Исследование антифрикционных характеристик сплава меди с железом

Язык труда и переводы:
УДК:
620.179.112
Дата публикации:
28 мая 2022, 09:49
Категория:
Инновационные технологии ремонта, реновации и восстановления в машиностроении
Авторы
Аннотация:
Проведены исследования триботехнических характеристик низколегированного двухкомпонентного дисперсионно-твердеющего сплава меди с железом в условиях сухого трения и трения со смазкой в литом и термообработанном состоянии. Испытания проводились с целью оценки антифрикционной работоспособности инновационного сплава медь–железо 2,65 %. Исследовалось влияние длительности испытаний, условного расстояния и количество кругов образцов на износ, коэффициент трения и антифрикционные свойства сплава. Сделан вывод, что антифрикционного работоспособности сплава медь–железо 2,65 % выше в сравнении с БрА9Ж4 или БрО10Ф; кроме того, химический анализ показал, что сплав претерпевает наименьшие изменения состава в ходе испытаний.
Ключевые слова:
низколегированный сплав, медь, железо, трибометр, контртело, компенсатор, коэффициент трения, износ
Основной текст труда

Материалы на основе меди получили широкое распространение в связи с их высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью и высокой электропроводностью. Они применяются в узлах трения различных машин и механизмов и в электротехнике в качестве скользящих токосъемных контактов. Такие сплавы, предназначенные для заливки подшипников скольжения, которые обладают бесшумностью работы и устойчивостью к вибрациям, должны иметь низкий коэффициент трения, быть достаточно пластичными и обеспечивать малую скорость изнашивания сопряженной детали — стального или чугунного вала.

Для обеспечения антифрикционных свойств материал должен обладать высокой теплопроводностью, хорошей смачиваемостью смазочным материалом, способностью образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла и хорошей прирабатываемостью.

Медные антифрикционные сплавы часто применяют для тонкого (до 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Из-за содержания дорогостоящего олова оловянные бронзы используют для подшипников ответственного назначения — в дизелях, паровых турбинах и в подшипниках других особо нагруженных машин. Некоторые сплавы используют для подшипников средней нагруженности, а более дешевые используют для менее ответственных подшипников.

Насосы высокого давления, установленные в системах гидрообъемного привода для высоконагруженных насосов с рабочим давлением 20…25 МПа, а также для высокоскоростных насосов со скоростью вращения 5000 об/мин компенсаторы, обеспечивающие высокую гидроплотность в работе насоса изготавливают методом порошковой металлургии из медного порошка, кокильным литьем из бронзы БрО5Ц5С5, либо механической обработкой проката БрА9Ж4 или БрО10Ф1.

Боковая поверхность компенсатора подвержена фрикционному износу, которое может быть сухим, но чаще всего со смазкой, в течение всего периода эксплуатации гидромашины.

Триботехническая работоспособность сопряжений, проверялась в условиях сравнительных лабораторных стендовых испытаний на трибометре TRB-S-DE-0000 фирмы CSM Instruments с использованием методики по ГОСТ 23.224–86 [1], которая предусматривает комплексные антифрикционные испытания сопряжений скольжения на прирабатываемость и на износостойкость.

Испытания на трибометре проводились по схеме «круговое движение» с исследуемым образцом в виде диска, по которому перемещается (скользит) контртело в виде шарика. К индентеру с шариком прикладывалась нормируемая нагрузка, а в зону контакта капельным методом подавалась смазка. Испытания проводись при постоянной влажности 45…50 % и температуре окружающего воздуха 23…25 оС.

Образцы-диски размером 20×20 мм из низколегированной меди с железом вырезались из литых образцов без термообработки и ТО толщиной 10 мм.

  •  скорость относительного скольжения — 20 см/с;
  • среда испытаний: жидкий смазочный материал — масло М-10Г2к (ГОСТ 8581–78);
  • метод смазывания: капельный.

Испытания проводились с целью оценки антифрикционной работоспособности [2] инновационного сплава медь–железо 2,65 %. Исследовалось влияние длительности испытаний, условного расстояния и количество кругов образцов на износ, коэффициент трения и антифрикционные свойства сплава.

В результате исследований можно отметить, что коэффициент трения и глубина вхождения контртела в сплав образца, претерпевшего термообработку, а также при учете использования смазочного материала, значительно ниже, чем у других образцов. Из чего можно сделать о более низком трении между образцом и диском [3]. Из этого можно сделать вывод, что применение инновационного сплава с учетом термообработки, значительно снижает фрикционный износ компенсаторов, особенно в условиях трения со смазкой, что позволяет прогнозировать увеличение срока службы компенсаторов и продолжительности работы насосов.

Обработка данных показала, что налипание меди на контробразец (шарик), а также налипание железа на сплав, при испытании образца после термообработки и использования смазки налипание практически отсутствует, что указывает на усталостный характер износа сплава медь–железо после термообработки и использования смазки Это указывает о более низкой адгезии между контактирующими телами, и следствием из этого более низким трении. Что указывает на более высокую износостойкость инновационного сплава медь–железо 2,65 %.

В таблице 1 представлены сравнительные триботехнические свойства некоторых бронз и инновационного сплава медь–железо 2,65 %.

Таблица 1. Сравнительные антифрикционные свойства бронз и сплава медь–железо 2,65 %

Сплав

Сухое трение

Трение со смазкой

После ТО, смазка

Ктр

Отн. изн.

Ктр

Отн. изн.

Ктр

Отн. изн.

БрО5Ц5С5

0,14

 

0,047

4,5 Е-5

 

 

БрО10Ф1

0,32

 

0,052

3 Е-5

 

 

БрА9Ж4

0,19

 

0,055

2,5 Е-5

 

 

Cu–Fe 2,65 %

1,24

1,5 Е-7

0,69

1,87 Е-7

0,047

9 Е-10

Для сплава медь–железо 2,65 % при более высоком Ктр значения относительного износа на два порядка ниже, чем для традиционных бронз, которые применяются для изготовления деталей трения, работающих в парах трения со сталью таких, как компенсаторы и втулки высоконагруженных шестеренных насосов. Особенно высокая безизносность [3] отмечается у опытного сплава медь–железо 2,65 % после термообработки и примененя смазки (на четыре порядка).

Образцы сплава в процессе испытаний испытывают значительно меньший адгезионный износ [4], что позволяет значительно (в 2…4 раза) повысить эксплуатационный период изделий, испытывающих фрикционный износ, особенно в условиях трения со смазкой. Все это указывает на увеличение антифрикционного работоспособности сплава медь–железо 2,65 %, по сравнению с БрА9Ж4 или БрО10Ф, для которых коэффициенты трения [5] со сталью и смазкой приблизительно одного уровня.

Кроме того, в ходе исследований установлено, что химический анализ показал, что сплав претерпевает наименьшие изменения состава сплава в ходе испытаний, а образец сплава медь–железо 2,65 %, особенно после ТО и применения смазки, испытывает наименьшее налипание, что указывает об усталостном характере износа для инновационного сплава.

Литература
  1. ГОСТ 23.224–86. Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей. Москва, Стандартинформ, 2005.
  2. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин). Москва, Изд-во МСХА, 2002, 632 с.
  3. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безизноность). Москва, Изд-во МСХА, 2001, 616 с.
  4. Гаркунов Д.Н., Корник П.А. Виды трения и износа. Эксплуатационные повреждения деталей машин. Москва, Изд-во МСХА, 2003, 344 с.
  5. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника. Москва, КНОРУС, 2015, 408 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.