under a pressure of about 100-200 MPa (by smoothing for flat work surfaces, rolling in for shaft-like parts and rolling for internal surfaces of sleeve-type parts). During plastic deformation, there is a decrease in the surface roughness of the protective coating, which is accompanied by an increase in the hardness of the surface polymer layer and its complete filling of microroughnesses and pores of the main coating, which improves the adhesion of the additional coating to the main. In addition, the protruding peaks of the microroughness of the main coating are aligned with the surface level of the additional polymer coating. As a result, as experimental testing and operational tests have shown, the combined use of an additional coating of polyvinylidene fluoride and mechanical processing by plastic deformation can reduce the friction coefficient of the protective coating several times over and as a result increase its wear resistance, especially when parts are used in highly loaded friction units .

Пример. Было нанесено защитное покрытие на поверхность отверстия (диаметр 40 мм) в стальных (ст. 40X13) втулках по известному способу (прототип) и согласно изобретению. В качестве электрода в обоих случаях использовали бронзу марки БрАЖМц10-3-1,5. Электроискровое легирование осуществляли на установке «Элитрон-22А» при рабочем токе установки 2,8 A. Толщина покрытия около 70 мкм. На образцах, обработанных согласно прототипу, дополнительно проводили шлифование покрытия со съемом 20% его толщины, натирание при давлении около 100 МПа порошком меди в среде из смеси глицерина с хлоридом меди, пассивацию в растворе окислителя и сушку, после чего на обработанную поверхность наносили композицию, содержащую, мас.%: порошка меди - 8, порошка политетрафторэтилена (Ф-4) - 5, бората гликоля - 5, пластичной смазки ЦИАТИМ-201 - 82. На образцах, обработанных согласно изобретению, дополнительно проводили нанесение 3% раствора порошка фторопласта-2М марки «Д» в диметилформамиде, сушку нанесенного раствора при помощи контролируемого пламени газовой горелки (температура в диапазоне 170-270°C) до полного испарения растворителя и монолитизации поливинилиденфторида, и механическую обработку полученного защитного покрытия методом раскатывания роликом под давлением 150 МПа. Затем из втулок с покрытием изготавливали образцы типа частичный вкладыш (сегмент втулки длиной 20 мм), которые испытывали на интенсивность изнашивания и коэффициент трения по стали при сухом трении и трении в нефти марки Urals. Триботехническое оборудование - машина для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1 (схема трения - «вал - частичный вкладыш», материал контртела - ст. 45, шероховатость поверхности контртела - Ra 0,25). Режимы проведения испытаний были выбраны исходя из граничных условий работы узлов трения запорной арматуры магистрального нефтепровода «Дружба» (контурное давление - 20,0 МН/м², скорость скольжения - 0,5 м/с). Интенсивность изнашивания определяли как отношение линейного износа к пути трения по результатам 100 часовых испытаний при выборке 10 образцов. Коэффициент трения определяли как среднее значение по выборке согласно показаниям машины после 10 часов испытания образцов. Результаты испытаний помещены в таблице.Example. A protective coating was applied to the surface of the hole (diameter 40 mm) in steel (st. 40X13) bushings according to the known method (prototype) and according to the invention. In both cases, BrAZhMts10-3-1.5 brand bronze was used as an electrode. Electrospark alloying was carried out on the Elitron-22A installation with a working current of 2.8 A. The coating thickness was about 70 microns. On the samples processed according to the prototype, grinding was additionally carried out with removal of 20% of its thickness, rubbing at a pressure of about 100 MPa with copper powder in a medium from a mixture of glycerol with copper chloride, passivation in an oxidizing solution and drying, after which a composition was applied to the treated surface, containing, wt.%: copper powder - 8, polytetrafluoroethylene (F-4) powder - 5, glycol borate - 5, TsIATIM-201 grease - 82. On samples treated according to the invention, an additional 3% fluoroplas powder solution was applied a-2M grade “D” in dimethylformamide, drying the applied solution with a controlled flame of a gas burner (temperature in the range of 170-270 ° C) until the solvent evaporates and monolithization of polyvinylidene fluoride is carried out, and the resulting protective coating is machined by rolling using a roller under a pressure of 150 MPa . Then, partial-liner-type specimens (sleeve segment 20 mm long) were made from coated bushings, which were tested for the wear rate and coefficient of friction for steel during dry friction and friction in Urals oil. Tribotechnical equipment - a machine for testing materials for friction and wear 2070 SMT-1 (friction scheme - “shaft - partial liner”, counterbody material - Art. 45, counter-surface roughness - Ra 0.25). The test modes were selected based on the boundary operating conditions of the friction units of the stop valves of the Druzhba oil pipeline (circuit pressure - 20.0 MN / m ² , sliding speed - 0.5 m / s). The wear rate was determined as the ratio of linear wear to the friction path according to the results of 100 hours of testing with a sample of 10 samples. The friction coefficient was determined as the average value of the sample according to the readings of the machine after 10 hours of testing the samples. The test results are shown in the table.

ТаблицаTable Результаты испытанийTest results ПрототипPrototype Согласно изобретениюAccording to the invention Интенсивность изнашивания при сухом тренииDry Friction Wear Rate 2×10^-10 2 × 10 ^-10 5×10^-11 5 × 10 ^-11 Интенсивность изнашивания при трении в нефтиFriction wear rate in oil 3×10^-11 3 × 10 ^-11 1×10^-11 1 × 10 ^-11 Коэффициент трения при сухом тренииDry Friction Coefficient of Friction 0,20.2 0,10.1 Коэффициент трения при трении в нефтиOil Friction Coefficient 0,10.1 0,050.05

Таким образом, способ согласно изобретению по сравнению с прототипом обеспечивает существенно меньшие значения величин интенсивности изнашивания и коэффициента трения как при сухом трении, так и трении в нефти. Испытания были осуществлены сотрудниками Института механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАН Беларуси и РУП «Гомельтранснефть Дружба».Thus, the method according to the invention in comparison with the prototype provides significantly lower values of the intensity of wear and the coefficient of friction both with dry friction and friction in oil. The tests were carried out by employees of the Institute of Mechanics of Metal-Polymer Systems named after V.A. White of the National Academy of Sciences of Belarus and RUE Gomeltransneft Druzhba.

Claims (2)

1. Способ обработки рабочей поверхности детали узла трения, включающий создание защитного покрытия на поверхности путем ее электроискрового легирования электродом, выполненным из материала на основе меди, и механическую обработку покрытия, отличающийся тем, что после электроискрового легирования на созданное защитное покрытие дополнительно наносят раствор поливинилиденфторида в полярном апротонном растворителе и осуществляют поверхностный нагрев нанесенного раствора при температуре 170-270°С до монолитизации поливинилиденфторида, а механическую обработку покрытия осуществляют после монолитизации поливинилиденфторида путем пластического деформирования.1. A method of treating the working surface of a friction assembly part, including creating a protective coating on the surface by electrospark alloying with an electrode made of copper-based material, and machining the coating, characterized in that after the spark alloying, a polyvinylidene fluoride solution is additionally applied to the created protective coating in polar aprotic solvent and carry out surface heating of the applied solution at a temperature of 170-270 ° C until the polyvinylidene fluoride is monolithized, and machining of the coating is carried out after monolithization of polyvinylidene fluoride by plastic deformation. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическое деформирование осуществляют методом выглаживания, обкатывания или раскатывания. 2. The method according to claim 1, characterized in that the plastic deformation is carried out by the method of smoothing, rolling in or rolling.