Нанотехнологии. Правда и вымысел

ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной массой.

При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли пластичных металлов, например дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот.

Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности формируются защитные слои из хлоридов железа. Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.

При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. Согласно металлографическим и спектральным исследованиям, структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО состоит из четырех основных характерных зон: композиционного (медь, цинк, олово) антифрикционного покрытия, переходной диффузионной зоны, деформированной (наклепанная) зоны и основного конструкционного материала.

В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и триботехническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для «эффекта безызносности». Сервовитная пленка содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов.

Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления (рис. 66), полуавтоматы, автоматы и станки.

Рис. 66. Нанесение покрытия методом фрикционного латунирования на токарном станке

Рассмотрим режим фрикционной обработки детали прутковым инструментом: окружная скорость поверхности детали — 0,15-0,3 м/с; давление прижатия прутка — 10–50 МПа; продольная подача прутка — 0,1–0,2 мм/об; число рабочих ходов — 1–2.

Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в 3 раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала — вкладыш» в период приработки.

При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев.

Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в пять раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах.

По результатам стендовых испытаний двигателей СМД-62 (мощностью 180 КВт) с гильзами цилиндров и шейками коленчатого вала, обработанными методом ФАБО, получены следующие результаты:

• эффективная мощность возрастает на 8-12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшения качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма;

• давление масла в главной магистрали двигателя при номинальной частоте коленчатого вала повышается на 25–30 %, что указывает на более качественную приработку вкладышей коленчатого вала;

• износ деталей соединения снижается, в среднем, в два раза.

В ходе эксплуатационных испытаний двигателей, детали которых (гильзы цилиндров, коренные и шатунные шейки коленчатых валов) были обработаны с помощью ФАБО, получены следующие результаты:

• снижение средней интенсивности падения давления масла в главной магистрали дизелей на номинальной частоте вращения коленчатого вала в зависимости от наработки на 12,5 %;

• уменьшение содержания продуктов износа (железа) в пробах масла из картеров двигателей на 34,7 %;

• снижение расхода топлива на 5-10 %, что обеспечивает экономию 0,85-2,6 т топлива в год на один двигатель;

• уменьшение расхода моторного масла в 1,7 раза;

• увеличение межремонтного ресурса в 1,23 раза.

В перспективе возможность нанесения нанопокрытий методом ФАБО на стальные и чугунные детали позволит осуществить полную замену деталей из цветных сплавов.