Диссертация (Разработка технологических основ нанесения алюмоматричного композиционного материала на сегмент упорного подшипника скольжения), страница 3

Всем этимтребованиям удовлетворяют подшипники скольжения, состоящие из несколькихразличных материалов: прочной стальной основы и антифрикционногопокрытия.Традиционно в качестве рабочего слоя подшипников скольжения паровыхтурбин, воспринимающего нагрузки и отвечающего за режим работы идолговечность, применяют баббитовое покрытие, основанием для которогоявляются как монометаллические колодки из низкоуглеродистой (н.у.) сталейили медных сплавов, так и биметаллические колодки системы н.у. сталь-бронза(Рисунок ).

Среди них биметаллические колодки обеспечивают лучшийтеплоотвод от зоны трения за счет хорошей теплопроводности бронзы инеразъемного соединения со сталью.Обычноконструкцияподшипникаскольженияпаровойтурбиныпредусматривает установку от 6 до 8 колодок, разделенных друг от другаканалами для подачи масла и удаления продуктов износа (Рисунок ) [11].14баРисунок 1.1.Схема биметаллической (а) и триметаллической (б) колодки подшипниковскольжения1 – баббит; 2 – стальное или медное основание; 3 – бронзаРисунок 1.2.Конструкция упорного подшипника скольжения в сбореСущественнымнедостаткомбаббитов,какматериаларабочегоантифрикционного слоя подшипника скольжения, является снижение всехпоказателей механической прочности при повышении температуры, наиболеекритичным из которых является сопротивление усталости [12].

Поэтому верхниепределы рабочих температур таких подшипников скольжения ограниченызначениями70..75ºС[13].Превышениеэтихтемпературприводиткподплавлению баббитового слоя и его частичному выкрашиванию, результатомчего является потеря работоспособности колодки. Причем подплавлениебаббитового слоя даже одной колодки вызывает лавинообразное разрушениеантифрикционных покрытий остальных колодок подшипника скольжения,осевой сдвиг ротора и останов турбины [3].

Кроме того, нельзя исключатьвероятность разрушения стального вала в результате воздействия расплава меди,образовавшегося при подплавлении подшипника (эффект Ребиндера). Другой15причиной разрушения антифрикционных покрытий является кавитационныйизнос, возникающий в результате коррозионной активности смазочныхматериалов по отношению к баббитам, содержащих в своем составе щелочныеметаллы [14].Кроме температурного и коррозионного факторов, повреждения упорныхподшипников скольжения, согласно обобщенной схеме функциональногоотказа, связаны с увеличением величины осевого усилия, являющимсяследствием нештатных режимов работы турбины, разнотолщинности колодокподшипника и перекоса при монтаже, а также ростом зазора между трущимисяповерхностями из-за износа и повреждения антифрикционного слоя (Рисунок1.1 1.3).

Наибольшие значения износа баббитового покрытия характерны длямоментов пуска и останова турбины из-за отсутствия сплошной прослойки масламежду трущимися валом и антифрикционным слоем.Рисунок 1.1.Схема развития функционального отказа подшипников скольжения [15]16Оценка повреждения упорных подшипников скольжения, проведеннаяавтором работы [3], показывает, что наибольшее число выходов из строя (61,5%)связано с увеличением осевого усилия (Рисунок 1.4Рисунок ).

Поэтомуповышениенесущейспособностиматериалаантифрикционногослояподшипников скольжения паровых турбин позволит значительно снизить долюотказов по этой причине.абРисунок 1.4.Повреждения упорных (опорно-упорных) подшипников [3]:а – признаки, наблюдаемые при повреждении упорных подшипников1 – увеличение осевого сдвига; 2 – повышение температуры баббитавкладышей; 3 – течь масла; 4 – нарушение нормального вибросостояния.б – распределение причин повреждений упорных подшипников:1 – увеличение осевого усилия; 2 – низкое качество масла; 3 – дефектыремонта; 4 – стесненное перемещение подшипника; 5 – прочееИсходя из всех приведенных выше особенностей антифрикционныхматериалов, применяемых в настоящее время в подшипниках скольженияпаровых турбин, вопрос их замены другими материалами является весьмаактуальным.171.2.

Антифрикционные материалы на основе алюминия для подшипниковскольжения паровых турбинВ многочисленных работах Миронова, Буше отмечено, что применениеалюминиевых антифрикционных сплавов в узлах трения имеет преимущества посравнению с баббитами и бронзовыми сплавами, в число которых входят [6,16]:- повышенная износостойкость и задиростойкость;- коррозионная стойкость;-отсутствиехрупкого разрушения валавследствие расплавленияантифрикционного слоя, поскольку алюминиевые сплавы не являютсяповерхностно-активными;- способность эффективно поглощать абразивные частицы.По сравнению с баббитами, алюминиевые антифрикционные сплавы такжеимеют более широкий диапазон рабочих температур, ограниченный верхнимзначением 120ºС, и большую несущую способность [17].

Необходимуюприрабатываемость и уменьшение значения коэффициента трения удаетсядостичьнанесениемнаповерхностьалюминиевогослоятонкогоприработочного покрытия на основе олова [18,19].Целесообразность применения алюминиевых сплавов вместо бронзовыхдоказана многолетним опытом эксплуатации на железнодорожном транспортесталеалюминиевых вкладышей, успешно заменивших сталебронзовые сгальваническим покрытием [20]. Однако для алюминиевых антифрикционныхсплавовхарактерновозникновениеповрежденийвпереходныхинеустановившихся режимах работы, особенно во время пуска-останова [21].Поэтомувозникаетнеобходимостьувеличениязадиростойкостииизносостойкости этих материалов.

Этого удается достичь за счет введения всоставалюминиевыхсплавоввысокомодульныхкерамическихчастиц.Разработанные за последнее время дисперсно-наполненные алюмоматричныеКМ обладают лучшим сочетанием трибологических свойств, что обуславливаетих применение взамен традиционных антифрикционных материалов [22,23].18Среди алюмоматричных дисперсно-наполненных материалов наибольшеепромышленное применение получили КМ системы Al-SiC, представляющиесобойметаллическуюалюминиевуюматрицу,наполненнуютвердымичастицами карбида кремния (Рисунок 1.5).Рисунок 1.5.Микроструктура алюмоматричного КМ армированного керамическимичастицами карбида кремнияЭтиматериалыобладаюткомплексомполезныхфизическихитехнологических свойств, имеют коэффициент трения на уровне традиционныхантифрикционных сплавов, в сочетании с большей, в 8-10 раз, износостойкостью[7,8,22–26] (Рисунок 1.6).

Причем трибологические характеристики КМ можновыбирать за счет сочетания состава матрицы, размера и содержания дисперсныхчастиц SiC [22].Рисунок 1.6.Сравнение износостойкости алюмоматричного КМ и традиционныхантифрикционных материалов [8]19Применение таких КМ в качестве покрытий на колодках подшипниковскольжения паровых турбин целесообразно с точки зрения увеличениянагрузочной способности подшипника, продления ресурса его работы за счетувеличения износостойкости и уменьшения вероятности поломки в случаенештатных ситуаций.На сегодняшний день известны работы по получению композиционныхпокрытий системы Al-SiC процессами дуговой наплавки [27,28], плазменногонапыления [29,30], лазерного оплавления композиционных порошковых смесей[31] или наплавки трением [32].

Однако, все эти способы опробованы только длянанесения на алюминиевую подложку.Среди них наибольшим потенциалом для промышленного внедренияобладают процессы дуговой наплавки. Согласно результатам исследованийвлияния способа нанесения покрытий из КМ системы Al-SiC на трибологическиесвойства, процессы дуговой наплавки позволяют получить покрытия снаибольшим уровнем износостойкости в результате сфероидизации частиц идиспергирования структуры матрицы (Рисунок 1.7) [33].Рисунок 1.7.Зависимость интенсивности изнашивания (Im) от удельной нагрузки дляобразцов из антифрикционного сплава литых КМ и покрытий из КМ,полученных различными способами [33]20Результаты испытаний на сухое трение скольжения литых образцов КМсистемы Al-SiC на основе сплавов АК12 (10-13% Si, <0,6% Cu, <0,5% Mn, <0,1%Mg, <0,3% Zn, <0,7% Fe, <0,1% Ni, < 0,1% Ti, Al – остальное, ГОСТ 1583-93) ислоев, полученных процессом аргонодуговой наплавки на поверхность пластиныиз алюминиевого сплава АМг3 (<0,5% Fe, 0,5 – 0,8% Si, 0,3 – 0,6% Mn, <0,05%Cr, <0,1% Ti.

<0,1% Cu, 3,2 – 3,8% Mg, <0,2% Zn, Al – остальное, ГОСТ 4784-97)присадками близкими к этим КМ по составу и сравнение их с антифрикционнымсплавом АОМ20-1 (<0,5% Fe, <0,5% Si, 0,02 – 0,2% Ti, 0,7–1,2% Cu, <0,25% Zn,17–23% Sn, Al – остальное, ГОСТ 14113-78), широко применяемым в технике,показали существенно меньшие значения интенсивности и коэффициентаизнашивания. Кроме того, при удельных нагрузках более 0,44 МПаантифрикционный сплав АОМ 20-1 переходит в задир, в то время как КМсохраняют свою работоспособность и при больших удельных нагрузках(Рисунок 1.8) [25].Рисунок 1.8.Зависимость интенсивности изнашивания (Iv) и коэффициента изнашивания (K)от удельной нагрузки для образцов из антифрикционного сплава, литых КМ инаплавленных КМ слоевлитой АОМ 20-1 (* - задир);литой АК12+10%SiC(40);наплавленный слой АК12+10%SiC(40)21При этом авторы отмечают, что наплавленные композиционные слои имеютинтенсивность изнашивания Iv и коэффициент изнашивания K на уровне и дажениже литых КМ близкого состава, что может быть обусловлено возрастаниемдисперсности структуры и ростом прочности матрицы в наплавленных слоях.При малых осевых нагрузках коэффициенты трения наплавленныхкомпозиционных слоев незначительно отличаются от таковых литых КМблизкого состава.

При больших нагрузках (0,57 и 0,68 МПа) коэффициентытрения наплавленных композиционных слоев становятся одинаковыми, чтоможет быть связано с формированием устойчивого переходного слоя, или«третьего тела», близкого по составу и дисперсности (Рисунок 1.9) [22].Рисунок 1.9.Зависимость нормализованного коэффициента трения (f/fисх.) от удельнойнагрузки, где fисх.