Восстановление деталей полимерами: Технологии ремонта подшипников

В современном машиностроении и эксплуатации техники проблема износа деталей является одной из самых острых. Выход из строя ключевых узлов, таких как подшипники, втулки и шестерни, приводит к дорогостоящим простоям и ремонтам. Традиционные методы восстановления, например, наплавка с последующей механической обработкой, часто сопряжены с высоким энергопотреблением, риском термической деформации детали и значительными трудозатратами. На этом фоне технологии, использующие полимерные композиционные материалы (ПКМ), становятся не просто альтернативой, а высокоэффективным и экономически оправданным решением. Применение полимеров позволяет не только вернуть детали первоначальные геометрические размеры, но и существенно улучшить их эксплуатационные характеристики: повысить износостойкость, снизить коэффициент трения и защитить от коррозии. В данной статье мы подробно рассмотрим две передовые методики восстановления, основанные на применении полимеров, которые кардинально меняют подходы к ремонту в агропромышленном комплексе, дорожно-строительной и автомобильной отраслях.

1. Восстановление подшипников скольжения (втулок, вкладышей, шестерен) с помощью полимерных нанокомпозитов

Ключевой задачей при нанесении любого покрытия является обеспечение его максимальной адгезии (прочности сцепления) с основной поверхностью детали. Без надежной связи даже самый износостойкий материал не сможет долго выполнять свои функции. В исследованиях д.т.н., профессора Гвоздева А. А. была предложена и научно обоснована комбинированная технология, решающая эту проблему на фундаментальном уровне. Она предназначена для восстановления таких ответственных деталей, как подшипники скольжения типа «втулка», «вкладыш» и «шестерня», и основана на использовании полимерных композитов на базе эпоксидных смол.

Ноу-хау технологии заключается в уникальном методе подготовки поверхности перед нанесением полимера. Вместо стандартных методов абразивной обработки предлагается проводить электроискровую обработку (ЭИО) металлической поверхности по предварительно нанесенному слою сферических бронзовых гранул. В ходе этого процесса, который можно сравнить с микросваркой, происходит электроискровое напекание гранул на поверхность детали. В результате формируется не просто шероховатость, а прочный, объемный пористый каркас из спеченных металлических частиц, намертво приваренных к основе. Эта трехмерная сетка, как губка, впитывает и удерживает в своих лабиринтах полимерное связующее с наполнителем. Такая структура минимизирует внутренние напряжения в покрытии и поднимает адгезионную прочность на границе «металл-полимер» до уровня, сопоставимого с пределом прочности самого полимера на сдвиг, что подтверждается испытаниями по методикам, близким к ГОСТ 14759-69 «Клеи. Метод определения прочности при сдвиге».

Рис. 1. Принципиальная схема-модель процесса ЭИО и итоговая структура покрытия: (а) Процесс электроискровой обработки поверхности детали медным электродом по слою сферических гранул бронзы; (б) Схематическое строение сформированного металлополимерного покрытия. Обозначения: 1 – металлическая основа (деталь); 2 – напеченный пористый слой из бронзовых гранул; 3 — полимерная композиция (связующее с наполнителем).

Для обеспечения максимальной плотности и однородности покрытия его формирование происходит в поле центробежных сил. Этот метод гарантирует отсутствие пор, раковин и обеспечивает равномерное распределение наполнителя по всему объему, что напрямую влияет на итоговые физико-механические, триботехнические и эксплуатационные характеристики.

Повышение долговечности за счет химической модификации

Помимо физического упрочнения, технология предусматривает и химическую модификацию полимерной матрицы. В состав термореактивных смол вводятся химически-активные добавки, которые инициируют в зоне трения эффект избирательного переноса. Этот процесс способствует формированию на сопряженной стальной поверхности тончайшей сервовитной (защитной) пленки, которая автокомпенсирует износ и значительно снижает вероятность водородного изнашивания — одного из опаснейших видов разрушения металла.

Для реализации технологии электроискрового напекания бронзового каркаса применяется специализированное оборудование, такое как установка «ЭЛИТРОН-22Б» с высокочастотной приставкой «БИГ-1». В качестве материала гранул используются износостойкие бронзы марок БрОЦС, БрАЖНМЦ и другие, соответствующие ГОСТ 613-79 «Бронзы оловянные литейные. Марки». Эффективность данного подхода наглядно демонстрируется результатами испытаний: прочность полимерных покрытий на сдвиг возрастает в 2,8-3,5 раза. Если стандартная ЭИО медным электродом обеспечивает прочность в 10-15 МПа, то применение слоя бронзовых гранул размером 40-80 мкм поднимает этот показатель до 35-38 МПа, а использование гранул фракции 100-220 мкм — до впечатляющих 48-50 МПа.

Рисунок 2. Сравнительная диаграмма предела прочности полимерных покрытий на сдвиг (σ_сж, МПа) в зависимости от метода подготовки металлической поверхности: 1 – ЭИО медным электродом без гранул; 2 – ЭИО медным электродом по гранулам фракции 40…80 мкм; 3 – ЭИО медным электродом по гранулам фракции 100…220 мкм.

Наглядно результат электроискровой обработки показан на рисунке 3, где видны фрагменты деталей с уже сформированным объемным пористым каркасом, готовым к пропитке полимерным составом.

а)

б)

Рис. 3. Внешний вид деталей после этапа ЭИО с формированием пористого каркаса: а – втулки; б – шестерни.

Технологическое оснащение и режимы процесса

Заливка полимерных композиций и их последующее центробежное формирование в тонкослойные антифрикционные покрытия осуществляется на специализированном оборудовании. Это может быть как оригинальная высокоскоростная установка-модуль (защищенная Патентом РФ №80205), показанная на рис. 4, так и модернизированный станок модели Р-105 (ТУ 200-1/4-187-79), схема которого представлена на рис. 5.

Рис. 4. Общий вид установки-модуля для центробежного формирования тонкослойных антифрикционных полимерных покрытий на деталях.

Процесс отверждения (полимеризации) композиций проходит в два этапа для достижения оптимальных свойств. Первый, динамический этап, происходит непосредственно в установке при вращении образцов со скоростью V_фор = 0,2…6,5 м/с и температурах T_дин = 50…200 °С. Финальное отверждение для полной стабилизации структуры осуществляется в статическом режиме в термошкафу, например, модели СНОЛ 3,5;3,5;3,5/З-ИЗ (ТУ 16-531.639-78), при температурах T_ст = 50…150 °С.

Рис. 5. Принципиальная схема модернизированной установки для нанесения полимерных композиций на базе станка Р-105: 1 – двигатель постоянного тока; 2 – соединительная муфта; 3 – подшипниковый блок; 4 – цифровой электронный тахометр; 5 – патрон; 6 – термокамера; 7 – восстанавливаемые детали; 8 – термопары; 9 – вращающийся центр; 10 и 11 – элементы технологической оправки; 12 – регулятор частоты вращения; 13 – терморегулятор; 14 – пульт управления; 15 – станина.

Финишная механическая обработка покрытий до требуемого размера производится на стандартных токарных станках (например, моделей 1К62 и А616) с использованием резцов, оснащенных твердосплавными пластинами марок ВК и ТК.

Результаты испытаний и составы композиций

Применение аминных комплексов металлов в качестве отвердителей в сочетании с наноразмерными наполнителями позволяет снизить наводороживание сопрягаемой стальной поверхности в 1,46-3,9 раза (рис. 6) и уменьшить коэффициент трения в 1,58-2,48 раза.

Рис. 6. Изменение концентрации диффузионно-активного водорода (С_н · 10^-5, м³/кг) в структуре стали марки 18ХГТ при трении о различные полимерные покрытия: 1 – покрытие без легирующих добавок; 2 – с медным комплексом салицилальметоксианилина; 3 – с хлористым молибденилом; 4 – с четырехвалентным оловом себациновой кислоты; 5 – с аминовинилиминатным комплексом.

Разработанные композиции демонстрируют высокую нагрузочную способность: до 28-30 МПа при работе в моторном масле и до 25-28 МПа в трансмиссионном, при скорости скольжения до 3,5 м/с. Это позволяет им успешно заменять детали, традиционно изготавливаемые из дорогостоящего бронзового литья или тонколистового проката. Экономическая эффективность технологии подчеркивается низким удельным расходом композиций (0,25-0,35 г/см²).

Результаты стендовых и реальных эксплуатационных испытаний деталей с опытными покрытиями в узлах трения сельскохозяйственной, дорожно-строительной техники и автомобилей показали впечатляющий рост ресурса в 1,8-2,5 раза и увеличение износостойкости в 1,8-3,5 раза.

Для практического применения разработаны и рекомендованы оптимальные составы полимерных композиций, обладающие наилучшим сочетанием свойств (представлены в таблице 1).

Таблица 1. Рекомендуемые составы модифицированных полимерных композиций для антифрикционных покрытий

Данная технология позволяет формировать износостойкие антифрикционные покрытия толщиной до 2,0 мм. Однако для большинства подшипников скольжения рекомендуемая рабочая толщина составляет 0,3-0,8 мм, что является оптимальным с точки зрения теплоотвода и прочностных характеристик.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 7. Примеры деталей, восстановленных по описанной технологии: а – втулки ходовой части тракторов; б – шестерня коробки передач автомобиля; в – узел реверса тракторов Т-25А; г – шестерни узлов трансмиссии автомобилей; д – втулки вертикального шарнира тракторов Т-150К; е – опорные втулки катков экскаваторов ЭО-2626.

Структура технологического процесса

На основе проведенных исследований разработана унифицированная структурная схема технологических операций по ремонту и изготовлению деталей узлов трения с использованием модифицированных полимерных композиций (рис. 8).

Процесс включает следующие ключевые этапы:

1. Входной контроль и подготовка: Очистка от загрязнений, дефектация, термическая обработка (прокалка при 250-300 °С) для удаления остатков масел.
2. Механическая обработка: Расточка внутреннего диаметра для удаления следов износа и придания правильной геометрии.
3. Формирование адгезионного слоя: Электроискровое напекание на установках типа «Элитрон» или «Вестрон» пористого каркаса из бронзовых гранул толщиной 250-300 мкм.
4. Нанесение полимера: Установка детали в оправку, нагрев до 120-150 °С, нанесение дозированной порции ПКМ.
5. Полимеризация: Термообработка при вращении (V_фор=1,5-2,8 м/с, T_дин=150-180 °С) и последующая статическая выдержка в термошкафу (T_ст=100±10 °С).
6. Финишные операции: Механическая обработка в размер и выходной контроль качества.

Рисунок 8. Блок-схема последовательности операций технологического процесса нанесения антифрикционных износостойких покрытий на подшипники скольжения.

2. Восстановление посадочных мест подшипников качения полимерными материалами

Надежность и долговечность абсолютного большинства машин и механизмов напрямую зависит от состояния подшипниковых узлов. Одной из самых распространенных причин их отказа является износ посадочных мест подшипников качения в корпусах или на валах. Этот дефект, известный как фреттинг-коррозия, возникает из-за микроперемещений колец подшипника относительно посадочной поверхности, что приводит к окислению и абразивному истиранию металла.

Несмотря на существование множества «классических» методов ремонта (наплавка, напыление, гальванические покрытия), все они обладают рядом существенных недостатков: технологическая сложность, высокая стоимость оборудования, обязательная последующая мехобработка, а главное — они не устраняют первопричину, то есть не обеспечивают фреттингостойкость соединения. Полимерные материалы здесь предлагают кардинально иное, более эффективное решение. Благодаря своей эластичности, они способны демпфировать микровибрации, обеспечивая при этом плотную и равномерную посадку, что полностью исключает условия для развития фреттинг-коррозии.

Исследования ведущих научных школ (МГАУ, ГОСНИТИ и др.) доказали, что применение современных полимеров, таких как эластомеры и анаэробные герметики, не только предотвращает фреттинг, но и значительно увеличивает общий ресурс как восстановленного соединения, так и самого подшипника качения.

На практике применяются два основных способа: нанесение полимерного слоя на изношенную поверхность для компенсации зазора и последующая посадка подшипника, либо прямое вклеивание одного из колец подшипника в посадочное место с помощью адгезива.

Рис. 9. Примеры современных полимерных материалов для восстановления: анаэробные герметики АН-6К, АН-6В и акриловый адгезив АН-105.

Технология калибрования полимерного слоя

Профессорами Лезиным П. Я. и Котиным А. В. (МГУ им. Огарева) был разработан эффективный технологический процесс восстановления изношенных отверстий в корпусных деталях. В качестве основы используется полимерная композиция на базе анаэробного герметика Анатерм-6В (соответствует, например, ТУ 2257-418-00208947-2005). Для придания составу нужной вязкости (тиксотропности) в него вводится тальк, а для ускорения полимеризации — бронзовый порошок. Оптимальный состав: герметик Анатерм-6В – 100 м.ч., тальк – 20 м.ч., бронзовая пудра – 2 м.ч.

Суть метода заключается в калибровании нанесенного на изношенную поверхность слоя полимера при помощи специальной цилиндрической оправки (скалки) с раздвижным калибрующим элементом. Это позволяет сформировать идеально ровную поверхность нужного диаметра без осевого выдавливания материала.

Рис. 10. Схема процесса формования полимерной композиции на поверхности изношенных отверстий: а) Оправка с раздвижными полукольцами в сжатом состоянии; б) Процесс калибрования слоя полимерной композиции разжимающимися полукольцами. Обозначения: 1 – корпусная деталь; 2 – слой полимерной композиции; 3 – оправка (скалка); 4 – раздвижные полукольца.

Для предотвращения прилипания композиции рабочие поверхности оправки обрабатываются до низкой шероховатости (R_а 0,1) и смазываются антиадгезионным составом. После отверждения полимера кольца сжимаются, и оправка легко извлекается.

Рис. 11. Пример специализированной оснастки для формования подшипниковых гнезд с полимерным покрытием в корпусе коробки передач автомобиля ГАЗ-53: 1 – базовая плита; 2 – левая стойка; 3 – правая стойка; 4 – центры; 5 – нижняя скалка; 6 – маховики для перемещения.

Применение эластомеров и наполненных композиций

Профессором Курчаткиным В. В. и его учениками (МГАУ) была предложена технология с использованием феноло-каучукового адгезива ВК-50, изначально разработанного для авиационной промышленности, и эластомера-герметика Ф-40. Эти материалы отличаются простотой применения: после зачистки и обезжиривания ацетоном (по ГОСТ 2768-84) покрытие наносится кистью и отверждается при температуре 150°С. Покрытия из этих материалов обеспечивают превосходную фреттингостойкость и долговечность соединений.

Рис. 12. Подшипниковый щит электродвигателя с посадочным местом под подшипник, восстановленным с помощью эластомера-герметика Ф-40.

Стендовые испытания показали, что долговечность подшипника типа 205, установленного на покрытие ВК-50, составила 165,8 млн. оборотов, что в 4,1 раза превышает расчетную. Применение герметика Ф-40 дало еще более впечатляющий результат — 220,7 млн. оборотов, что в 5,4 раза больше расчетной долговечности.

Рис. 13. Сравнение долговечности подшипника типа 205 при циркуляционном нагружении наружного кольца: 1 – расчетная долговечность; 2 – с покрытием ВК-50 толщиной 0,09 мм; 3 – с покрытием из герметика Ф-40 толщиной 0,125 мм.

Для увеличения допустимой толщины восстанавливаемого слоя и улучшения теплоотвода из зоны трения была решена задача по наполнению эластомеров мелкодисперсными металлическими порошками. В работе к.т.н. Машина Д. В. разработан полимерный композиционный материал (ПКМ) на основе эластомера Ф-40С следующего состава: эластомер Ф-40С – 100 масс.ч.; алюминиевая пудра ПАП-1 (по ГОСТ 5494-95) – 16 масс.ч.; бронзовый порошок БПП-1 – 1,8 масс.ч. Введение наполнителей позволило:

• Повысить модуль упругости композиции на 11%.
• Увеличить коэффициент теплопроводности в 74 раза, что критически важно для отвода тепла от подшипника.
• Повысить прочность на 10%.
• Увеличить предельную допустимую толщину покрытия до 0,125 мм.

Рис. 14. Сравнение модуля упругости Е_р для чистого эластомера и наполненной композиции.

Рис. 15. Корпус коробки передач автомобиля КАМАЗ после восстановления посадочных мест подшипников ПКМ на основе эластомера Ф-40С: 1 – полимерное покрытие на посадочном отверстии под подшипник первичного вала; 2 – полимерное покрытие на посадочном отверстии под подшипник промежуточного вала.

Использование адгезивов для фиксации подшипников

В случаях, когда износ не превышает 0,05-0,1 мм, наиболее простым и быстрым методом является прямое вклеивание подшипника на вал или в корпус с помощью современных адгезивов (клеев).

Рис. 16. Пример комплексного применения адгезивов в коробке передач: 1 – фиксация подшипника первичного вала; 2 – фиксация втулки шестерни; 3, 6 – фиксация подшипников вторичного вала; 4 – фиксация втулки шестерни; 5 – уплотнение и фиксация сальника; 7, 8 – стопорение резьбовых соединений.

Исследования показывают, что наполнение адгезивов металлическими порошками также значительно улучшает их свойства. Так, ПКМ на основе анаэробного герметика АН-112, наполненного алюминиевой и бронзовой пудрой, имеет коэффициент теплопроводности в 23 раза выше, чем у чистого герметика (рис. 17). Это снижает рабочий нагрев узла на 12°С и повышает долговечность клеевого соединения до 30%.

Рис. 17. Сравнение теплопроводности ненаполненного анаэробного герметика АН-112 и композиции на его основе.

Другим перспективным направлением является создание полимер-полимерных композиций. Введение раствора эластомера Ф-40 в акриловый адгезив АН-105 позволило повысить его эластичность и деформационно-прочностные свойства. Такие соединения лучше гасят вибрации, снижают теплообразование в клеевом шве (до 7°С) и, как следствие, повышают долговечность подшипника на 15% по сравнению с ненаполненным адгезивом (рис. 18).

Рис. 18. Сравнение долговечности L подшипника 209 при циркуляционном нагружении наружного кольца: 1 – расчетная долговечность; 2 – узел, восстановленный чистым акриловым адгезивом АН-105; 3 – узел, восстановленный полимер-полимерной композицией на основе адгезива АН-105.

Особого внимания заслуживает цианакрилатный адгезив ТК-200. Его клеевые соединения обладают прочностью 33,3 МПа, что в 2 раза выше, чем у акрилового АН-105, и в 1,34 раза выше, чем у анаэробного АН-111. За счет эластичного клеевого шва происходит более равномерное распределение нагрузки между телами качения, что снижает пиковые контактные напряжения до 2 раз (рис. 19) и увеличивает долговечность подшипника в 3,2-3,4 раза по сравнению с расчетной.

Рис. 19. Распределение контактных напряжений в подшипнике 209 со стандартной посадкой и с клеевым соединением ТК-200: 0; ±1; ±2 – центральное и боковые тела качения; 1, 2, 3 – напряжения в стандартном подшипнике при нагрузках P = 2042, 6127 и 10212 Н; 1′, 2′, 3′ – напряжения в подшипнике с клеевым швом при тех же нагрузках.

Заключение

Рассмотренные технологии восстановления деталей машин с применением полимерных материалов демонстрируют колоссальный потенциал для современного ремонтного производства. Они позволяют не просто устранять износ, а создавать гибридные металлополимерные узлы с характеристиками, зачастую превосходящими характеристики новых деталей.

Ключевые преимущества полимерных технологий:

• Значительное увеличение ресурса: Восстановленные детали служат в 1,8-5,4 раза дольше, чем новые или отремонтированные традиционными методами.
• Экономическая эффективность: Стоимость восстановления значительно ниже цены новой детали, а низкий расход материалов и энергии сокращает общие затраты на ремонт.
• Технологическая простота: Многие методы не требуют сложного и дорогостоящего оборудования и могут быть внедрены в условиях типовых ремонтных мастерских.
• Устранение первопричины отказов: Полимерные слои эффективно борются с фреттинг-коррозией, гасят вибрации и улучшают условия смазки.
• Универсальность: Технологии применимы для широчайшего спектра деталей практически всех типоразмеров в различных отраслях промышленности.

Внедрение передовых полимерных технологий восстановления является стратегически важным шагом на пути к повышению надежности техники, снижению эксплуатационных расходов и реализации принципов ресурсосбережения.