Эффективным и доступным по цене решением увеличения ресурса деталей при скольжении металла по металлу является применение износостойкого углеродного покрытия Balinit C-Star. Как оно работает?
Николай Балдаев
Рабочие пары плунжер — цилиндр встречаются в очень многих механических системах, прежде всего в разнообразных насосах. Основное отличие плунжера от поршня в том, что его уплотняющие элементы располагаются на поверхности цилиндра, а у поршня ДВС — на самом поршне. В связи с этой особенностью принципа уплотнения длина плунжера обычно намного больше его диаметра. Другой вариант, применяемый при высоких давлениях и агрессивных средах, уплотнение происходит непосредственно металл по металлу корпуса, и здесь требуется высокая точность изготовления.
Когда плунжер работает по резиновому или полимерному уплотнительному кольцу, повышение ресурса достигается увеличением износостойкости поверхности плунжера. При ухудшении работы пары просто меняется уплотнительное кольцо. То есть если плунжер имеет достаточно твердую поверхность, например PVD-покрытие высокой твердости, его износ при этом ничтожен и пара после такого простейшего ремонта работает с сохранением исходных технических характеристик.
Однако что делать, если уплотнение плунжера металл—металл, непосредственно по корпусу? Предложение нанести износостойкое покрытие на плунжер вызывает инстинктивное, чуть ли не паническое отторжение. Часто при этом вспоминают, что твердый гальванический хром, который в советском прошлом иногда наносили на поршневые кольца ДВС, при попытке повысить их ресурс, изнашивал цилиндры. Мысль, что если нанести на плунжер твердое покрытие — износятся стенки цилиндра, просто пугает. А если цилиндр по конструкционным соображениям составляет единое целое с корпусом, например, насоса, а еще если в едином корпусе работают несколько плунжеров, то износ цилиндра обернется гораздо большими затратами, чем простая замена плунжеров.
Так что заказчики, казалось бы, вполне резонно, хотят, чтобы на внутреннюю поверхность цилиндра было нанесено какое-либо суперизносостойкое покрытие. И казалось, бы PVD-покрытие — оптимальное решение.
Высокая твердость и износостойкость, не требует обработки после нанесения, наноси и работай!
Однако нанесение PVD-покрытий внутри отверстий — сложная техническая задача. Внутрь отверстий покрытие ложится значительно хуже, чем на наружную поверхность. Такова особенность процесса PVD-покрытий. Материал покрытия переносится на поверхность электрическим полем, которого внутри отверстий просто нет. Да и стоимость нанесения покрытия определяется не площадью поверхности, которую надо обработать, а объемом, который деталь занимает в камере, т. е. внешними габаритами корпуса, а они зачастую оказывается весьма немалыми, что делает всю затею слишком дорогой и довольно бессмысленной.
И тем не менее решение существует. Есть способ увеличить ресурс пары, и при этом не слишком дорого. Но у заказчиков по поводу этого решения возникает просто-таки когнитивный диссонанс. Слишком не похоже предлагаемое решение на то, которое как им кажется, может устранить подобные технические проблемы.
Эффективным и подтвержденным решением для увеличения ресурса насосной пары цилиндр – плунжер с уплотнением металл по металлу является нанесение углеродного покрытия Balinit C-Star, состав которого можно обозначить как CrN+WC/C: композит из карбида вольфрама и аморфного углерода на подложке из нитрида хрома. Покрытие наносится именно на сам плунжер, а не на стенки цилиндра. А это вызывает у многих непонимание и неприятие.
Следует еще раз обратить внимание: речь идет о парах металл по металлу, т. к. для плунжеров с уплотнением металл—полимер применяется другое PVD-покрытие, но это, как сейчас говорят, совсем другая история.
Так в чем же суть данного решения? Как оно обеспечивает повышение ресурса пары? Почему стенки цилиндра не только не изнашиваются, но и, напротив, работают гораздо дольше, точно так же, как и сам плунжер?
Действительно, твердость слоя WC/C достигает 1000–1500 HV, твердость основы покрытия CrN 1800 HV. Это гораздо выше, чем у твердого хрома. Но тем не менее такое покрытие на плунжере не только не будет «царапать» внутреннюю поверхность цилиндра, но, напротив, обеспечит сохранение целостности его поверхности длительное время.
Для того чтобы разобраться, в чем тут суть, надо прежде всего понять, почему именно происходил износ цилиндров при нанесении на поршневые кольца твердого хрома. Дело тут вовсе не в твердости гальванического хрома, а в том, что он очень плохо смачивается смазочными маслами и не удерживает их на поверхности уплотнения. Так что твердый гальванический хром прижимается и двигается по поверхности цилиндра практически всухую. Главной причиной разрушения поверхностей стенок цилиндра в данном случае является так называемый адгезионный износ (рис. 1).
Рис. 1. Виды износа при взаимодействии поверхностей
При интенсивном взаимном движении поверхностей всухую, на вершинках неровностей происходит что-то вроде холодной спайки с противоположной поверхностью с последующим вырыванием частиц металла, развитием абразивных процессов и катастрофическим ухудшением чистоты поверхности. Разрушается при этом как раз та сторона, которая имеет меньшую твердость. Именно так и изнашивался цилиндр ДВС при нанесении на кольца твердого хрома, хотя дело здесь не в величине твердости. А применение пористого хрома обеспечило сохранение ресурса цилиндра вовсе не из-за снижения твердости, но просто благодаря гораздо лучшей смачиваемости.
Так чем же отличаются твердое хромовое покрытие и еще более твердое углеродное покрытие Balinit C-Star?
Прежде всего, Balinit C-Star имеет очень хорошую смачиваемость. Масла на нем превосходно удерживаются благодаря особенностям структуры покрытия. Но есть одно, еще более важное свойство WC/C-компоненты покрытия. Она имеет исключительно хорошую прирабатываемость.
В начале работы любой пары, где одна деталь скользит по другой, происходит прирабатывание поверхностей. Микроскопическая шероховатость заглаживается, после чего механизм служит долго и надежно. Важно, что в процессе приработки WC/C-слой не просто выравнивается, но и частично переходит на ответную поверхность и заполняет ее неровности, что снижает шероховатость. Это выглядит примерно следующим образом (рис. 2). Надо сразу сказать, что совсем грубую поверхность так не исправить. В любом случае Rz должен быть не хуже чем 1.
Рис. 2. Прирабатываемость WC/C
Коэффициент сухого трения при этом снижается до 0.1 при том, что коэффициент сухого трения сталь—сталь или сталь—твердый хром равен 0.5–0.7. Таким образом, даже если возникает ситуация сухого трения, ресурс пары скольжения до аварийного разрушения в несколько раз выше, чем у пары без покрытия. Именно поэтому применение углеродного покрытия Balinit C-Star на плунжерах многократно повышает ресурс обеих компонент пары. Основа из CrN (Star) усиливает стойкость к микроточечному воздействию и продавливанию покрытия при возможном попадании в сопряжение твердых частиц.
Динамика процесса прирабатываемости была изучена в лабораторных условиях (рис. 3) и многократно подтверждена на практике.
Рис. 3. Динамика изменения коэффициента сухого трения в процессе прирабатывания. Лабораторные испытания
В частности, современные высоконагруженные аксиально-плунжерные, радиально-плунжерные и радиально-поршневые насосы и гидромоторы во многих случаях надежно и безотказно работают только благодаря углеродному покрытию Balinit C-Star (рис. 4–5).
Рис. 4. Фото детали радиально-поршневого гидромотора, работающей в режиме скольжения металл—металл после испытаний.
Слева — без покрытия, справа с углеродным покрытием Balinit C-Star.
Рис. 5. Фото ротора радиально-поршневого гидромотора после испытаний с деталями с покрытием Balinit C-Star. Повреждений нет.
Эти покрытия могут применяться для обеспечения высокого рабочего ресурса очень широкого круга плунжерных пар с уплотнением металл—металл. А современные системы ТНВД типа Common Rail в принципе неработоспособны без углеродного покрытия типа DLC, которое является следующим поколением углеродных антифрикционных покрытий.
Так что нанесение на поверхность плунжера с уплотнением металл—металл с целью увеличения ее ресурса износостойкого углеродного покрытия Balinit C-Star только на первый взгляд является парадоксальным. Оно действительно обеспечивает длительный ресурс пары и защитит от износа не только плунжер, но и стенки цилиндра. Это справедливо и для других систем, где происходит скольжение металла по металлу. И в этом можно убедиться на многих реальных примерах. Ресурс и надежность самых продвинутых гидравлических и насосных систем (рис. 6) обеспечиваются именно такими покрытиями.
Рис. 6. Аксиально-плунжерный насос с покрытием Balinit C-Star
Рисованные изображения являются собственностью Oerlikon Balzers,предоставлены ООО «Оерликон ОСС СНГ».
Фото деталей радиально-поршневого гидромотора являются собственностью и предоставлены
ООО «Невский инструментальный завод».
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 1-2021
