Спосіб виготовлення елемента високонавантаженої пари тертя

Винахід відноситься до підйомно-транспортного машинобудування, зокрема до підйомних посудин у вертикальних і похилих стволах гірничих підприємств і може бути використаний при виготовленні елемента пари тертя - направляючих пристроїв ковзання (цільних, рознімних чи їхні х змінних вкладишів) клітей і скіпів, що рухаються по рейковим чи коробчатим провідниках, при виготовленні змінних циліндричних утулок пристрою ковзання підйомних посудин, що р ухаються по канатних провідниках, а також направляючих підтримуючих пристроїв для підйомних канатів у похилих ша хтних стволах, і для башмаків кабіни ліфта. Може знайти також застосування у вузлах тертя машин і механізмів кріогенної техніки, глибокого вакууму. Відомі способи виготовлення з різних матеріалів елементу високонавантаженої пари тертя, наприклад, направляючих пристроїв ковзання шахтни х підйомних посудин і противаг, що експлуатуються в агресивному середовищі шахтного ствола. Ці елементи виготовляють литтям у виді цільного корпуса нероз'ємної конструкції у виді корпуса або зі змінними вкладишами - у рознімних конструкціях. Ці елементи застосовуються у високонавантажувальній кінематичній парі тертя “провідник-направляючий пристрій ковзання” при великих швидкостях, питомих тисках і динамічних навантаженнях. Виготовляють також литтям змінні циліндричні втулки муфт підйомних посудин для високонавантаженої пари тертя “направляючий пристрій ковзання - канатний провідник”) /1/. Ці елементи пари тертя виготовляють сталевими або литтям антифрикційного чавуна марок ВУ10, ВУ-11, ИЧХ14М2Н . В полосах свердлять отвори , в які вставляють пробки із антифрикційного матеріалу типу ВИЛАН-9. /2/. Недоліком способу є те, що при наявності виготовленого таким способом пристрою при роботі шахтного підйому в екстремальних умовах (великі швидкості й навантаження) - спостерігається інтенсивний процес зносу і прогресуюча кінетика поверхневого руйнування елемента пари тертя - як направляючого провідника так і направляючого пристрою. При цьому мають місце різні види зношування - механічний, молекулярно-механічний і корозійно-механічний. Твердість матеріалу, із якого виготовляють найбільш зношувальний елемент пари тертя, є менше твердості направляючого провідника - рейки. Тому що при русі підйомної посудини, при порушенні центрування скіпа або кліті і т.п. має місце локальне нагрівання в ділянках контакту, відбувається відпущення чавуна і відповідно твердість направляючого пристрою знижується.. Унаслідок відсутності мастильного ефекту між їх контактними поверхнями тіл коефіцієнт тертя в місці контакту високий, тому в процесі експлуатації з'являються подряпини, сліди різання, утомливі тріщини. Твердість використованого чавуна складає 170...241НВ. Термін служби такого пристрою - від декількох днів до 23-х тижнів, що з умовлює значні матеріальні і трудові витрати. Такий спосіб виготовлення неефективний, він має обмежену область застосування. Більш близьким до запропонованого технічного рішення є спосіб виготовлення направляючих пристроїв ковзання (найбільш зношувальних елемента високонавантажної пари тертя) підйомних посудин і противаг із сталі. При цьому способі на тертьовій поверхні елемента спочатку рівномірно наплавляють (перпендикулярно подовжньої осі) зносостійкі гребені, а потім зазори між наплавленими гребенями заповнюють водостійким антифрикційним компаундом. Твердість гребенів, наплавлених релітовими чи стелітовими електродами, складає 45 НRСэ і коефіцієнт тертя - 0,02. Структура наплавленого металу - а устенітно-мартенситна з карбідами /3/. Недоліком є те, що виготовлений таким способом направляючий башмак відкритої конструкції або його змінні вкладиші все-таки зношують контактуючі з ним поверхні інших елемента пари тертя - направляючі провідники, тому що його зносостійкі гребені не мають властивостей, що самозмазують. Знос обумовлює обмежений термін служби - пристрій служить тільки до трьох місяців, а втулка на канатних провідниках у ша хтному стволі - усього 1 місяць. Інтенсивно зношуються як пристрій із гребенями, так і направляючі провідники цієї пари тертя - рейкові, коробчаті та канатні. Такий спосіб виготовлення має обмежений діапазон застосування - направляючі башмаки ковзання напівзакритої конструкції виготовити відповідно до цього способу так неможливо. Перспективним є використання модифікованих чавунів із пластівчастим і глабулірованим графітом для розглянути х задач. Відомо також, що конкретні температурно-тимчасові режими термообробки для елемента із сірого чавуну, підданих механічним впливам в агресивному середовищі з динамічним ударно-вібраційним зносом, приведені й обґрунтовані в /4/. За заявкою, що заявляється згідно в винаходу №2002054071, для одержання підвищених міцностних і експлуатаційних характеристик елемента із сірого чавуна їх піддають хіміко-термічній обробці в закритих муфелях у середовищі порошкового феросиліцію при температурі 900-1050 градусів С, із наступним загартуванням і відпущенням при температурі 150-200 градусів С. Такий метод хіміко-термічної обробки поверхні сталей, названий ще методом дифузійної металізації, приведений у книзі Ю.М. Лахтина “Металловедение и термическая обработка металов”. - М.: Ме таллургия, 1969, с.290-297; 298-304, у сполученні з насиченням робочої поверхні виробу карбідами бора дозволяє одержувати високу твердість елемента і підвищену пористість контактуючи х поверхонь. Подібний хіміко-термічний процес обробки здійснюється, зокрема, у герметично закритих муфелях. При операції силиціровання - насичення поверхні стали (чавуна) кремнієм, досягається висока корозійна стійкість у морській воді, кислотах і поліпшуються протизношувальні властивості. Відмінною рисою силицированного шару є його підвищена пористість. Незважаючи на відносно невисоку твердість (200-300НВ) силицірований шар має підвищену зносостійкість після його просочення маслом при 170200С. Тому для досягнення ще більш високої твердості поверхні деталей зазначена дифузійна металізація застосовується в сполученні з методом борирування. Недоліком способу, описаного в прототипі, є недостатньо високі експлуатаційні і трибологічні властивості контактних поверхонь елемента високонавантаженої пари тертя “пристрій - елемент тертя”, тому що самозмазування контактних поверхонь здійснюється недостатньо ефективно. В основу винаходу поставлена задача: в способі виготовлення елементу пари високо навантаженої пари тертя на контактній поверхні елемента нарізають спіральну трапецеїдальну канавку, а після хіміко-термічної обробки прохолоджують об'єкт, промивають у розчині соляної кислоти, проводять нейтралізацію в лужному розчині, покривають компаундом на основі смоли з дисульфідом молібдену і вміщують у герметичний контейнер, піддають гідравлічному тиску протягом 2,5-3ч, знежирюють поверхню спіральної канавки та замонолічують її антифрикційним компаундом на основі поліуретанової чи епоксидної смоли з антифрикційним наповнювачем. Поставлена задача досягається тим, що елемент пари тертя, що найбільше зношується інтенсивно, виготовляють литтям із переважно феритно-перлітного чавуна, на тертьовій поверхні по всій довжині нарізають спіральну трапецеїдальну канавку. Потім проводять термообробку ливарного чавуна, що включає віджимання для зняття внутрішні х напружень і розкладання надлишкових карбідів (вторинного й евтектичного), зм'якшення графіту (для поліпшення обробки), механічну обробку їх і сумішшю герметизирований муфель, нагрівання до заданої температури з витримкою протягом необхідного часу. При цьому як порошкову суміш використовують механічну суміш 50:23:25 феросиліцію, корунду і карбіду бора, проводять загартування деталей прогрівом їхній разом з піччю з температури 450¸500°С до температури 900¸920°С с витримкою при цій температурі від 8 до 64 годин, після розгерметизації муфеля й витягнення деталей проводять загартування їх без попереднього підстуживання, спочатку опускаючи їх короткочасно в підігріту до 75¸80°С воду. Потім вміщують у нагріте до 140¸160°С масло з витримкою від 20 до 30 хвилин у залежності від габаритів і маси елемента, а відпустку проводять при 150¸200°С протягом 2¸3ч. Потім елемент промивають у слабкому розчині соляної кислоти, нейтралізують у лужному розчині і, відповідно до винаходу, покриваються ще незатверділим компаундом на основі поліуретанової чи епоксидної смоли з уведеним дисульфідом чи молібдену поміщають у герметичний контейнер із вищевказаним компаундом, у якому вони піддаються гідравлічному тиску протягом 2,5-3 годин при впливі гідравлічного тиску пори як усередині трапецеїдальних канавок, так і по робочих поверхонь елемента насичуються компаундом із дисульфідом молібдену, що проникає всередину масиву корпуса деталі. Після впровадження в пори елемента антифрикційного компаунда під тиском протягом 2,5-3,0 годин деталь протирають і спіральні трапецеїдальні канавки по його тертьовій поверхні, сформовані перед хіміко-термічною обробкою й загартуванням, замонолічують компаундом на основі поліуретанової або епоксидної смоли з уведеним наповнювачем - дисульфідом молібдену. Загальними ознаками прототипу й варіанта винаходу, що заявляється, є: - лиття з чавуна елемента пари тертя; здійснення віджигання для зняття в ньому внутрішні х напружень; - механічна обробка елемента з припуском; - хіміко-термічна обробка чавуна елемента за допомогою вміщення в герметичний муфель, обмазаний шамотною глиною на рідкому склі, заповнений спеціальним карбюризатором у виді порошкової суміші; - нагрівання виробу до заданої температури й витримка протягом заданого часу. В основу винаходу поставлена задача удосконалення експлуатаційних характеристик, таких як зносостійкість, антифрикційні властивості, що самозмазують, а також властивості елемента високонавантаженої пари тертя. Поставлена задача досягається тим, що в способі термообробки ливарного чавуна, переважно феритноперлітного, що включає лиття елемента, віджигання для зняття внутрішніх напружень, механічну обробку їх із припуском, хіміко-термічну обробку шляхом вміщення їх у заповнений порошковою сумішшю герметизирований муфель, нагрів до заданої температури з витримкою протягом необхідного часу, де як порошкову суміш використовують механічну суміш 50:25:25 феросиліцію, корунду і карбіду бора, проводять загартування деталей прогрівом їхній разом із піччю з температури 450...500°С до температури 900...920°С з витримкою при цій температурі від 8 до 64 годин, після розгерметизації муфеля та витягу елемента проводять загартування їхній без попереднього підстуживання, спочатку відпускають їхній короткочасно в підігріту до 75...80°С воду, а потім у нагріте до 140...160°С масло з витримкою від 20 до 30 хвилин у залежності від габаритів і маси деталі, а відпустку проводять при 150...200°С протягом 2...3 годин, після чого деталь проварюють у масляній ванні при температурі масла 80...120°С протягом не менш 18 годин. Потім елемент промивають у слабкому розчині соляної кислоти, нейтралізують у лужному розчині і, відповідно до винаходу, покривають компаундним складом із дисульфідом молібдену і перешкодять у герметичний контейнер, у якому він піддається гідравлічному тиску протягом 2,5-3 годин. При впливі на деталі розчину соляної кислоти пори, які виникли при силицированні, очищаються від нагару й обвуглілих умістних часток масло. Зануренням деталей у герметичний контейнер із компаундом і впливом гідравлічного тиску пори, як усередині канавок, так і по робочих полях насичуються дисульфідом молібдену, що проникає всередину масиву деталі. Після впровадження в пори компаунда під тиском протягом 2,5-3,0 годин, деталі протираються й у гвинтові канавки, сформовані перед хіміко-термічною обробкою й загартуванням, замонолічують антифрикційним компаундом на основі поліуретанової або епоксидної смоли з уведеним дисульфідом молібдену. Така технологія дозволяє одержувати високоміцні, зносостійкі і стійкі до динамічних впливів самозмазувальні елементи й деталі, що працюють у складних умовах контактного навантаження. Спосіб реалізують так. Приклад 1. Виготовляють із чавуна циліндричні втулки для направляючого пристрою ковзання підйомної посудини, що рухається по канатних провідниках у ша хтному стволі (фіг.1). Потім нарізають на поверхні тертя по всій довжині чавунних втулок спіральну трапецеїдальну нарізку. Спіральні трапецеїдальні канавки заповнюють антифрикційним самозмазувальним компаундом на основі поліуретанових або епоксидних смол із додаванням графіту, дисульфіду молібдену, диселенідов металів, йодидів металів і ін. та волокнистих наповнювачів - скляних і вугільних волокон, слюди. Для зниження горючості в антифрикційний склад уводять антипірени. Глибина трапецеїдальний нарізки встановлена з умови забезпечення ефекту самозмазування втулки від початку експлуатації до її заміни. Для нових канатних провідників і рівномірного зносу обох половинок втулок направляючого пристрою глибина кожної нарізки повинна бути не менш 7,5мм. При зворотно - поступальних переміщеннях підйомної посудини в ша хтному стволі робочі поверхні втулки направляючого пристрою контактують із робочими поверхнями провідників. При цьому кожна точка провідника по черзі контактує то з пористим антифрикційним металом тертьової поверхні втулки, то з антифрикційним матеріалом. При найменшому зносі металу в зону контакту негайно подається порція антифрикційного компаунда, що створює на тертьових поверхнях мастильну плівку, що істотно знижує їхній знос. Зі збільшенням тривалості такого контакту інтенсивність теплотворення прогресує. Але в пристрої, виконаному по даному способі, теплотворення відбувається не так інтенсивно як це має місце при терті металевих поверхнях при таких само питомих тисках. Хіміко-термічна обробка зумовлює необхідну зносостійкість, противозадиристу стійкість і контактну міцність поверхневих шарів чавунного виробу. Виготовлений таким способом пристрій попереджає знос пари тертя “направляючий пристрій - провідник армування” - у ша хтному стволі. Приклад 2. Виготовляють із чавуна корпус робочого, запобіжного чи допоміжного направляючого пристрою ковзання для підйомної посудини, яка рухається по рейковим або коробчатим провідникам (фіг.2). Потім нарізають по всій довжині контактної поверхні чавунного корпусу чи його змінних вкладишів (якщо передбачені конструкцією) спіральну трапецеїдальну канавку. Потім піддають корпус хімічно-термічній обробці, забезпечуючи твердість до 52-56НRСэ. Потім піддають чавунний виріб кип'ятінню в мінеральному маслі, у якій розчинені солі. При цьому пори чавуна заповнюються маслом, і він здобуває антифрикційні властивості. Хіміко-термічна обробка чавуна обумовлює необхідну зносостійкість, противозадиристу стійкість і контактну міцність поверхневих шарів чавунного виробу. Мастильні властивості пристрою ковзання, взаємодіючого з провідником, сприяють істотному зниженню інтенсивності зношування й зниженню задирості контактуючої пари тертя навіть в умовах великих навантажень. Спіральну трапецеїдальну нарізку заповнюють антифрикційним самозмащувальним компаундом на основі поліуретанових або епоксидних смол із додаванням антифрикційних наповнювачів - графіту, дисульфіду молібдену, диселенідів металів, йодидів металів і ін. та волокнистих наповнювачів - скляними й вугільними волокнами, слюди. Обраний компаунд завдяки введеним антипіренам є трудногорючим і має високі міцністні властивості в широкому діапазоні швидкостей - до 15м/с і навантаженню до 10000Н. Ефективність запропонованого способу визначається тим, що поліпшуються технічні і трибологічні показники (твердість, зносостійкість, коефіцієнт тертя) елемента високонавантаженої пари тертя в абразивному середовищі шахтного ствола. Крім того, підвищується термін служби зносостійкого антифрикційного направляючого пристрою. Завдяки універсальності спосіб може бути реалізований у пристроях ковзання будь-якої конструкції твердої, пружноподатливої і т.д. Забезпечується можливість повторного використання такого пристрою. Приклад 3. Виготовляють із чавуна відповідно до способу, що заявляється, напрямний ролик для встановлення в похилому шахтному стволі для напрямлення й підтримання підйомного каната при русі підйомної посудини. Ролик експлуатується в умовах інтенсивного абразивного й абразивно-корозійного зносу. При цьому канат, сковзаючи по чавунному ролику, одержує змащення зі спіральної канавки в місці контакту. Знос високонавантаженої пари тертя “канат - напрямний ролик” істотно сповільнюється в 2 рази, унаслідок чого ролик має підвищений у порівнянні з конструкціями, виготовленими згідно відомих способів, термін служби більш 1 року. Виготовлені відповідно до цього способу вироби апробовані в лабораторних і виробничих умовах. При цьому при тривалій експлуатації відсутні осередки зносу й ерозії, немає змін технічних характеристик контактних поверхонь. Підвищується абразивна стійкість пристрою. Позитивним також є те, що відсутні сліди зносу елемента пари тертя “канат - направляючий пристрій”, “направляючий пристрій - провідник армування”. Спосіб виготовлення, що заявляється, з високотвердого самозмащувального чавуна й застосування антифрикційного компаунда може використовуватися при виготовленні будь-яких направляючих пристроїв підйомних посудин для вугільних, калійних і соляних шахт, р удників і кар'єрів гірничодобувної промисловості. Триботехнічна характеристика робочої поверхні пристрою - коефіцієнт тертя - f=0,01, інтенсивність зношування - Jh 108=2,5. Висока твердість у процесі не змінюється, тому що карбід бора при заданій температурі й часі впроваджується на 2мм у глибину масиву деталі елемента. Таким чином, даний спосіб виготовлення елемента кінематичної пари тертя, наприклад, направляючого пристрою ковзання підйомних посудин, є досить ефективним. Джерела інформації: 1. И.Г. Манец, Ю.Д. Снегирев, В.П. Паршинцев. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. М.:Недра, 1987. - 327с. (С.10-12). 2. Авторське посвідчення СРСР №735544, М.кл. В66В7/00, 1978р. (аналог). 3. Авторское свидетельство СССР №1006353, В66В7/02, 1983г. Авторы И.Г. Манец, В.А. Пристром, А.И. Соломенцев и др. (аналог). 4. Заявка №2002054071 від 20.05.2002р. на патент України, автор Н.А. Алієв.