Твердосмазочные покрытия MODENGY для подшипников качения

Введение

С развитием космической техники появляется острая необходимость испытаний антифрикционных твердосмазочных покрытий в подшипниках качения. Ранее в таких видах опор использовались исключительно пластичные смазочные материалы, которые эффективно снижают трение и износ в нормальных режимах работы узлов.

Однако на внешней стороне МКС данные типы смазочных материалов теряют свою работоспособность – в условиях низких температур (-90 °С и ниже) вязкость пластичных смазок резко повышается, что значительно сказывается на моменте страгивания подшипников качения и эффективности их использования.

Твердосмазочные покрытия на основе дисульфида молибдена (MoS₂) показывают отличные результаты при работе в условиях космоса – они находят широкое применение в узлах трения скольжения. Однако при трении качения опыты не проводились.

В узлах трения скольжения космических аппаратов используются покрытия различных производителей, в том числе и российские составы MODENGY.

Материалы MODENGY для авиастроения и космической техники

Скачать

Антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY – это материалы, обеспечивающие твердую сухую смазку поверхностей. Они формируют на поверхностях композиционный слой пленкообразователя, содержащий высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ.

Они доказали свою эффективность в экстремальных условиях эксплуатации, таких как высокие и криогенные температуры, глубокий вакуум, космическое пространство, радиация, воздействие агрессивных сред (кислоты, щелочи, органические растворители и т.п.) и других, в которых традиционные смазочные материалы неработоспособны.

Свойства и преимущества твердосмазочных покрытий MODENGY:

• Коэффициент трения от 0,03
• Малая толщина слоя (20 мкм)
• Повышенная несущая способность
• Эффективная эксплуатация в запыленных средах
• Реализация ресурсного смазывания узлов техники
• Работоспособность как при низких, так и при экстремально высоких температурах (от -210 °С до +730 °С)

Для оценки возможности использования твердосмазочных покрытий MODENGY в подшипниках качения были проведены триботехнические испытания на трибометре MF-5000 (Rtec) при скорости 2,25 м/с.

Исследования были осуществлены при поддержке Российского научного фонда по проекту № 22-49-02010, в рамках которого осуществляются разработка и испытания «умных» трибологических покрытий для космического оборудования.

Результаты испытаний были опубликованы на научно-технической конференции «ТРИБОМАШ – 2024» и описаны в сборнике научных трудов.

Триботехнические испытания покрытий MODENGY в подшипниках качения

Для исследований были использованы образцы с покрытиями MODENGY 1006, в составе которого полиамид-имидный пленкообразователь, дисульфид молибдена, графит, смесь органических растворителей и функциональные добавки, и MODENGY 1071 на основе политетрафторэтилена, дисульфида молибдена, полиамид-имидного пленкообразователя, смеси органических растворителей и функциональных добавок.

Рис. 3D топография исходной поверхности образцов с MODENGY 1071 (слева) и MODENGY 1006 (справа). Среднее отклонение поверхности от средней линии Sa = 0,39 мкм (MODENGY 1071) и 0,86 мкм (MODENGY 1006). Максимальная высота неровностей поверхности Sz = 12,4 мкм (MODENGY 1071) и 27,6 мкм (MODENGY 1006).

Покрытия были нанесены на диски из закаленной подшипниковой стали, а также на стальные кольца упорных подшипников двух размеров.

Рис. Образцы диска и кольца упорного подшипника с покрытиями MODENGY

В качестве контр-тел применялись ответные части упорных подшипников и стальные диски, для создания качения были использованы наборы стальных шариков в сборе.

Трибологические исследования проводились на лабораторном трибометре MF-5000 (Rtec, США) при постоянной скорости вращения V = 2,25 м/с (1000 и 800 оборотов в минуту для малого и большого кольца соответственно), а также постоянной нагрузке F = 1000 Н. Экспериментальное исследование осуществлялось в комнатных условиях T = 23 °С при относительной влажности 50 %. Время испытаний было равно 1ч.

Рис. Лабораторный трибометр MFT-5000

Нижнее кольцо с металлическими шариками в сепараторе неподвижно закреплялось на предметном столике. Верхний образец был зафиксирован на самоустанавливающемся держателе, который совершал вращательные движения по часовой стрелке. Через держатель, на котором установлен верхний образец, передавалась нагрузка на контактную пару.

Экспериментальное исследование проводилось в семи вариациях:

1. Отсутствие смазочного материала в зоне контакта
2. Присутствие пластичной смазки, рекомендованной к применению на внешней стороне МКC
3. Наличие в зоне контакта литиевой пластичной высокотемпературной смазки
4. Верхний стальной диск с покрытием, нижнее малое кольцо без смазки
5. Верхний стальной диск без покрытия, нижнее малое кольцо с покрытием
6. Стальной диск и упорное кольцо с покрытием
7. Два кольца упорного подшипника с покрытием

Рис. Зависимость сопротивления качению от времени испытания, где цифрами обозначены соответственно вариации экспериментов

Рис. Профили изношенных поверхностей после испытаний по 1 схеме (а), по 2-й схеме (б) и по 4 схеме (в)

Рис. Профили изношенных поверхностей: а) качение без смазки; б) твердосмазочное покрытие на диске; в) твердосмазочное покрытие на диске и кольце

На рисунке приведены профили изношенных поверхностей для образцов в виде дисков. Для данных образцов были рассчитаны скорости изнашивания:

(а) Ia = 1,17·10^-7 мм³/Нм; (б) Iб = 2,3·10^-7 мм³/Нм;

(в) Iв = 4,68·10^-7 мм³/Нм, а по формуле (2):

(а) Ia = 1,17·10^-4 мм³/м; (б) Iб = 2,3·10^-4 мм³/м;

(в) Iв = 4,68·10^-4 мм³/м.

Рис. Формулы для расчета скорости изнашивания образцов в виде дисков. V – объем износа, мм³; F – нагрузка, H; L – путь трения, м.

Интенсивность изнашивания покрытий MODENGY в парах трения качения соответствует показателям, характерным для режимов скольжения твердосмазочных материалов, широко используемых в механизмах на космических установках.

Согласно результатам исследований, материалы MODENGY эффективно работают в узлах трения качения в наземных условиях.

Данные сопротивления качению в присутствии твердосмазочных покрытий не превышают значения, полученные при трении качения со смазочным составом, рекомендованным для применения на внешней стороне МКС.

Интенсивность изнашивания подшипников качения с покрытиями MODENGY соответствует параметрам изнашивания подшипников скольжения с покрытиями, широко апробированными для применения в космических аппаратах.

При этом покрытия MODENGY исключают недостаток традиционных смазок в части их неработоспособности при отрицательных температурах. При понижении температур у пластичных составов происходит стремительное повышение вязкости, что отрицательно сказывается на моменте страгивания опор качения и ограничивает их применение на внешней стороне МКС. Твердосмазочные покрытия же сохраняют свои трибологические свойства даже при криогенных температурах.

Для определения работоспособности антифрикционных материалов MODENGY в парах трения качения оборудования космического применения запланированы испытания подшипников качения в вакууме.

Источники:

Броновец М.А., Буковский П.О. Твёрдосмазочные покрытия для подшипников качения // Трибология – машиностроению: Труды XV Международной научно-технической конференции – М.: ИМАШ РАН, 2024. – С. 26-28.

14.01.2025