Российские ученые предложили технологию снижения трения и износа оборудования

10:00, 29 декабря 2023

Технология увеличила стойкость подшипников и превзошла японские аналоги

Стальные валы после испытаний на трение. Слева — после испытаний со смазкой, справа — без смазки. Фото: Scientific Reports.

Ученые Удмуртского госуниверситета, институтов Уральского отделения РАН, Удмуртского государственного аграрного и Уральского федерального университетов представили технологию снижения трения и износа в подшипниках скольжения. Подшипники работают в тандеме со стальными валами и используются в машинах для уменьшения трения и износа движущихся деталей. Они широко используются, к примеру, в автомобильной промышленности (шатунах, двигателях), в авиации (системах управления шасси, в топливных насосах и авиадвигателях), а также в электродвигателях и генераторах. Использование подшипников скольжения распространено в таких сферах, как гидроэнергетика, судостроение, электронная промышленность, бытовая техника. Статья об исследованиях и их прорывных результатах опубликована в одном из крупнейших научных журналов мира Scientific Reports. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-20012).

В научной работе ученые использовали подшипники скольжения, валы и втулки которых изготовлены из стали и бронзы. Задачей ученых было продемонстрировать постоянную эффективность муфты подшипника при работе без смазки. Стальные валы в подшипниках в местах контакта с бронзовыми втулками были легированы оксидом висмута различных концентраций. По мнению авторов, висмут — один из лучших кандидатов для образования пленки между бронзой (сплавом на основе меди) и сталью (сплавом на основе железа). В то же время висмут отличается полной несмешиваемостью как с железом, так и с медью, даже в жидком состоянии. Учитывая эту особенность, чтобы ввести висмут в поверхностные слои стальных валов, исследователи применили технологию высокоэнергетической короткоимпульсной лазерной наплавки.

«Основная особенность высокоскоростного лазерного сплавления (ВЛС) заключается в использовании высокодисперсных порошков и лазеров с длительностью импульсов в десятки наносекунд или миллисекунды. В результате высокоскоростного нагрева лазером поверхности материала достигается температура до 3500 ^оС и выше. Последующее интенсивное охлаждение приводит к высокоскоростному затвердеванию металлических сплавов и различных керамик с образованием сильнонеравновесных состояний, пересыщенных твердых растворов. Так ранее был впервые получен твердый раствор железа и меди. Эта же технология обеспечила прочное сцепление наноразмерных частиц висмута с железом. Оксид марганца в качестве катализатора облегчает внедрение оксида висмута в поверхностные слои стали. После лазерной обработки шероховатость поверхности была уменьшена путем алмазной притирки. Обе операции заняли в совокупности меньше 10 минут», — описывает Евгений Харанжевский, профессор кафедры общей физики УдГУ, руководитель научной группы в Ижевске, предложивший технологию ВЛС, соавтор статьи.

Ученые определили влияние пяти различных составов покрытий с оксидом висмута на коэффициент трения и износ стального диска в условиях трения скольжения без смазки по бронзе при высоких нагрузках и скоростях. Модифицированная висмутом сталь продемонстрировала превосходную устойчивость к трению и износу, сохраняя работоспособность после 200 км линейного скольжения при удельной нагрузке 12,5 мегапаскаль (порядка 127,5 кг на см²) и скорости скольжения 9 м/с. При этом коэффициент сухого трения скольжения снижался вплоть до 0,03. Отсутствие смазки имитировало суровые условия значительной нехватки масла, что часто встречается в работе оборудования во время аварийных ситуаций.

«Эффективность нашего метода мы проверили в ходе испытаний на модифицированных (легированных висмутом) стальных валах, которыми был оснащен турбокомпрессор двигателя внутреннего сгорания. Для проведения испытаний мы разработали лабораторный стенд, на котором можно полностью смоделировать условия работы подшипникового узла турбокомпрессора. После испытаний турбокомпрессор, который вращался со скоростью 75 тыс. оборотов в минуту, был разобран для осмотра», — добавляет Алексей Ипатов, доцент кафедры эксплуатации и ремонта машин УдГАУ, участник исследований и соавтор статьи.

Пятьсот циклов испытаний без смазки подтвердили сверхнизкий коэффициент трения и возможность длительной работы без смазки стальных валов, легированных висмутом. Тщательный анализ по результатам испытаний показал абсолютное отсутствие каких-либо повреждений вала из стали, легированной висмутом. После испытаний турбокомпрессор остался в работоспособном состоянии.

«В то же время немодифицированный турбокомпрессор японского производства выдерживает всего пять циклов испытаний, даже с применением граничной смазки. Таким образом, можно сделать вывод, что легирование висмутом обеспечивает выдающиеся антифрикционные свойства и долговременную надежность при скольжении на высоких скоростях (75 тыс. оборотов в минуту) без смазок любых видов (жидких, твердых) за счет уменьшения адгезии при взаимодействии, в данном случае, с медью. Причем в разнообразных ситуациях — например, при высоких скоростях вращения и больших нагрузках, при экстремально низких или высоких температурах, при невозможности сохранить необходимую толщину смазочного слоя. Преимущества технологии ВЛС позволяют повторять бесконечное количество циклов вращений вала под нагрузкой, не вызывая усталостного разрушения материала или его значительных потерь из-за износа», — подчеркивает Алексей Макаров, заведующий отделом материаловедения ИФМ УрО РАН, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, профессор кафедры литейного производства и упрочняющих технологий УрФУ, руководитель научной группы.

Предложенная технология нанесения сверхтвердых керамических покрытий, основанная на новых научных принципах, методах и подходах, обеспечивает прорывной результат в виде многоразового улучшения свойств материалов. Так, период стойкости инструмента (стальных вальцов) для горячей обработки давлением металлических и керамических материалов для электронной промышленности увеличивается от нескольких дней до нескольких месяцев.

По мнению авторов, такие свойства, а также простота, экономичность и надежность разработанного метода модификации подшипников могут обеспечить значительное продление сроков службы оборудования в различных областях массового машиностроительного производства, включая аэрокосмическую, автомобильную и энергетическую отрасли. Испытания на реальном оборудовании показали, что при нанесении сверхтвердого керамического покрытия термостойкость детали клапана двигателя внутреннего сгорания сохраняется до температуры 1000 ^оС, сопротивление окислительному и абразивному изнашиванию увеличивается на 480 %, а срок службы деталей — в 10 раз. Ресурс вала гидромотора при применении технологии ВЛС вырос на 30 %, стойкость пуансонов для изготовления полимерных трубопроводов — в 100 раз, а производительность процесса — почти наполовину.

На основе революционных подходов ученых из университетов и институтов УрО РАН из Ижевска и Екатеринбурга разработана целая серия уникальных керамических покрытий — с использованием карбидов и нитридов бора, нитридов и боридов циркония, разнообразных оксидов. Описываемая в статье технология с применением оксида висмута — один из вариантов.

«Эффект низкого трения у сверхтвердых керамических покрытий часто реализуется при повышенных температурах. Но, модифицируя состав порошковой смеси, которая переплавляется короткоимпульсным лазером, применяя, к примеру, соединения лития, можно добиться положительных результатов и при комнатной температуре», — считают ученые.

Справка

Смазка принципиально важна для работы подшипников скольжения. Недостаточная смазка способна спровоцировать значительный износ деталей, вплоть до их истирания и необратимых повреждений, и в конечном счете привести к заеданию взаимодействующих поверхностей. В движущихся механических компонентах макромасштабное трение и износ являются основными источниками рассеяния энергии и существенно сокращают срок службы машин и механизмов. Поэтому, к примеру, в автомобилях треть топлива, по оценкам, расходуется только на преодоление трения.

В то же время из-за зависимости от смазки использование подшипников затруднено в условиях динамической нагрузки, а также при повышенных или пониженных температурах. А преодоление трения значительно увеличивает потребление энергии и выбросы углекислого газа. Необходимость смазки является основным недостатком подшипников скольжения.

Александр Задорожный