Патент на изобретение №2213167

(54) ИЗНОСОСТОЙКОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к износостойким покрытиям и может найти применение для повышения срока службы деталей машин, приборов, инструмента. Износостойкое композиционное покрытие состоит из основного металла с равномерно распределенными в нем частицами дисперсной фазы с повышенной относительно основного металла износостойкостью. Размер и объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии определяются по формулам , где d_f – средний диаметр частиц дисперсной фазы, r – приведенный радиус микронеровностей контактирующих поверхностей, K – коэффициент, и – характеристики шероховатости, K_W – объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии, – упругая постоянная металла сопрягаемой поверхности, P_a – номинальное давление, Р_с – контурное давление, P_r – фактическое давление. Изобретение позволяет значительно снизить содержание дисперсной фазы в покрытии при обеспечении его высокой износостойкости, что ведет к повышению экономичности при изготовлении износостойких композиционных покрытий. 1 ил.

Изобретение относится к износостойким покрытиям и может найти применение для повышения срока службы деталей машин, приборов, инструмента.

Известно композиционное электрохимическое покрытие, состоящее из основного металла и равномерно распределенных в нем частиц дисперсной фазы с повышенной относительно основного металла износостойкостью (см. Композиционные покрытия и материалы, М.: Химия, 1977 г., стр.95-97). Принято за прототип.

Недостатком этого покрытия является то, что размер и содержание в нем частиц дисперсной фазы не связаны с характеристиками контакта трущихся поверхностей, что приводит к неоправданно большому расходу дисперсной фазы.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение затрат на изготовление износостойких композиционных покрытий.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении расхода дисперсной фазы при образовании композиционного покрытия при обеспечении его высокой износостойкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в износостойком композиционном покрытии, состоящем из основного металла и равномерно распределенных в нем частиц дисперсной фазы с повышенной относительно основного металла износостойкостью, новым является то, что размер и объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии связаны с характеристиками контакта трущихся поверхностей и определяются по формулам


где d_f – средний диаметр частиц дисперсной фазы;
r – приведенный радиус микронеровностей контактирующих поверхностей;
K – коэффициент;
и – характеристики шероховатости;
K_W – объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии;
– упругая постоянная металла сопрягаемой поверхности;
Р_а – номинальное давление;
Р_с – контурное давление;
Р_r – фактическое давление.

Связь между размером и объемным содержанием частиц в покрытии с характеристиками контакта получена исходя из следующего.

Основной металл покрытия быстро изнашивается, обнажая поверхности частиц, поэтому контакт между трущимися поверхностями происходит по поверхности частиц дисперсной фазы. Согласно установившимся в трибологии представлениям в зоне контакта трущихся поверхностей различают номинальное, контурное, фактическое давления, связь которых между собой и с характеристиками контакта выражена для случая упругого контакта следующими выражениями:


где Р_а – номинальное давление;
Е – модуль упругости;
Н_в, R_в – параметры волнистости поверхности;
, – характеристики, зависящие от параметров шероховатости контактирующих поверхностей.

Между номинальным давлением, номинальной площадью контакта, фактическим давлением, фактической площадью контакта существует соотношение
(3)
где А_а – номинальная площадь контакта;
А_r – фактическая площадь контакта.

Фактическую площадь контакта можно представит в виде суммы отдельных пятен контакта, каждое из которых имеет площадь

тогда

где d_r – средний диаметр пятна контакта;
n_f – число частиц, участвующих в контакте.

Средний диаметр пятна контакта, определенный (2) для условий упругого контакта, может быть выражен зависимостью

где r – средний радиус микронеровностей;
K – коэффициент;
– упругая постоянная материала.

В большинстве случаев частицы дисперсной фазы имеют форму, близкую к сферической. В этом случае диаметр частиц дисперсной фазы определяется из условия
d_f = 2d_r, (7)
так как распределение диаметров пятен контакта при равномерном распределении частиц подчиняется закону равной вероятности.

Следовательно, размер частиц дисперсной фазы, обеспечивающий условие упругого контакта трущихся поверхностей, связан с характеристиками контакта соотношением

Соотношение между объемным содержанием частиц, участвующих в контакте, и соответствующим объемным содержанием частиц дисперсной фазы получим исходя из следующего.

Объем, занимаемый частицами в покрытии, определяется

где n_W – число частиц в покрытии.

Линейное (K_L), поверхностное (K_f) и объемное (K_W) содержание частиц в покрытии можно выразить в виде



где n_L, n_f, n_W – число частиц на расстоянии L, на площади поверхности А_а и в объеме А_аS соответственно;
S – толщина покрытия.

Приняв

получим выражения
K_L = n’_L d_f, (13)
K_f = n’_f d² _f, (14)
K_W = n’_W d³ _f, (15)
где n’_L, n’_f, n’_W – соответственно удельные линейная, поверхностная и объемная концентрация частиц дисперсной фазы.

При равномерном распределении частиц в покрытии справедливы соотношения
n’_L = n, n’_f = n², n’_W = n³. (16)
Тогда зависимость между объемной и поверхностной концентрациями частиц можно записать в виде

Отношение фактической площади контакта к номинальной с учетом выражений (5), (7), (11) можно записать в виде

Тогда выражение (17) с учетом соотношений (3) и (18) примет вид

Таким образом, определяя объемное содержание частиц дисперсной фазы посредством решения уравнения (19), а их размер посредством решения уравнения (8), обеспечивают условие упругого контакта при заданных характеристиках контакта трущихся поверхностей, тем самым повышается износостойкость покрытия.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение обладает “новизной” и “изобретательским уровнем”.

Применение предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим примером. На гильзу цилиндра мокика “Пилот” наносится покрытие, состоящее из основного металла – никеля и дисперсной фазы – частиц карбида кремния. Гильза работает в контакте с чугунным кольцом. Заданы характеристики контакта: Р_а = 0,56 кгс/см²; = 4,5510^-5 мм²/кгс; Е = 20000 кгс/мм²; K = 0,665; r = 1000 мкм; = 1,58410^-4; = 1,5; Н_в = 0,1 мкм; R_в = 40000 мкм. В этом случае упругий контакт обеспечивается при диаметре частиц карбида кремния d_f = 19,87 мкм и объемном содержании частиц карбида кремния K_W = 9,6110^-3 или 0,9%.

Исследования износостойкости гальванических осажденных композиционных покрытий на основе никеля с порошком карбида кремния марки М 20 (диаметр частиц в котором 19,87 мкм), проведенные на специальном стенде с возвратно-поступательным движением образцов, показали, что износостойкость покрытия, содержащего 0,9% карбида кремния, практически равна износостойкости покрытий с содержанием карбида кремния 10% (рекомендованном в источнике, принятом за прототип).

На чертеже: кривая 1 характеризует износ покрытия с содержанием карбида кремния 0,9%, изготовленного по предлагаемому изобретению; кривая 2 характеризует износ покрытия с содержанием карбида кремния 10%, изготовленного по прототипу.

Полученные результаты показывают, что использование предлагаемого изобретения позволяет значительно снизить содержание дисперсной фазы в покрытии при обеспечении высокой износостойкости, что ведет к повышению экономичности при изготовлении износостойких композиционных покрытий.

Формула изобретения

Износостойкое композиционное покрытие, состоящее из основного металла с равномерно распределенными в нем частицами дисперсной фазы с повышенной относительно основного металла износостойкостью, отличающееся тем, что размер и объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии определяются по формулам


где d_f – средний диаметр частиц дисперсной фазы;
r – приведенный радиус микронеровностей контактирующих поверхностей;
K – коэффициент;
и – характеристики шероховатости;
K_W – объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии;
– упругая постоянная металла сопрягаемой поверхности;
P_a – номинальное давление;
Р_c – контурное давление;
P_r – фактическое давление.

РИСУНКИ