 |
Выбор триботехнических материалов с учетом их совместимости
|
|
|
|
В процессе эксплуатации машины ее элементы, подвергаясь различным воздействиям, изменяются по состоянию, размерам и свойствам. Эти изменения могут протекать плавно (закономерное изменение) и скачкообразно (незакономерное изменение). Одной из основных причин указанных изменений является изнашивание, оцениваемое по изменению геометрических размеров элементов машин, их массы или по каким-либо другим косвенным признакам. Подробно эти вопросы рассмотрены в гл. 4.
В связи с разнообразием видов изнашивания в настоящее время не создан универсальный материал, обладающий высокой износостойкостью при всех возможных условиях эксплуатации. Это осложняет выбор материалов, обеспечивающих высокую работоспособность узлов трения.
Одним из важнейших факторов, который необходимо учитывать при выборе материалов для трибосистем (ТС) или узлов трения, является их совместимость. Под совместимостью материалов понимают их способность обеспечивать оптимальное состояние ТС (элементов узлов трения) в заданном диапазоне условий работы по выбранным критериям. При хорошей совместимости материалов элементы в ТС достаточно быстро прирабатываются, элементы антифрикционных узлов имеют невысокие уровни трения, износа и достаточно долго работают без повреждений.
Совместимость рассматривается как взаимодействие в процессе трения и износа поверхностей ТС, изготовленных из различных материалов при наличии смазочного материала, в режимах нарушения смазки и без смазочного материала. Способы оценки совместимости материалов могут быть прямыми и косвенными (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Способы оценки совместимости трущихся поверхностей технических конструктивных материалов учитывает основополагающие рекомендации двух триад внешнего трения, физико-химического и механического аспектов трения и изнашивания твердых тел с учетом влияния окружающей среды, в том числе и смазочной [23].
|
|
|
В зависимости от предназначения и условий работы ТС определяется ее желаемое оптимальное состояние. Так, применительно к тормозной системе это обеспечение высокого и стабильного коэффициента трения при незначительном износе, для подшипников скольжения это либо длительная работа без усталостных повреждений и высокого уровня износа, либо достаточная сопротивляемость образованию задира или при аварийной ситуации максимальная живучесть ТС без серьезных повреждений. В отдельных специфических условиях работы оптимизацию следует вести по признаку определенной величины износа трущихся деталей (контактному уплотнению, поршневому кольцу и др.), иногда необходимым условием является плавность перемещения (золотниковые пары и др.).
Каждому режиму трения свойственны свои особенные совместимости ТС. Во многом они определяются условиями работы — нагрузкой, скоростью и температурой.
Процесс совместимости определяется прежде всего реакцией на изменение режима трения, возникающего в результате нестабильных условий работы сопряженных поверхностей. Благоприятная реакция на ужесточение трения должна сопровождаться образованием на участках контактирования либо тонких легко подвижных пленок, либо трудносхватывающихся оксидных пленок или определяться защитными свойствами искусственно созданных мягких покрытий (сплавы на основе свинца, полимерные композиции и др.) либо твердых поверхностных слоев (твердых химико-термических покрытий, термической обработки и др.).
Особенностью материалов, обладающих хорошей совместимостью, является способность их в ТС ускоренно снижать уровень контактных напряжений. Такое снижение легче осуществляется для мягкого металла и сплава, но снижение контактных напряжений возможно и для наиболее твердого элемента ТС. Желательно, чтобы процесс деформирования отдельных наиболее нагруженных участков проходил в поверхностных слоях, без вовлечения в деформацию глубинных слоев [23].
|
|
|
Обязательным условием оценки совместимости является учет помимо сорта смазочного материала средних значений нагрузки, скорости и уровня динамических воздействий.
Одной из причин повреждаемости материалов при трении является схватывание.
В соответствии с работами Б.И. Костецкого, состояние анти- фрикционности и фрикционности (при окислительном изнашивании) может быть достигнуто при особом строении поверхностей деталей, работающих в режиме структурной приспособляемости. В условиях нормального окислительного изнашивания это достигается получением на поверхности различных типов защитных окис- ных структур.
С повышением удельной работы трения наблюдается следующая последовательность изменения типа вторичных (окисных) структур. При трении в кислородосодержащей среде в начале процесса на поверхности образуются твердые растворы кислорода и эвтектические смеси (вторичные структуры I типа). На поверхности трения образуются окислы (вторичные структуры II типа).
Переход от вторичных структур I типа к структурам II типа каждого металла или сплава происходит в определенном диапазоне значений удельной работы трения.
При промежуточных значениях удельной работы трения возможно одновременное образование структур обоих типов. При достижении определенного для данного материала и среды значения удельной работы трения происходит переход к явлениям схватывания, связанного с получением толстых пористых малопрочных окисных пленок.
Общей для обоих типов вторичных структур является способность минимизировать разрушение поверхностного слоя и экранировать физико-химические превращения и разрушения нижележащих слоев.
Следует отметить, что для каждого типа вторичных структур характерны свои индивидуальные особенности.
Вторичные структуры I типа обладают свойствами сверхпластичности, легко перетекают по поверхности трения. Структуры II типа обладают большей прочностью и менее пластичны.
|
|
|
Поверхности, покрытые пленками I типа, обладают пониженной, а покрытые пленками II типа — повышенной смачиваемостью смазочными маслами.
В условиях нормального трения разноименных материалов на сопряженных поверхностях могут возникать вторичные структуры в различном сочетании.
Зависимости коэффициента трения от скорости и удельной нагрузки при различном сочетании типов вторичных структур показаны на рис. 6.2.
Антифрикционности соответствуют структурные условия, при которых одна из поверхностей трения покрыта пленками вторичных структур I типа, а другая — вторичных структур II типа. Такое сочетание обеспечивает минимальное трение в паре.
Фрикционность (высокие стабильные значения коэффициента трения) можно получить при соблюдении структурных условий
Рис. 6.2. Схема изменения коэффициента трения от скорости скольжения (о) и удельной нагрузки (б) при различном сочетании вторичных структур на сопряженных поверхностях трения (в) фрикционности, согласно которым обе поверхности трения должны быть покрыты пленками вторичных структур II типа.
Следовательно, для антифрикционных пар трения необходимо выполнение структурных условий, согласно которым поверхности трения одного из элементов пары трения (как правило, вала) должны быть покрыты пленками вторичных структур I типа, а поверхности контртела (как правило, подшипника) — вторичных структурх 11 типа.
В подшипниковых сплавах такие элементы, как олово, свинец, кадмий, расширяют область существования вторичных структур 11 типа.
В узлах, работающих с малыми скоростями, при смазке обычными маслами можно применять баббиты, алюминиевые сплавы и другие материалы, образующие вторичные структуры II типа при низких значениях удельной работы трения.
В узлах трения, работающих со средними и повышенными скоростями, при смазке обычными маслами можно применять наряду с баббитами бронзы и пористые спеченные материалы.
Латуни целесообразно применять в сочетании с маслами, легированными химически активными присадками.
|
|
|
В узлах трения, работающих с консистентными смазками и без смазок, применяют антифрикционные чугуны.
В узлах трения без смазки могут работать также полимерные материалы и спеченные сплавы, содержащие твердые смазки.
Для расширения области существования вторичных структур I типа на стальных валах при работе в паре с латунями, порошковыми материалами, чугунами и полимерами необходимо снижать возможность структурной активации поверхностных слоев структурами закалки, химико-термической обработки, нанесения покрытий и т.д.
Следует избегать сочетания материалов, образующих одноименный тип вторичных структур. Сочетание I типа со II типом вторичных структур (пары трения сталь—сталь) характеризуется высоким коэффициентом трения и низкой стойкостью граничных смазочных слоев.
Устойчивость работы такой пары может быть достигнута повышением смачиваемости одной из поверхностей (пористое гальваническое покрытие, накатка, фосфатирование и т.д.).
Сочетание структур первых типов невыгодно в узлах трения, но эффективно в слаботочных скользящих электрических контактах, работающих при низких удельных нагрузках.
При сочетании II типа со II типом вторичных структур (бронза- бронза, алюминиевый сплав—бронза, бронза—спеченные материалы и т.д. применительно к парам трения скольжения) коэффициент трения имеет высокие значения, что приводит к существенному тепловыделению в узле, снижению температурной стойкости граничных смазочных слоев и возникновению недопустимых явлений схватывания, так как подшипниковые материалы (за исключением специальных) не обладают необходимой теплостойкостью и жаропрочностью.
|
|
|
