В настоящее время на рынке наблюдается тенденция увеличения потребности в качественных материалах для устройства промышленных полов, в частности полов с упрочненным поверхностным слоем. Кроме того, учитывая относительно низкую стоимость отечественных продуктов, растет спрос на такие материалы в ряде стран Евросоюза. Одним из основных показателей качества покрытий промышленных полов является устойчивость к истиранию. В случае изготовления промышленных полов с упрочненным поверхностным слоем основными факторами, определяющими их износостойкость является природа использованных заполнителей и пропиток [1-3]. Учитывая экспортные варианты материалов для устройства промышленных полов следует отметить, что методики определения износостойкости по ГОСТ 13087 [4] и европейским EN 13892-3 [5] несколько отличаются, хотя в обоих стандартах регламентируется использование фактически идентичного оборудования – кругов стирания типа Беме, что требует отдельного анализа и сравнения.

Таким образом, целью данной работы было исследование основных факторов определяющих износостойкость промышленных полов с упрочненным поверхностным слоем в соответствии с отечественными и европейскими нормативами.

Материалы и методы исследований

Исследование износостойкости промышленных полов с упрочненным поверхностным слоем осуществляли по методикам ГОСТ 13087  и EN13892-3. Сравнительная характеристика методов испытания истираемости приведена в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение методов испытания истираемости

По комплексу физико-механических свойств, для разработки композиционных полимерных покрытий были выбраны следующие полимеры:     эпоксидная смола ЭД-16, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), пенто пласт (ПНП), полиамид, поливинилбутираль, полипропилен.

Кристаллический полиэтилен высокой плотности обладают достаточно высокими свойствами, имеют низкую стоимость и обеспечены сырьевой базой.

Для отверждения эпоксидного ЭД-16 олигомера использовали отвердители, широко применяемые в промышленности, такие как полиэтиленполиамид (ПЭПА) и малеиновый ангидрид (МА). Эти отвердители позволяют получать покрытия холодной и горячей сушкой, что важно для практического их использования в деталях для хлопкоуборочной и хлопкоочистительной техники.

Все выбранные полимеры имеют хорошие физико-механические свойства.Как указано выше, введение наполнителей в полимер позволяет целенаправленно изменять физико-химические и эксплуатационные свойства получаемого композиционного покрытия. Известно, что наполнители изменяют свойства полимера и в объеме и в слое, примыкающем к поверхности наполнителя. В результате адсорбционного взаимодействия полимера с поверхностьюнаполнителя и изменения молекулярной подвижности в граничном слое, а также из-за влияния поверхности на формирование молекул при реакциях отверждения химическая и структурная неоднородность композиционного материала увеличиваются. Изменение структуры наполненных полимеров вызывает изменение физико-механических свойств.

В качестве наполнителей применяют широкий круг природных и искусственных материалов. По своему действию наполнители разделяют на активные, инертные и занимающие промежуточное положение.

Введение активных наполнителей значительно улучшает свойства полимера и покрытий на их основе. Вторые две группы применяют, в основном, для снижения стоимости покрытия без ухудшения его качества. Такое разделение наполнителей условно, так как и активность, и инертность зависят, во – первых, от химической природы полимера, и, во – вторых, определяются тем, какое свойство наполненного полимерного покрытия является наиболее функционально важным. Возможно, что улучшая одно из них, наполнитель может не оказывать влияние на другое. Так, введение талька и вермикулита увеличивает, в основном, коэффициент потерь полимера; введение барита, слюдяной муки, каолина и асбеста увеличивает динамический модуль упругости, а введение чешуйчатого графита – и коэффициента потерь и модуль упругости [68, 78, 79, 89-92].

Кроме того, необходимо учитывать, что вибропоглощающие покрытия также работают на трение и износ при контакте с хлопком.

Для улучшения динамических и антифрикционных свойств и износостойкости композиционных полимерных покрытий в основной состав (ОС) – полимерное связующее вводится наполнители различной природы:

а) неорганические наполнители (железный и медный порошки, алюминиевая пудра, оксид железа и меди);

б) минеральные (графит, тальк, каолин, слюдяная мука, асбест, маршалит, цемент, сажа);

Указанные наполнители отличаются и по структуре: зернистые и порошковые (металлы и их окислы), пластинчатые (графит, слюда, тальк, каолин), волокнистые (асбест, стеклянные волокна).

Выбор в качестве наполнителей железного порошка и окислов железа был обусловлен тем, что для повышения свойств покрытий нами использована обработка в магнитном поле. Очевидно, что эффективность такой обработки связана с магнитными свойствами наполнителя в композиционном полимерном покрытии.

При выборе пластификаторов мы учитывали, что целесообразно, чтобы выбро поглощающие полимеры для покрытий имели температуру стеклования, близкую к температуре эксплуатации покрываемых изделий. Для снижения температуры стеклования вибропоглощающих полимерных материалов рекомендуется применять пластификаторы. С повышением содержания пластификатора увеличивается коэффициент механических потерь вплоть до предела совместимости полимеров с пластификатором, а модуль потерь при этом проходит через максимум. Введение пластификатора в полимерную композицию смещает максимум модуля потерь в сторону увеличения содержания наполнителя.

Очевидно, что применение не пластифицированных эпоксидных и фурано–эпоксидных композиций не целесообразно из–за высокой температуры стеклования. Поэтому, с учетом дефицитности, стоимости, токсичности для пластификации эпоксидных и фурано–эпоксидных композиций был выбран дибутильфталат. Поскольку из литературы неизвестно влияние содержания пластификатора на износостойкость и антифрикционные свойства полимерных покрытий, работающих в контакте с хлопком сырцом, то содержание пластификатора варьировалось нами от 0 до 40 масса ч.

При выборе подложек мы исходили из того, что наиболее распространенным материалом является сталь. В отдельных случаях применяют алюминий и медь. Для контрольных опытов применяли стекло. Таким образом, в качестве подложек в экспериментах использовали сталь Ст.3, алюминий, медь и стекло.

Таблица 1.1. Характеристика исследованных подложек

Примечание: ФМ – ферромагнетик, ПМ – парамагнетик, ДМ – диамагнетик.

Все объекты, выбранные при исследовании свойств композиционных полимерных покрытий для машин и механизмов уборки и переработки хлопка – сырца, приведены в табл. 1.1 – 1.2.

Для исследования полимерных покрытий, работающих в условиях трения, в качестве контр–тела использовали хлопок–сырец 1 сорта, сорта 108-Ф и Ташкент-1 ручного и машинного сбора с влажностью от 7 до 50 % и засоренностью, соответственно, от 1-3 до 20-25 %. Эти сорта наиболее типичны в настоящее время для хлопкосеющих республик. Процент влажности и засоренности хлопка наиболее характерен для работы заготовительной сети хлопкоочистительной промышленности.

Таблица 1.2. Материалы объекта исследования

1.2. Методики получения композиционных полимерных покрытий

Технология получения покрытий на поверхности образцов–подложек выбирали в зависимости от агрегатного состояния полимеров и композиций.

Для нанесения порошковых полимеров и композиций применялся вибро–вихревой (рис. 1.1) и электростатический (рис. 1.2) методы напыления, так как они позволяют получать равномерную толщину покрытия по высоте и ширине напыляемого изделия, покрытия с большей толщиной и хорошей сплошностью.

Сущность выбро–вихревого способа напыления заключается в том, что псевдоожижение достигается за счет совместного и одновременного воздействия на порошкообразную пластмассу сжатого воздуха или газа и вибрации. При этом мелкодисперсный полимерный порошок засыпается в аппарат и под действием восходящего потока газа, подаваемого через пористую перегородку под давлением, и вибрации переходит в псевдоожиженное состояние. Затем предварительно обработанную и нагретую деталь опускают в псевдоожиженный слой. Порошок оседает на поверхности детали, расплавляется на ней и растекается, образуя ровное покрытие. Этот метод позволяет использовать полимерные порошки различного гранулометрического состава, а также комкающиеся и плохосыпучие полимерные порошки (рис. 1.1). Полонии принцип работы приведены в литературе.

Рис.1.1. Установка вибро – вихревого напыления

Сущность напыления в псевдоожиженном слое потока при воздействии электростатического поля заключается в том, что холодное изделие погружают в слой порошка, находящегося под воздействием коронного разряда электрического поля высокого напряжения. Частицы полимера заряжаются и под действием электростатических сил равномерно оседают на деталь. После чего деталь перемещается в оплавительную печь, где полимер оплавляется, образуя на поверхности детали равномерное покрытие (рис. 1.2).

Масса осевшего на поверхности детали порошка увеличивается пропорционально напряжению и времени нанесения.Полонии принцип работы приведены в литературе [2].

Рис.1.2. Установка для напыления в облаке заряженных частиц

В табл. 1.3 приведены оптимальные режимы получения покрытий из порошковых полимеров, выбранные опытным путем. Время выдержки образца в кипящем слое порошка выбиралось в зависимости от толщины покрытия.

Технология нанесения покрытий из жидких композиций была совершенно другой. Жидкие композиции наносили на предварительно очищенную и обезжиренную поверхность образцов при помощи шпателя и кисти, методом окунания или облива.

Полимерная композиция на основе фурано–эпоксидных олигомеров готовилась следующим образом: в 100 масса ч. смолы ФАЭД-20 вначале вводили пластификатор ДБФ в определенном количестве, при тщательном перемешивании механической пропеллерной мешалкой добавляли наполнитель в заданном количестве, затем снова тщательно перемешивали. С целью удаления воздушных включений композицию выдерживали в термическом шкафе при 313-323 К в течение 30-40 мин. Затем, при перемешивании, в композицию вводили отвердитель ПЭПА.

Подготовленную композицию наносили на поверхность образцов. Покрытие получалось с толщиной 100-200 мкм.

Таблица 1.3. Режимы получения покрытий из порошковых полимеров 

Для получения более толстого слоя (300-400 мкм) композицию наносили через 4-5 часов после приготовления, так как при этом вязкость композиции увеличивалась. При высоких степенях наполнения получали покрытия толщиной 0,3-1,0 мм. Так как отверждение нанесенного покрытия при комнатной температуре происходит медленно (4-5 суток), применяли метод горячего отверждения (при 393-413 К в течение 60 мин), охлаждение производили на воздухе при комнатной температуре.

Увеличение срока службы и повышение надёжности работы изделий в период её эксплуатации – это один из важнейших путей оснащения высококачественной техникой всех отраслей производства продукции машиностроительного производства.

Дробеструйная обработка — это процесс обработки поверхности с использованием высокоскоростного стального абразива, подаваемого на поверхность заготовки, за счет струи сжатого воздуха.

Интенсивный износ деталей дробеметного аппарата, особенно его рабочих лопастей, является серьезным недостатком, значительно снижающим производительность, усложняющим ремонт и обслуживание, а также повышающим эксплуатационные расходы.

Материал лопастей должен соответствовать следующим требованиям: ударная вязкость-3,9-8,8Дж/см, твердость-40-64НRC (более 360НВ), временное сопротивление при изгибе 720-800МПа и разрыве-340-450МПа. Наиболее характерными типами износа лопастей являются: эрозионный и ударно-абразивный, при котором поверхностный слой металла разрушается под действием циклических напряжений [1].

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура. Наиболее износостойкий сплав – сталь, имеющая мелкозернистую структуру. Введение в состав стали добавок кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена и вольфрама повышает износостойкость.

Рассмотрим три материала, применяемых для изготовления лопаток:

1 наиболее распространённая износостойкая сталь 110Г13Л ГОСТ 2176 [2]

2 хромистый чугун ЧХ16М2 ГОСТ 7769 (связано с наличием в их структуре карбидной составляющей с высоким уровнем микротвердости) [3]

2 импортный износостойкий материал HARDOX500 [4].

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой. Твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала.

Сравнив характеристики материалов, в качестве материала для лопаток турбин принимаем легированную горячекатаную сталь Hardox 500, которая относится к классу конструкционных сталей твердостью от 350 до 650 HB, срок эксплуатации изделий и конструкций из Hardox выше, чем у других марок в 2.5 раза.

Для сохранения выносливости при абразивном износе можно использовать разнообразные методы упрочнения аналогичные методам поверхностной обработки для повышения его эрозионной стойкости. Это ионно-плазменное напыление, финишное плазменное упрочнение, ионная имплантация и ионная имплантация в комбинации с ионно-плазменным напылением. В результате анализа литературных данных каждому методу применительно к упрочнению лопатки, был присвоен определённый балл по 5-ти балльной шкале (1…5), в которой наименьший балл соответствует худшему покрытию, а наибольший – лучшему [5].

Технология финишного плазменного упрочнения (ФПУ) состоит в повышении долговечности деталей и инструмента за счет нанесения при атмосферном давлении тонкопленочных покрытий при бескамерном химическом осаждении из паровой фазы (PECVD процесс) с применением жидких элементоорганических соединений и активации электродуговой плазмой.

Разработки авторов статьи [6] дают возможность повысить износостойкость покрытия за счет введения в материал высокохромистой стали и молибдена, получить оптимальную пористость в исходной шихте при синтезе композиций FeCrMo–MoS2/CaF2/С–TiC, улучшить технологические параметры порошков и тем самым повысить коэффициент их использования при напылении, удешевить технологию нанесения износостойких покрытий.

Базовыми деталями большинства изделий машиностроения являются корпусные детали. Они предназначены для защиты находящихся внутри них механизмов от внешних воздействий (ударов, давлений, падений и т.п.). В сочетании с некоторыми другими деталями (фланцы, манжеты, сальники, прокладки, фильтры и др.) и при условии качественных сопряжений между ними, корпуса обеспечивают защиту от пыли и грязи, влаги и т.п.

Одной из операций, лимитирующих трудоемкость механической обработки корпусных деталей, является растачивание точных отверстий [2].  Основными материалами для изготовления корпусов редукторов являются серые чугуны, для обработки которых в большинстве случаев применяют инструмент с твердыми сплавами [3].

Стойкость и надежность режущего инструмента в значительной степени определяется его теплостойкостью. Одним из путей повышения износостойкости режущих пластин является нанесение на них различных покрытий [4]. Как известно, покрытия на режущем инструменте позволяют уменьшить интенсивность адгезионного взаимодействия между обрабатываемым и инструментальным материалом, что приводит к уменьшению температуры в зоне резания, силы резания, длины контакта стружки с передней поверхностью резца [5].

Существенное влияние материала покрытия на параметры процесса резания (температуру, скорость), износ инструмента и шероховатость обработанной поверхности подтверждено и в работе [8], где в качестве объекта исследования выбирались покрытия AlTiN и AlSiTiN.

Анализировали стойкостные зависимости при точении чугуна режущими пластинами, изготовленными с применением различных покрытий (неперетачиваемые режущие пластины из CBN (композит на основе нитрида бора), пластина с PVD-покрытием АС410К (Sumitomo, Япония), твердосплавные двухкарбидные режущие пластины марки YC-10 без покрытия и с различным модифицированием (AlTiN; AlSiTiN; AlCrN)) [6].

В результате анализа установили, что покрытия nc-TiAlSiN обеспечивают увеличение срока службы инструмента в 2 – 2,5 раза, а также способствуют снижению расхода инструмента вследствие уменьшения количества его переточек [6].

Кроме того, инструмент с покрытием nc-TiAlSiN минимизирует силу резания, удельную энергию резания, шероховатость поверхности и износ инструмента, а также увеличивает срок службы инструмента [6-8], поэтому рекомендуется для растачивания отверстий в корпусных деталях из чугуна.

Использование при обработке основных отверстий корпуса редуктора режущего инструмента из твердого сплава с покрытием TiAlSiN, позволило сократить время обработки в 1,5 раза и уменьшить трудоемкость изготовления детали.

В мире машиностроения для улучшения эксплуатационных свойств широкого спектра ассортимент деталей, изготовленных из металлов и сплавов методами поверхностной, химико-термической закалки применяются методы обработки, в частности различные методы азотирования. Во время азотирования поверхностное упрочнение достигается за счет образования азотированного слоя, состоящего из поверхностной нитридная зона и диффузионный подслой – внутренняя зона азотирования. Основное преимущество процесса газового азотирования с другими – это совместимость процесса с другими методами азотирования.

Для достижения наилучшего градиента структурно-фазового состояния на поверхности применяются различные композиционные материалы – наносятся покрытия с заданными свойствами.

В результате проведенных исследований [3] видно, что сочетание технологии газового азотирования с последующим окислением нитридного слоя с морфологической структурой обеспечивает стабильный градиент структурно-фазовых состояний в композиционном покрытии.

В работах [4,5] также авторы исследовали влияние нитроокисления на механические свойства стали 45.

Коррозионные свойства среднеуглеродистой стали 45 после газового азотирования с последующим окислением и пропитки ингибитором. Исследования трибологических свойств (линейных износ), методом трех конусов показал, что линейный износ образцов стали 45 с слоями, полученные в комбинированных процессах азотирования с последующим оксидированием и пропиткой была меньше, чем у образцов стали без слоев более чем в 2 раза. Электрохимические коррозионные испытания показали, что сталь 45 с азотированием и последующим оксидированием выше чем у не обработанной стали в 1,5 раза.

Также в последнее время находит применение диффузионные покрытия стали. Эффективными методами защиты железоуглеродистых сплавов от износа являются (по мере снижения эффективности): борирование, хромирование, азотирование, цементация [2].

В работе [2] авторами описан метод формирования диффузионного слоя, а также характер распределения слоя на поверхности стали 45. Разработанный способ и состав позволяет получать качественные боридные покрытия.

В работе [5] авторами исследовалось создание диффузионного слоя на поверхности стали 45 алюминированием поверхности.

Статья [1] посвящена исследованию механических свойств стали 45 с диффузионным слоем Zn-Al.

Основой решения этой задачи являются исследования электрических разрядов с испаряемым в вакууме электродом. Все известные разряды с испаряемым в вакууме электродом делятся на самостоятельные и несамостоятельные. В зависимости от вида электрического разряда с испаряемым в вакууме электродом, существуют следующие разновидности вакуумно-плазменной технологии обработки поверхностей деталей машин и механизмов: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельном газовом разряде. Развитие вакуумно-плазменной технологии обработки поверхностей деталей машин механизмов, микроэлектроники, электрометаллургии, плазмохимии, и других новейших направлений научно-технического прогресса способствовало созданию устройств для получения плазмы твердых тел. Примером промышленного применения вакуумно-плазменных технологий для повышения эксплутационных свойств деталей машин и механизмов, являются:

1. Высокопроизводительная опытно-промышленная вакуумно – плазменная установка для осаждения износостойких алмазоподобных пленок (АПП).

2. Роботизированный комплекс (РТК) предназначен для нанесения покрытий (теплозащитных, износостойких, высокотемпературных, жаростойких, эрозионностойких). Применение вакуумно-плазменных технологий обработки поверхностей деталей машин и механизмов позволило использовать для специальных целей в машиностроении и химической промышленности обычные конструкционные стали и чугуны.

Вакуумно – плазменные технологии обработки деталей машин и механизмов способствует:

1. повышению износостойкости изделий машиностроения и увеличение сроков службы деталей механизмов, работающих в сложных условиях (сопла реактивных двигателей, лопатки турбин, кристаллизаторы, коленчатые валы);

2. уменьшению в несколько раз коррозионных потерь;

3. созданию новых композиционных материалов;

4. получению веществ, не существующих в окружающей природе;

5. разработке новых элементов памяти вычислительных машин, СВЧ-устройств, полупроводниковых приборов интегральных схем.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать многие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плаза – наиболее распространенное состояние вещества, а с другой – открывает принципиальные возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза.