износостойкое композиционное покрытие
Классы МПК: | C25D15/00 Покрытия с включенными в них материалами, например частицами, спиральными пружинами, проволокой, получаемые электролитическим способом или способом электрофореза |
Автор(ы): | Великолуг А.М., Зяблицев В.В., Зяблицева О.В. |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Завод им. В.А. Дегтярёва" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-03-26 публикация патента:
27.09.2003 |
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 df - средний диаметр частиц дисперсной фазы, r - приведенный радиус микронеровностей контактирующих поверхностей, K - коэффициент, и - характеристики шероховатости, KW - объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии, - упругая постоянная металла сопрягаемой поверхности, Pa - номинальное давление, Рс - контурное давление, Pr - 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.
Рисунок 1
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 формуламгде df - средний диаметр частиц дисперсной фазы;
r - приведенный радиус микронеровностей контактирующих поверхностей;
K - коэффициент;
и - характеристики шероховатости;
KW - объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии;
- упругая постоянная металла сопрягаемой поверхности;
Pa - номинальное давление;
Рc - контурное давление;
Pr - фактическое давление.
Описание изобретения к патенту
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 формуламгде df - средний диаметр частиц дисперсной фазы;
r - приведенный радиус микронеровностей контактирующих поверхностей;
K - коэффициент;
и - характеристики шероховатости;
KW - объемное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии;
- упругая постоянная металла сопрягаемой поверхности;
Ра - номинальное давление;
Рс - контурное давление;
Рr - 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 Ра - номинальное давление;
Е - модуль упругости;
Нв, Rв - 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 Аа - номинальная площадь контакта;
Аr - фактическая площадь контакта. Фактическую площадь контакта можно представит в виде суммы отдельных пятен контакта, каждое из которых имеет площадь
тогда
где dr - средний диаметр пятна контакта;
nf - 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
df = 2dr, (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 nW - число частиц в покрытии. Линейное (KL), поверхностное (Kf) и объемное (KW) содержание частиц в покрытии можно выразить в виде
где nL, nf, nW - число частиц на расстоянии L, на площади поверхности Аа и в объеме АаS соответственно;
S - толщина покрытия. Приняв
получим выражения
KL = n"L df, (13)
Kf = n"f d2 f, (14)
KW = 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: Ра = 0,56 кгс/см2; = 4,5510-5 мм2/кгс; Е = 20000 кгс/мм2; K = 0,665; r = 1000 мкм; = 1,58410-4; = 1,5; Нв = 0,1 мкм; Rв = 40000 мкм. В этом случае упругий контакт обеспечивается при диаметре частиц карбида кремния df = 19,87 мкм и объемном содержании частиц карбида кремния KW = 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.
Класс C25D15/00 Покрытия с включенными в них материалами, например частицами, спиральными пружинами, проволокой, получаемые электролитическим способом или способом электрофореза