ТЕОРИЯ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ

Учебно-методический комплекс

для студентов специальности 21.05.04

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2016

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-Петербургский горный университет

Кафедра машиностроения

ТЕОРИЯ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ

Учебно-методический комплекс

для студентов специальности 21.05.04

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2016

УДК 531.43.004.62/63 (08) ТЕОРИЯ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ: Учебно-методический ком-

плекс / Санкт-Петербургский горный университет. Сост.: А.В. Михайлов, И.А. Королев, В.А. Красный. СПб, 2016. 166 c.

В учебно-методическом комплексе в соответствии с программой дисцип-

лины «Теория трения и изнашивания» изложены основные положения контактного взаимодействия твердых тел, свойства и топография их поверхностей, природа и виды внешнего трения, влияние различных факторов на трение. Описаны различ-ные виды изнашивания, роль смазки, основные способы повышения износостойко-сти материалов и деталей машин.

Предназначен для студентов специальности 21.05.04 «Горное дело» спе-циализации «Горные машины и оборудование».

Научный редактор проф. С.Л. Иванов

Санкт-Петербургский горный университет, 2016

3

1. ИНФОРМАЦИЯ О ДИСЦИПЛИНЕ 1.1. Предисловие

Дисциплина «Теория трения и изнашивания» изучается сту-

дентами специальности 21.05.04 – «Горное дело» и дополняет зна-ния об основах триботехники при изучении общих вопросов трения, износа и смазки трибосопряжений машин в приобретении теорети-ческих знаний и практических навыков, необходимых для грамот-ной эксплуатации горных машин и оборудования и анализа причин износа основных трибосопряжений горных машин и оборудования, применяемого при добыче полезных ископаемых подземным и от-крытым способами, а также оборудования для обогащения полезных ископаемых и путях повышений их износостойкости.

Целью изучения дисциплины является формирование у сту-дентов базовых знаний в области триботехники, подготовка выпуск-ников к решению профессиональных задач, связанных с разработкой и созданием машин, работающих в экстремальных условиях горного производства, удовлетворяющим требованиям долговечности, изно-состойкости и безопасности эксплуатации, формирование у студен-тов современного научного мировоззрения, развитие творческого естественно-научного мышления, ознакомление с методологией на-учных исследований.

Задачей изучения дисциплины является изучение основных трибологических закономерностей для решения конкретных конст-рукторских, технологических и эксплуатационных задач, связанных с трением, износом и смазкой в машинах.

В результате изучения дисциплины студент должен овладеть методами прогнозирования остаточного ресурса горных машин, а также использование целенаправленного выбора материалов с необ-ходимыми физико-механическими свойствами, степени точности, качества поверхности и условий эксплуатации деталей в подвижных соединениях при организационно-управленческой деятельности.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих профессиональных компетенций:

ОК-1. Готовность обобщать, анализировать и воспринимать информацию, ставить цели и выбирать пути ее достижения.

4

ОК-5. Готовность использования нормативных правовых до-кументов в своей деятельности.

ОК-10. Использование основных законов естественнонауч-ных дисциплин в профессиональной деятельности, применять мето-ды математического анализа и моделирования, теоретического и экс-периментального исследования.

ПК-1. Готовность к разработке и внедрению технологических процессов, использованию технической документации, распоряди-тельных актов предприятия.

ПК-11. Способность использовать организационные и мето-дические основы метрологического обеспечения для выработки тре-бований по обеспечению безопасности процессов.

ПК-12. Готовность применять правовые, нормативно-технические и организационные основы организации горных работ и обеспечения безопасности эксплуатации машин в различных услови-ях.

ПК-24. Способность выполнять работы в области научно-технической деятельности по основам проектирования, информаци-онному обслуживанию, основам организации производства, труда и управления производством, метрологического обеспечения и техни-ческого контроля.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Иметь представление: - о физических процессах, происходящих в зоне пар трения; - о применении методов расчета износа материалов; - о практическом применении методов повышения износо-

стойкости деталей машин; Знать: - теоретические основы трения и изнашивания; - закономерности характера изменения коэффициента трения

от скорости, давления, смазки в контакте; - основы разработки рабочей проектной и технической доку-

ментации, понимания основных тенденций развития горных машин и оборудования;

- основные принципы разрушения рабочих поверхностей де-талей машин и выбора рациональных конструкций машин;

5

- нормативно-правовые документы в области безопасной эксплуатации и ремонта горных машин и оборудования;

Уметь: - использовать методы рационального выбора антифрикци-

онных конструкционных и эксплуатационных материалов; - анализировать отличительные особенности различных ви-

дов изнашивания деталей машин; - применять современные методы борьбы с износом деталей; - прогнозировать остаточный ресурс горных машин; - оценивать физико-механические характеристики поверхно-

стных слоев деталей; - проводить расчеты с использованием экспериментальных и

справочных данных; Владеть: - представлениями о способах определения физико-

механических и прочностных характеристик конструкционных ма-териалов и изделий;

- понятийно-терминологическим аппаратом в области трибо-логии и триботехники;

- алгоритмами проверки технического состояния и остаточ-ного ресурса технологического оборудования;

- основами рациональной эксплуатации горных машин и оборудования различного функционального назначения в различных климатических, горно-геологических и горнотехнических условиях;

- методами определения физико-механических и прочност-ных характеристик конструкционных материалов и изделий;

- навыками эксплуатации, ремонта и технического обслужи-вания горных машин и оборудования.

Место дисциплины в учебном процессе: Дисциплина «Теория трения и изнашивания» входит в состав

базовой части дисциплин математического и естественнонаучного цикла подготовки специалистов по направлению «Горное дело».

Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, по-лученных при изучении дисциплин «Математика», «Физика», «Хи-мия», «Теоретическая механика», «Инженерная графика», «При-

6

кладная механика», «Сопротивление материалов», «Материаловеде-ние», «Технология конструкционных материалов».

Дисциплина «Теория трения и изнашивания» является пред-шествующей для получения знаний и умений по дисциплинам: «Электрические машины и электропривод машин», «Гидромехани-ка», «Теплотехника», «Метрология, стандартизация и сертификация в горном деле», «Безопасность жизнедеятельности», «Горные маши-ны и оборудование», «Обогащение полезных ископаемых», «Конст-руирование горных машин и оборудования», «Исследование и про-ектирование горных машин и оборудования»; ряду специальных дисциплин: «Эксплуатация горных машин и оборудования», «Тех-ническое обслуживание горных машин и оборудования», «Ремонт горных машин и оборудования», специфичных для данного направ-ления подготовки.

1.2. Содержание дисциплины и виды учебной работы 1.2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины - 3 зачетных единицы или

108 часов. Таблица 1

Вид учебной работы Всего часов

Форма обучения Очная Заочная

Общая трудоемкость дисциплины (ОТД) 108 В т.ч. аудиторные занятия:

лекции практические занятия (ПЗ) лабораторные работы (ЛР)

51 34 -

- - -

Самостоятельная работа студента (СРС) 23 - Промежуточный контроль, количество

в т. ч.: контрольная работа - -

- -

Вид итогового контроля (зачет, экзамен) Дифференцированный зачет

1.2.2. Перечень видов практических занятий и контроля:

- практические занятия; - дифференцированный зачет.

7

2. РАБОЧИЕ УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 2.1. Рабочая программа (объем 108 часов)

Введение

Причины повышения надежности и долговечности машин.

Износ поверхностей трения и его последствия. Положительные и отрицательные стороны возникновения трения.

Раздел 1. Введение. Основные понятия (8 часов)

Триботехника. Предмет и объект ее изучения. Место трибо-

техники в трибологии. Экономические причины появления науки о трении и износе.

Узлы трения в машинах и механизмах, их классификация. Понятие трения. Внутреннее трение. Внешнее трение. Условия осу-ществления внешнего трения. Режимы трения. Диаграмма Герси-Штрибека. Понятие изнашивания и износа. Единицы измерения. Виды изнашивания.

Раздел 2. Контактирование поверхностей твердых тел при тре-

нии и их свойства (16 часов)

Номинальная, контурная и фактическая площади контакта шероховатых тел. Основные геометрические характеристики по-верхностей твердых тел. Реальная топография поверхности. Пара-метры шероховатости. Кривая опорной поверхности. Основные за-кономерности процессов контактного взаимодействия скользящих поверхностей. Трение при граничной смазке. Механизм смазочного действия при граничном трении. Влияние режимов нагружения при граничном трении. Эффект Ребиндера. Жидкостное трение. Струк-тура поверхности твердого тела при его трении со смазкой.

8

Раздел 3. Молекулярно-механическая теория трения (12 часов)

Физическая модель возникновения сил внешнего трения. Молекулярная (адгезионная) и механическая (деформационная) со-ставляющие силы трения, их количественные соотношения. Моле-кулярная и механическая составляющие силы трения. Виды дефор-мирования поверхностного слоя пары трения. Факторы, влияющие на коэффициент трения: нагрузка, температура в зоне контакта, микрогеометрия поверхности, физико-механические свойства твер-дых тел. Переход от трения покоя к трению скольжения.

Раздел 4. Механизм изнашивания деталей пар трения

и рабочих органов машин (20 часов)

Трение качения, его природа, факторы, влияющие на сопро-тивление качению. Контактные напряжения при качении упругих тел. Разрушение поверхностей качения. Основные процессы изна-шивания. Понятие изнашивания, износа, интенсивности и скорости изнашивания, износостойкости, предельного износа. Классификация видов изнашивания. Элементарные процессы изнашивания: микро-резание, царапание, отслаивание выкрашивание, перенос материала. Изменения, вызванные деформацией, повышением температуры, химическим действием среды.

Раздел 5. Материалы деталей трибосопряжений и узлов трения

их применение (14 часов)

Черные металлы и их сплавы. Антифрикционные сплавы цветных металлов. Композиционные, полимерные материалы с ан-тифрикционными свойствами. Фрикционные материалы. Триботех-нические материалы с особыми свойствами.

Раздел 6. Смазывание деталей машин (12 часов)

Виды смазки. Механизм смазочного действия при граничной

смазке. Жидкие, пластичные (консистентные), твердые смазочные

9

материалы. Присадки к смазочным материалам Способы и системы смазывания: индивидуальная смазка, смазывание под давлением, смазывание погружением, закладкой и централизованный способы.

Раздел 7. Триботехнический анализ работы антифрикционных

пар трения (10 часов)

Общие положения триботехнического анализа. Триботехни-ческий анализ работы подшипников, зубчатых передач, уплотнений. Диагностика неполадок подшипников.

Раздел 8. Повышение износостойкости деталей машин (16 часов)

Основы проектирования пар трения. Правила сочетания ма-

териалов. Конструкционные, технологические, эксплуатационные способы повышения износостойкости. Поверхностное пластическое деформирование, антифрикционные и противоизносные покрытия. Химико-термическая обработка поверхностей. Методы и средства триботехнических испытаний.

Заключение

Конечные результаты исследований и разработок на основе

триботехники должны обеспечивать снижение затрат труда на тех-ническое обслуживание и текущий ремонт машин, снижение стои-мости капитальных ремонтов, уменьшение расхода запасных частей, экономию горюче-смазочных материалов, снижение металлоемко-сти конструкций узлов трения и повышение производительности машин. В целом, триботехника решает такие национальные пробле-мы, как экономия энергии, сокращение расхода материалов, а также повышение надежности и безопасности механических систем.

10

2.2. Тематический план дисциплины

2.2.1. Тематический план дисциплины для студентов очной формы обучения

Таблица 2

№ п/п

Наименование раздела

(отдельной темы) Количество часов

по очной

форме

обучения

Виды занятий и контроля

Лекции

ПЗ

(С)

ЛР

Самостоятельная

работа

Тесты

Контрольные

работы

ПЗ

(С)

ЛР

КР,

КП

ВСЕГО 108 51 34 - 23 - - - - -

1. Раздел 1. Введение. Ос-новные понятия

8 3 2 - 3 - - - - -

2. Раздел 2. Контактирова-ние поверхностей твердых тел при трении и их свой-ства

16 8 4 - 4 - - - - -

3. Раздел 3. Молекулярно-механическая теория тре-ния

12 4 6 - 2 - - - - -

4.

Раздел 4. Механизм из-нашивания деталей пар трения и рабочих органов машин

20 8 8 - 4 - - - - -

5.

Раздел 5. Материалы де-талей трибосопряжений и узлов трения их примене-ние

14 6 6 - 2 - - - - -

6. Раздел 6. Смазывание деталей машин

12 10 - - 2 - - - - -

7. Раздел 7. Триботехниче-ский анализ работы анти-фрикционных пар трения

10 4 4 - 2 - - - - -

8. Раздел 8. Повышение износостойкости деталей машин

16 8 4 - 4 - - - - -

11

2.3. Практический блок 2.3.1. Практические занятия

Таблица 3

Номер раздела (темы)

Наименование практических занятий Кол-во

часов 1. Термины, определения, понятия триботехники 2 2. Расчет контактных деформаций 2

2. Определение параметров шероховатости поверхности по профилограмме

2

3. Расчет коэффициента трения 2 3. Трение гибких тел 2 3. Оценка качества адгезива типа «холодная сварка» 2 4. Момент трения пяты 2 4. Определение коэффициента силы сухого трения 2

4. Количественная оценка потери давления на преодоление внешнего и межчастичного трения

2

4. Анализ условий разрушения поверхностей активно изна-шивающихся деталей

2

5. Черные сплавы, применяемые в триботехнике 2

5. Сплавы на основе цветных металлов триботехнического назначения

2

5. Неметаллические материалы триботехнического назначе-ния

2

12

Продолжение таблицы 3 Номер раздела (темы)

Наименование практических занятий Кол-во

часов 7. Определение величины коэффициента основного сопро-

тивления движению тележки 2

7. Подбор сочетания материалов для пар трения 2 8. Изучение конструкций средств триботехнических испыта-

ний 2

8. Повышение износостойкости трибосопряжений 2 ИТОГО 34

3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Библиографический список

Основной: 1. Богданович П.Н. Трение, смазка и износ в машинах: Учебн.

для вузов / П.Н. Богданович, В.Я. Прушак, С.П. Богданович. - Мн.: Тэхналогiя, 2011, 527 с.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника: учебное пособие / Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В.С. Гаврилюк. - М.: КноРус, 2015, 408 с.

3. Пенкин Н.С. Основы трибологии и триботехники: Учебн. по-собие / А.Н. Пенкин, В.М. Сербин. - М: Машиностроение, 2008, 206 с.

Дополнительный: 4. Мышкин Н.К. Трение, смазка, износ. Физические основы и

технические предложения трибологии / Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007, 368 с.

5. Триботехника в вопросах и ответах: Пособие для самостоя-тельной работы / М.А. Скотникова, К.Н. Войнов, Д.А. Пономарев, В.Б. Хмелевская, В.М. Мусалимов, С.Б. Герасимов, В.П. Лукьянчиков, Н.Б. Крылов, А.А. Ланина. СПб: ПИМаш, 2007, 88 с.

13

6. Фролов К.В. Современная трибология: Итоги и перспективы. М.: ЛКИ, 2008, 480 с.

3.2. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ

Введение

Повышение производительности труда, экономии топливно-

энергетических, материальных и трудовых ресурсов, обеспечение технического уровня и конкурентоспособности на мировом рынке продукции машиностроения зависят от эффективности, надежности, безопасности, машин и механизмов.

Одной из главных задач, стоящих перед машиностроением, является повышение надежности и долговечности машин.

Повышение долговечности отдельных машин на 30-40 % равноценно такому же увеличению производства, что приводит к высвобождению огромных финансовых, материальных и трудовых ресурсов. В тоже время, долговечность машин, под которой пони-мают способность сохранять работоспособность до предельного со-стояния, чаще всего определяется не поломками из- за низкой проч-ности отдельных деталей, а износом поверхностей трения, т.е. изме-нением их размеров вследствие изнашивания.

В результате износа нарушается герметичность, теряется точность взаимного перемещения деталей и т.п., и, как следствие этого, ухудшаются показатели работы машины.

Повышенный износ вызывают удары и вибрации, что может привести к авариям. Часто выход из строя многотонного агрегата обуславливается износом и потерей работоспособности небольшой детали, в то время как сам износ выражается долями миллиметра.

Таким образом, износ в большой мере определяет срок службы машин. Например, для закрытой зубчатой передачи это не-сколько тысяч часов, цепной - несколько сот часов. Изношенное оборудование подвергается ремонту, при этом его стоимость часто в 3-10 раз превышает стоимость нового изделия. Другая сторона про-блемы состоит в том, что при работе машин значительная часть энергии бесполезно расходуется на трение.

14

Но трение не всегда играет отрицательную роль. Например, в тормозных устройствах автомобилей, тракторов, железнодорожных поездов, самолетов требуется решать обратную задачу - повысить силу трения. С использованием силы трения работают резьбовые соединения, соединения с гарантированным натягом, фрикционные и ременные передачи и другие механизмы.

Раздел 1. Введение. Основные понятия

Исследования в области механики контактных взаимодейст-

вий, химических и диссипативных процессов в поверхностных и приповерхностных слоях трущихся материалов показывают, что ма-териал в указанных слоях в процессе трения резко изменяет свое физическое состояние, меняя механизм контактного взаимодейст-вия. Происходят существенные изменения в суб- и микроструктуре поверхностных микрообъемов. Изучение кинетики структурных, фазовых и диффузионных превращений, прочностных и деформаци-онных свойств активных микрообъемов поверхности, элементарных актов деформации и разрушения, поиск числовых критериев опти-мального структурного состояния, оценок качества поверхности яв-ляются фундаментальной основой в создании материалов и смазоч-ных сред триботехнических систем.

Межатомный масштаб связан с характерным сдвигом, про-изводимым элементарными носителями пластической деформации (дислокациями). В легированных металлических системах величина межатомного расстояния отражает количественный элементный со-став твердых растворов и представляет собой идентификатор фазо-вого состава; в нем заложена информация о диффузионных процес-сах в материале.

В последние годы стремительными темпами во всех разви-тых странах мира развивается триботехника, что в первую очередь связано с требованиями создания экономичных и долговечных ма-шин, приборов и аппаратов, технологического оборудования и инст-рументов, а также с экологическими проблемами.

15

Триботехника – наука о контактном взаимодействии твёр-дых тел при их относительном движении, охватывающая весь ком-плекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин.

Вопросы развития триботехники можно подразделить на следующие части, которые содержат самостоятельные этапы: учение о трении и изнашивании деталей машин; конструктивные решения вопросов трения и изнашивания; технологические методы повыше-ния износостойкости деталей; эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.

Первые попытки осмыслить природу трения были сделаны Аристотелем. Опираясь на наблюдаемые факты, он отмечал, что любое, в том числе равномерное, перемещение реальных тел в гори-зонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление, причем это сопротивление зависит от веса тела.

Значительный вклад в изучение причин трения внес Леонар-до да Винчи. Обосновывая невозможность создания вечного двига-теля, одной из причин этого он считал трение. Леонардо да Винчи впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила тре-ния зависит от материала соприкасающихся поверхностей, от каче-ства их обработки, прямо пропорциональна нагрузке и может быть уменьшена путем установки роликов или введения смазки между поверхностями трения. Он является изобретателем роликового и шарикового подшипников.

Открытие Галилеем в конце XVI века закона инерции и по-нятия о массе тела позволило четко разграничить сопротивление движению, вызываемое инерцией и возникающее лишь при измене-нии скорости, от сопротивления внешней среды, которое имеется и при постоянной скорости и вызвано силами внешнего трения.

В 1699 г. француз Амонтон впервые сформулировал знаме-нитый эмпирический закон линейной зависимости силы трения от нагрузки:

F = f·N, где f – коэффициент трения; N – нормальная к плоскости

трения нагрузка. Большую роль в дальнейшем развитии представлений о тре-

нии сыграл Л. Эйлер, первый убедительно объяснивший (в 1750 г.)

16

причину того факта, что сопротивление при переходе от состояния покоя к относительному движению всегда больше, чем сопротивле-ние скольжению при тех же условиях.

Создателем науки о трении по праву считается великий французский ученый Шарль Кулон. В своем труде «Теория простых машин» (1781 г.) он охватил основные аспекты трения: сопротивле-ние скольжению, сопротивление качению и сопротивление страги-ванию.

При исследовании трения скольжения различных металлов, минералов и сортов дерева Кулон обобщил закон Амонтона, пока-зав, что часть силы трения не зависит или слабо зависит от нагрузки:

F = f·N + А, где А – часть силы трения, зависящая от «сцепляемости» по-

верхностей трения и площади касания. Кулон был первым, кто понял, что трение обусловлено мно-

жеством факторов (нагрузкой, скоростью скольжения, материалом трущихся деталей, шероховатостью их поверхностей и др.). Иссле-дуя трение качения, Кулон впервые вывел формулу сопротивления перекатыванию:

F = N/r, где - коэффициент трения качения, имеющий размерность

длины; N – вес свободно катящегося цилиндра радиусом r. Эта классическая формула используется и сейчас, хотя пред-

принимались многочисленные попытки ее опровергнуть. Несмотря на фундаментальный вклад Кулона в теорию трения, он игнорировал энергетический и тепловой аспекты этого явления, без которых ме-ханизм трения понять невозможно.

Первым ученым, доказавшим, что механическая энергия при трении не исчезает, а превращается в тепло, был англичанин Бенд-жамин Томпсон (1798 г.). Наблюдая за сверление пушечных ство-лов, он пришел к выводу, что сильный нагрев заготовок есть прямой результат перехода подводимой к сверлу механической энергии в тепловую вследствие интенсивного трения инструмента о металл.

Дальнейший вклад в энергетические аспекты теории трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмгольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны и первые

17

предположения об адгезионной природе трения (адгезия – сцепле-ние, слипание поверхностей прижатых друг к другу тел). Исследо-вание роли адгезионных связей в трении получило дальнейшее раз-витие в различных физических теориях трения в 30-40-х годах XX в. (советские ученые В.Д. Кузнецов, Б.В. Дерягин, англичанин Д.А. Томлинсон и др.). В течение многих лет выдвигались и обосно-вывались различные гипотезы и модели трения. Однако оказалось, что познать в известном смысле сложную и сверхсложную систему (явление) - это значит разумно упростить ее, сохраняя все необхо-димые и достаточные факторы.

Таким выдающимся упрощением явилась модель дискретно-го контактирования твердых тел при трении и гипотеза о двойствен-ной природе фрикционного контакта твердых тел. В 50-60-х годах XX в. И.В. Крагельским, Ф. Боуденом и Д. Тейбором на основе этой модели была создана современная молекулярно-механическая тео-рия трения. На сегодняшний день важнейшим итогом развития этой теории является четкая картина процессов трения и износа твердых тел, охватывающая физические (включая механические) и химиче-ские сопутствующие явления.

Анализ предложенных модели и гипотезы позволил И.В. Крагельскому сформулировать и рассмотреть три последова-тельных и взаимосвязанных этапа процесса трения, а именно:

- взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды взаимодействия;

- изменение поверхностных слоев в результате взаимодейст-вия;

- разрушение поверхностей вследствие двух предыдущих этапов.

Согласно молекулярно-механической теории процесс трения представляется, как результат двух взаимосвязанных процессов: де-формации контактирующих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материалов на пятнах фактического контакта.

Высокие фактические давления на дискретных фактических контактах в сочетании со скоростью скольжения обуславливают значительные температуры в зонах касания, приводят к существен-ным изменениям с учетом влияния среды свойств поверхностных

18

слоев, вызывают значительные механические и температурные на-пряжения в микро- и макрообъемах, способствуют протеканию хи-мических процессов с образованием вторичных соединений и струк-тур, активизируют взаимную диффузию. Такое взаимодействие по-верхностей формирует так называемое «третье тело», что сущест-венно меняет в первую очередь молекулярную (адгезионную) со-ставляющую силы трения.

Силы молекулярного взаимодействия, развивающиеся в зоне фактического контакта, оказывают сопротивление взаимному пере-мещению поверхностей и тем самым влияют на силу трения. Со-гласно молекулярно-механической теории трения суммарный коэф-фициент трения равен:

f = F/N = (Fм + Fд)/N = fм + fд , где F – суммарная сила трения; N – нормальная нагрузка; Fм

– молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения; Fд – ме-ханическая (деформационная) составляющая силы трения; fм - моле-кулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения; fд - механическая (деформационная) составляющая коэффициента тре-ния.

Измененный тонкий поверхностный слой испытывает очень большие деформации, его свойства в сочетании с объемными свой-ствами определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления.

Триботехнику делят на 4 раздела: 1.Основы износостойкости при трении. 2.Конструктивные методы повышения долговечности и на-

дежности машин 3.Технологические способы повышения долговечности тру-

щихся деталей. 4.Вопросы эксплуатации машин, связанные с обеспечением

износостойкости; основы надежности машин. Внешнее трение – явление сопротивления относительному

перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкос-новения поверхностей и сопровождающееся диссипацией энергии. Сила трения направлена тангенциально и характеризует сопротив-ление относительному перемещению трущихся тел. Различают тре-ние покоя, движения, скольжения, верчения, качения и качения со

19

скольжением. Частным случаем трения является трение верчения с качением и скольжением. По виду взаимодействия поверхностей и состоянию смазочного слоя различают трение: физически чистых (ювенильных) поверхностей, при граничной смазке, при гидродина-мической (газодинамической) смазке, при гидростатической (газо-статической) смазке, при контактно-гидродинамической (эласто-гидро-динамической) смазке, в условиях электромагнитных взаимо-действий. В практике часто встречаются смешанные режимы смазки и соответственно трения.

Коэффициент трения – отношение силы трения к нормаль-ной силе, прижимающей тела друг к другу.

Коэффициент сцепления – отношение наибольшей силы тре-ния покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу.

Антифрикционность — свойство трущихся тел (материалов) реализовать низкие значения силы (коэффициента) трения, фрикци-онность — высокие значения силы (коэффициента) трения. Понятие фрикционного взаимодействия используется как характеристика взаимодействия твердых тел при трении.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установ-ленных единицах (длина, объём, масса и др.).

Изнашивание – процесс поверхностного разрушения и изме-нения размеров тела при трении вследствие отделения материала с поверхности твердого тела, накопления необратимых остаточных деформаций поверхностных слоев трущихся тел.

Скорость изнашивания – отношение износа к интервалу времени, в течение которого он происходил. Различают мгновенную и среднюю скорости изнашивания.

Интенсивность изнашивания – отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. Обычно применяется при выражении длительности работы двигателей в часах или пробегом автомобиля в тыс. км.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопро-тивление изнашиванию в определённых условиях трения, оценивае-

20

мое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Относительная износостойкость – отношение износостой-кости испытуемого материала к износостойкости эталонного мате-риала в одинаковых условиях трения.

Смазочный материал – материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнаши-вания.

Смазка – действие смазочного материала, в результате кото-рого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.

Смазывание – подведение смазочного материала к поверхно-сти трения.

Прирабатываемость материала деталей – свойство мате-риала уменьшать силы трения, температуру поверхностей и интен-сивность изнашивания в процессе приработки.

Схватывание при трении – явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекуляр-ных сил при трении.

Заедание поверхностей – процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и пере-носа материала.

Задиры поверхностей – повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

Трение покоя – трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения – трение двух тел, находящихся в относи-тельном движении.

Трение скольжения – трение движения двух твёрдых тел, при котором скорости тел в точках касания различны по величине и на-правлению, или по величине или направлению.

Трение качения – трение движения двух твёрдых тел, при ко-тором их скорости в точках касания одинаковы по величине и на-правлению.

Сила трения – сила сопротивления при относительном пере-мещении одного тела по поверхности другого под действием внеш-

21

ней силы, направленной по касательной к общей границе между этими телами.

Наибольшая сила трения покоя – сила трения покоя, любое превышение которой ведёт к возникновению движения.

Скорость скольжения – разность скоростей тел в точках ка-сания при скольжении.

Поверхность трения – поверхность тела, участвующая в трении.

Срок службы машин - календарная продолжительность экс-плуатации изделия до разрушения или другого предельного состоя-ния. Предельное состояние может устанавливаться по изменениям параметров, условиям безопасности, экономическим показателям, по необходимости первого капитального ремонта и т.п.

Выход из строя деталей и рабочих органов машин при нор-мальных условиях эксплуатации является следствием физического износа разных видов: усталостных разрушений, ползучести мате-риалов, механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старе-ния материала и др.

Особенно велик износ деталей и рабочих органов машин-орудий, которые эксплуатируются в абразивной и агрессивной сре-дах, и деталей транспортных машин, работающих в условиях грязи и пыли. Например, ресурс дробящих плит составляет в среднем 4...6 месяцев, зубьев ковшей экскаваторов, скреперов и бульдозеров, шнеков – 6-8 месяцев. На дробилке массой 6 т. при дроблении высо-коабразивных пород расходуется в год 17 т. дробящих плит. Кон-трольные сроки службы до капитального ремонта угольных комбай-нов 8-12 месяцев, а конвейеров в угольных шахтах – 2-3 года. Дизе-ли, установленные на мощных автосамосвалах, требуют капитально-го ремонта после 1500-2000 часов работы, т.е. через 6-8 месяцев. Бортовые шестерни тракторов работают до замены не более 2000…2500 ч., срок службы транспортных трансмиссий до ремонта составляет 2500…3500 ч. За сезон работы тракторов на песчаных почвах приходится заменять два-три комплекта гусениц, что в сред-нем обходится в 50% стоимости нового трактора. Лемех тракторно-го плуга в среднем обрабатывает до полного износа всего 15…20 га почвы, это вынуждает ежегодно изготовлять для сельского хозяйст-

22

ва свыше 20 млн. лемехов, не говоря уже о том, что на тяжелых поч-вах режущая кромка лемеха требует ремонта через 4…6 га работы плуга. Годовая потребность в запасных звеньях приводных цепей горных машин составляет около 100 млн. штук.

Большинство машин (85...90 %) выходит из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз.

Причинами малого ресурса двигателей после ремонта явля-ются:

- низкое качество обработки поверхностей деталей; станки ремонтных предприятий не обеспечивают той точности обработки, которую имеют детали, изготовленные на заводах серийной продук-ции;

- отсутствие средств надежной промывки деталей перед сборкой, запыленность абразивной пылью сборочных цехов, в целом - невысокая культура производства;

- плохая приработка деталей после ремонта, отсутствие со-временных испытательных стендов, приборов, контролирующих процесс приработки, загрязненность абразивами смазочных и гид-равлических систем;

- недостаточная специализация производства на ремонтных предприятиях по сравнению с ее уровнем на заводах серийной про-дукции, что не позволяет разрабатывать и реализовывать наиболее рациональные технологические процессы; результатом этого явля-ется, в первую очередь, малый срок службы деталей.

Большие материальные потери народное хозяйство терпит от повышенного трения в узлах машин. Известно, что более половины топлива, потребляемого автомобилями, тепловозами и другими ви-дами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, соз-даваемого трением в подвижных сочленениях. В текстильном про-изводстве на преодоление сопротивления трению затрагивается око-ло 80% потребляемой энергии. Низкие КПД многих машин обуслов-лены главным образом большими потерями на трение. Так, КПД глобоидного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежу-щем оборудовании, шахтных подъемниках и др., в приработанном

23

состоянии составляет только 0,65...0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, всего лишь 0,25.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается суть науки трибологии? 2. Что такое триботехника? 3. Перечислите разделы трибологии. 4. Что такое сила трения? 5. В чем заключается молекулярно-механическая теория трения?

Раздел 2. Контактирование поверхностей твердых тел

при трении и их свойства

Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей по вершинам, образованным микронеровностями (рис. 1). Выделяют три площади контакта:

- номинальную площадь контакта, соответствующую номи-нальным сопрягаемым размерам деталей;

- фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкосновения;

- контурную площадь касания, представляющую собой сум-му площадок, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта.

Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу выступы сопряжённых поверхностей, сумма высот кото-рых наибольшая. Деформация неровностей и их основ вызывает сближение поверхностей. Возможны следующие виды деформации выступов: упругая, упругопластическая и упругопластическая с уп-рочнением.

Фактическая площадь контакта возрастает с увеличением на-грузки, снижения шероховатости поверхности и росте радиуса за-кругления вершин её неровностей; она несколько увеличивается при большой длительности действия нагрузки. При сопряжении двух различных материалов площадь фактического контакта определяет-

24

ся физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твёрдого тела.

Рис. 1. Формирование номинальной Аа, контурной Ас и фактической Аr площадей

контакта при фрикционном взаимодействии твердых тел

Основной целью введения смазочных материалов между по-верхностями сопряжённых деталей, находящихся во фрикционном контакте, является уменьшение потерь на трение, предотвращение заедания и снижение износа пар трения. Это достигается тем, что внутреннее трение в смазочных материалах существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей, и исключение (миними-зация) непосредственного контакта пар трения приводит к оптими-зации фрикционно-износных характеристик сопряжения.

По характеру взаимоперемещения трущихся деталей разли-чают два вида трения: трение покоя – трение двух тел при предвари-тельном смещении и трение движения – трение двух тел, находя-щихся в относительном движении. Трение движения в свою очередь подразделяется по характеру движения (трение скольжения и трение качения) и по наличию смазочного материала (трение без смазки, граничное трение, смешанное и жидкостное трение).

Трение без смазочного материала – это трение двух твёрдых тел при отсутствии на поверхностях трения введённого смазочного материала или загрязнений. Этот вид трения реализуется в тормозах, фрикционных передачах, узлах машин пищевой, текстильной или химической промышленности, где смазочный материал во избежа-ние порчи продукции, а также по соображениям безопасности недо-пустим, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких

25

температур, когда любой смазочный материал не пригоден. Данный вид трения имеет молекулярно-механическую природу. На площад-ках фактического контакта поверхностей действуют силы молеку-лярного притяжения, которые увеличиваются с повышением темпе-ратуры. Молекулярные силы вызывают на том или ином числе уча-стков адгезию. Адгезия – образование молекулярной связи между поверхностями разнородных твёрдых или жидких тел. Одним из проявлений действия адгезионных сил является схватывание, при этом образуются прочные металлические связи в зонах непосредст-венного контакта поверхностей. Схватывание зачастую сопровожда-ется глубинным вырыванием металла с поверхности, приводящим к катастрофическому износу.

Трение со смазочным материалом. Граничное трение. Прак-тически все тяжелонагруженные узлы трения современных машин и механизмов в определённые моменты времени работают в режиме граничного трения. Поверхности трения при этом не разделены сло-ем жидкости, а непосредственный металлический контакт, приво-дящий к их повышенному износу и заеданию узла трения, предот-вращается (или минимизируется) образованием граничных слоёв различного происхождения на рабочих поверхностях пар трения.

Толщина и прочность граничных слоёв зависит от химиче-ского состава масла и входящих в него присадок, особенностей, хи-мической структуры и состояния поверхностей трения. Поведение граничных слоёв не зависит от вязкости, а определяется взаимодей-ствием молекулярных плёнок масла с поверхностью металла.

Явление образования на поверхности твёрдого тела тончай-ших плёнок газов, паров или растворённых веществ, либо поглоще-ние этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией. Адсорб-ция бывает физическая и химическая (хемосорбция). При хемосорб-ции полярные концы молекул смазочного материала, связываясь с поверхностью, образуют на ней монослой химических соединений. Во многих случаях физическая и химическая адсорбция протекают одновременно, но одна из них является доминирующей.

Создание смазочных плёнок силами адсорбции обуславлива-ется наличием в смазочных материалах поверхностно-активных ве-ществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Способность смазоч-

26

ных материалов, содержащих ПАВ, образовывать на смазываемых поверхностях достаточно прочные слои ориентированных молекул, обычно называют маслянистостью или смазывающей способностью масел.

Устойчивые химические плёнки фосфатов, хлоридов или сульфидов создаются на поверхности материала благодаря присут-ствию в смазочных материалах соответствующих химических эле-ментов. К плёнкам этого типа относят также различные мыла, обра-зовавшиеся из высших органических кислот, находящихся в масле. Большая скорость образования хемосорбированных плёнок обеспе-чивает их быстрое восстановление в местах разрушения граничного слоя.

Способность граничных слоёв уменьшать потери на трение, снижать износ и предотвращать заедание пар трения объясняется следующими причинами:

- граничные слои разделяют трущиеся поверхности на рас-стояния, превышающие радиус действия адгезионных сил;

- наличием анизотропии механических свойств граничных слоёв. Граничные слои способны не разрушаясь, выдерживать большие нормальные нагрузки. В то же время, при относительно невысоких тангенциальных усилиях происходит сдвиг граничных слоёв по плоскостям наилучшего скольжения;

- активные компоненты смазочного материала вызывают сорбированное пластифицирование поверхностных слоёв, избира-тельное растворение некоторых составляющих поверхностного слоя металла и перенос их на ответную поверхность, что также снижает поверхностную прочность.

В реальных условиях эксплуатации, при реализации гранич-ной смазки имеет место металлический контакт рабочих поверхно-стей по вершинам отдельных микронеровностей. Реализуемый ме-таллический контакт оказывает большое влияние на величину коэф-фициента трения:

f = fм + (1 - )fс, где f – коэффициент трения при граничной смазке; - доля

металлического контакта, увеличивающаяся с ростом температуры узла трения; fм и fс – коэффициенты трения при чисто металлическом

27

контакте и контакте через неповреждённую граничную плёнку соот-ветственно.

На участках металлического контакта идёт умеренное адге-зионное изнашивание по вершинам отдельных микронеровностей. В первом приближении износ при граничной смазке определяется из выражения:

V = Vм + (1 - )Vс, где Vм – адгезионный износ на участке металлического кон-

такта; Vс – износ под слоем смазочного материала. Величиной Vс для условий смазывания абсорбционным сло-

ем можно пренебречь, тогда V = Vм. Поскольку температура является фактором, оказывающим

определяющее влияние на процесс трения при граничной смазке, оценивать переход от лёгких условий работы узла трения в этом ре-жиме к тяжёлым, а от тяжёлых к катастрофическим наиболее рацио-нально, используя обобщённую температурную зависимость коэф-фициента трения (рис. 2).

Рис. 2. Обобщённая зависимость коэффициента трения от температуры при гранич-ной смазке

Эта зависимость характеризуется тремя переходными темпе-

ратурами: tкр1, tкр2 и tхм. При температуре tкр1 в результате интенси-фикации процесса десорбции поверхностно активных молекул с по-верхности трения происходит дезориентация граничного слоя, кото-рый вследствие этого теряет свою несущую способность и не может препятствовать металлическому контакту трущихся поверхностей. Это сопровождается резким повышением коэффициента трения, ин-

28

тенсивным адгезионным изнашиванием сопряжённых деталей, за-еданием сопряжения и выходом из строя узла трения.

Если в смазочном материале имеются химически активные компоненты, то, разлагаясь под действием температуры, силового поля твёрдого тела и каталитического воздействия обнажённой по-верхности металла, они выделяют активные агенты, вступающие в реакцию с металлом поверхности. То есть по мере роста температу-ры увеличивается доля β покрытия поверхности контактирующих тел модифицированным слоем с толщиной, достаточной для эффек-тивного разделения пар трения. Коэффициент трения снижается до тех пор, пока при температуре tхм значение β достигнет некоторой критической величины, вследствие чего устанавливается такое зна-чение коэффициента трения, которое остаётся практически постоян-ным в достаточно широком интервале температур. По мере повы-шения температуры увеличивается скорость образования модифи-цированного слоя. Одновременно увеличивается скорость разруше-ния этого слоя в результате изнашивания и диссоциации. Когда в точке, соответствующей критической температуре tкр2 скорость раз-рушения модифицированного слоя превысит скорость его образова-ния, будет иметь место металлический контакт пар трения, резкое повышение коэффициента трения, смена коррозионно-механического изнашивания интенсивным адгезионным, заедание и выход узла трения из строя.

Характерна зависимость износа от концентрации химически активных компонентов в смазочном материале - увеличение концен-трации реагента приводит к снижению износа до определённой ми-нимальной величины, после чего дальнейшее повышение содержа-ния реагента в среде стимулирует рост корозионно-механического изнашивания.

Жидкостное трение характеризуется тем, что трущиеся по-верхности разделены слоем жидкого смазочного материала (масла, находящегося под давлением). Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Слой смазочного материала называют несущим слоем. Толщина смазочного материала превы-шает толщину граничной пленки. Этот режим трения со свойствен-ным ему малым коэффициентом трения является оптимальным для

29

узлов трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и изно-состойкости.

В зависимости от давления в смазывающей пленке и способа ее образования различают гидростатическую, гидродинамическую и эластогидродинамическую смазку.

Сопротивление относительному перемещению твёрдых тел, полностью разделённых слоем жидкости или газа, определяется внутренним трением этой среды, её вязкостью. Под вязкостью по-нимают объёмное свойство газообразного, жидкого или полужидко-го вещества оказывать противодействие относительному перемеще-нию составляющих его частиц. Простая модель трения при жидко-стной смазке - две параллельные пластины А и В бесконечной длины разделены слоем жидкости толщиной h.

Так как молекулы жидкости в слоях, прилегающих к пласти-нам, прилипают к ним, то на границе с пластиной А внешний слой жидкости увлекается ею и имеет скорость vА, а на границе с пласти-ной В жидкость имеет скорость vB=0. При не слишком больших ско-ростях перемещения имеет место ламинарный режим течения жид-кости. Для такого случая, согласно закону вязкого течения, сформу-лированному Ньютоном, сила внутреннего трения F прямо пропор-циональна градиенту dv/dh и площади сдвига S:

F=S(dv/dh), где – динамическая вязкость смазочного материала, Па·с. Условием реализации жидкостной смазки является сущест-

вование слоя смазочного материала, толщина которого при прило-женных нагрузках превышает суммарную высоту микронеровностей сопряжённых поверхностей. Это может быть обеспечено в результа-те поступления жидкости в зазор между поверхностями трения под внешним давлением – гидростатическая смазка, или под действием давления, самовозбуждающегося в слое жидкости при относитель-ном движении поверхностей. Такой режим смазки называется гид-родинамическим.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для гидроди-намического трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения, скорости относительного перемещения трущихся по-верхностей, удельного давления на них, вязкости смазочного мате-

30

риала, площади трущихся поверхностей, величины зазора между ними, температурного состояния узла трения и др.

Условиями, необходимыми и достаточными для создания гидродинамического трения, являются:

- наличие смазочного материала, который, кроме основного свойства – вязкости, обладает способностью прилипания к твердым телам;

- относительное перемещение поверхностей вала и подшип-ника;

- наличие щели вначале сужающейся, а затем расширяющей-ся в направлении вращения.

Наиболее типичным примером гидродинамической смазки является работа подшипника скольжения (рис. 3). Если в зазоре ме-жду валом и подшипником имеется смазочный материал, то при вращении вала прилипшие к его поверхности слои масла будут дви-гаться с той же скоростью, что и сам вал, причём они увлекают за собой прилегающие слои масла. По мере увеличения скорости вра-щения вала жидкость будет затягиваться в зазор и отжимать вал вверх и влево (вал всплывает).

Если режим работы узла трения не стимулирует образование жидкостной смазки, то поверхности от металлического контакта и последующего катастрофического износа и заедания предохраняют только граничные смазочные слои, и узел трения работает в режиме граничной смазки.

При этом виде смазки антифрикционные и противоизносные свойства трущихся сопряжений определяются не объёмными свой-ствами смазочных материалов, а свойствами граничных слоёв, обра-зованных в результате взаимодействия активных компонентов сма-зочного материала с поверхностными слоями пар трения.

31

Рис. 3. Схемы положения равновесия вала в подшипнике:

а – вал неподвижен (v = 0); б – положение вала при гидродинамическом смазыва-нии; в – положение вала при v →∞; ОП и ОВ – соответственно центры подшипника и

вала

Долю времени существования того или иного режима трения можно оценить параметром называемым «продолжительность суще-ствования смазочного слоя» Рж. При Рж=1 обеспечивается жидкост-ное трение, Рж=0 – трение граничное или без смазочного материала, 0 <Рж< 1 – смешанное трение.

Наглядное представление об условиях перехода одного ре-жима трения в другой дает совмещение (рис. 4) диаграммы Герси с зависимостью величины параметра Рж, в которой коэффициент тре-ния f и параметр Рж связаны с параметром ·v/N, называемым чис-лом Герси (η - динамическая вязкость, Па·с; v – линейная скорость относительного перемещения, м/c; N – внешняя нагрузка на смазоч-ный слой, Н).

Другой подход в оценке режима трения заключается в том, что вероятность реализации гидродинамического или граничного режима смазки оценивают по величине удельной толщины смазоч-ного слоя , представляющей собой отношение величины h смазоч-ного слоя в зоне минимального зазора к характеристике высоты не-ровностей рабочих поверхностей этих деталей:

22a

2a1 RR

h

,

32

где Ra1 и Ra2 – параметры шероховатости рабочих поверхностей со-ответственно первой и второй контактирующих деталей.

Если >3, то имеет место гидродинамический (жидкостный) режим смазки, если <1 то граничный, если 1<<3, то можно допус-тить реализацию смешанной смазки.

Рис. 4. Совмещение диаграммы Герси с зависимостью продолжительности сущест-

вования смазочного слоя от числа Герси: I – трение без смазочного материала; II – трение при граничной и смешанной смаз-

ке; III – трение при жидкостной смазке

Гидродинамическая смазка наиболее широко распростра-нённый в технике вид жидкостной смазки. Она имеет место в под-шипниках и подпятниках скольжения, на средних участках хода поршня в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгора-ния, в быстроходных легконагружаемых хорошо приработанных зубчатых передачах и т.д. Коэффициент трения при гидродинамиче-

33

ской смазке, как правило, составляют 0,001 – 0,01, т. е. энергетиче-ские потери в таких сопряжениях очень малы.

Гидростатическая смазка заключается в образовании между сопрягаемыми поверхностями пленки жидкости, в которой статиче-ское давление, возникающее в результате постоянной циркуляции жидкости, поддерживаемой извне, уравновешивает внешнюю на-грузку, полностью отделяя друг от друга поверхности узла трения. Толщина смазочной пленки почти не зависит от нагрузки, несущая способность мало зависит от относительной скорости трущихся по-верхностей, сопротивление трению практически отсутствует.

Такой способ смазки обеспечивает большую свободу в вы-боре конструктивного решения. Его уникальное достоинство в том, что сопротивление трения мало при разгоне неподвижных деталей машин.

Принцип гидростатической смазки нашел повсеместное применение для многих деталей машин, он применяется в следую-щих случаях:

- в упорных подшипниках; - при подъеме валов тяжелых роторных машин для снижения

трения при их разгоне; - в радиальных подшипниках скольжения, когда угловая ско-

рость вала мала для образования достаточной пленки жидкости; - в направляющих для снижения трения в деталях, участ-

вующих в прямолинейном движении; - для поддержания заданного зазора между поверхностями. Эластогидродинамическая смазка (ЭГД смазка) реализуется

в подшипниках качения, зубчатых передачах, кулачковых механиз-мах. Теория ЭГД смазки появилась, как обобщение классической теории гидродинамики при учете условий контакта, влияющих на свойства смазочной жидкости и деформацию контактирующих де-талей.

В ЭГД теории не учитываются изменения вязкости и объема смазочного материала в зависимости от температуры, но учитывает-ся изменение вязкости от давления.

Некоторые общие закономерности при ЭГД смазке:

34

- для данной нагрузки и скорости качения минимальная тол-щина ЭГД пленки значительно больше, чем по классической теории;

- в диапазоне упругих деформаций поверхностей толщина ЭГД пленки мало зависит от нагрузки.

Смешанным трением (полужидкостной смазкой, переход-ным смазочным процессом) называется сумма всех или, по крайней мере, двух видов трения. При этом часть трущихся поверхностей контактирует непосредственно (трение без смазочного материала), а часть разделена граничной пленкой (граничное трение) или слоем смазочного материала (гидродинамическое или эластогидродинами-ческое трение).

Смешанное трение имеет место при малой скорости движе-ния и большом удельном давлении, например, при запуске или оста-новке машины. Тогда смазочный материал не полностью разделяет поверхности трения взаимодействующих деталей. Часть нормальной нагрузки передается микрополостями контакта, а часть передается через смазочный слой (рис. 5).

Рис. 5. Схема образования неровностями пар трения А и В элементарного гидроди-

намического клина: v – скорость относительного перемещения; 1 – величина деформации; 2 – масляный клин

Контрольные вопросы

1. Что такое фактическая площадь контакта? 2. Перечислите возможные деформации выступов. 3. Перечислите режимы трения при трении скольжения.

35

4. Что такое граничное трение? 5. Что характеризует диаграмма Герси? 6. Что такое трение покоя? 7. Что такое трение скольжения? 8. Что такое трение качения?

Раздел 3. Молекулярно-механическая теория трения

В технике под поверхностью детали понимают наружный

слой последней, который по строению и другим физическим свойст-вам отличается от внутренней части. Комплекс свойств, приобре-таемых поверхностью детали в результате ее обработки, характери-зуется обобщенным понятием «качество поверхности».

Качество поверхности определяется шероховатостью, волни-стостью, геометрией и физико-химическими свойствами и обуслов-лено процессом ее обработки. Обработанную поверхность деталей можно условно разбить на внешнюю и внутреннюю. Внешняя по-верхность определяется макрогеометрическими параметрами; она доступна для прямых оптических и механических исследований. Внутренняя поверхность недоступна для прямых исследований, по-скольку находится внутри объема образца. Она образована много-численными дислокациями, вакансиями микротрещинами и микро-щелями, сообщающимися между собой и являющимися различными дефектами микроструктуры металла.

Между внешней и внутренней фазовыми поверхностями ме-талла не существует никакой физической границы – одна непосред-ственно переходят в другую.

Сложная система соединяющихся между собой микротре-щин и микрощелей, пронизывая весь объем металла детали, имеет многочисленные выходы на внешнюю поверхность в виде устьев микрощелей и микротрещин, являющихся областью перехода.

Внешнюю и внутреннюю поверхности металла детали мож-но схематично представить в разрезе следующим образом (рис. 6).

36

Рис. 6. Схема разреза металлического образца: 1 – внешняя поверхность; 2 – внут-ренняя поверхность; А – волнистость; Б – шероховатость (микроскопический и

ультрамикроскопический профили поверхности); В – микротрещины и субмикрот-рещины

Внешняя поверхность металла может быть названа ювениль-

ной или физически чистой, так как на ней отсутствуют молекулы или атомы чуждых ей элементов. Поверхность, близкую к ювениль-ной, можно получить путем прогрева или излома в глубоком вакуу-ме, а также некоторыми другими методами. В обычной атмосфере, во многих газовых и жидких средах поверхность металла теряет ювенильные свойства вследствие действия кислорода воздуха, раз-личных газов, влаги и других факторов. Взаимодействие ювениль-ной поверхности металла с окружающей средой характеризуется различными процессами, начиная от чисто химических (окисление) и кончая физическими (ван-дер-ваальсовая адсорбция). Таким обра-зом, вся внешняя поверхность металла, включая микротрещины и щели, выходящие на поверхность, покрыта окисными пленками, мо-лекулами адсорбированных газов и других веществ различной при-роды (рис. 7).

Поверхностный слой неоднороден по строению (рис. 7). Граничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме. Слой 2 - деформированный, сильно раз-дробленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуг-лероженными под действием высоких температур при шлифовании участками; в нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и

37

трещины. Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления шлифовального круга и тангенциальных сил при шлифовании; в нем содержится структурно-свободный цемен-тит, образовавшийся под действием высоких температур. Слой 4 - металл с исходной структурой.

Рис. 7. Схема основных видов адсорбционных слоев на поверхности металла: 1 – адсорбционный слой газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости; 2 – зона деформированного металла; 3 – слой окислов металла; 4 – первичная объемная

структура металла.

Между окисными слоями, находящимися на поверхности металла, и основным металлом существует тонкий слой толщиной до 10 мкм, состоящий из очень мелких кристаллов. Состав и струк-тура этих кристаллов отличаются от соседних слоев металла. По-верхность же раздела между металлом и окислом, как правило, очень извилистая. Таким образом, в обычных условиях поверхность металлов и сплавов покрыта не только слоем окисных или гидро-окисных пленок, но и молекулами веществ различной природы, ад-сорбированных на ней.

38

Геометрические характеристики качества поверхности по уменьшению их абсолютных значений могут быть подразделены на:

- отклонения формы (макрогеометрия) – S/R > 1000 (S – шаг неровностей, а R – их высота);

- волнистость – 1000 ≥ S/R ≥ 40; - шероховатость (микрогеометрия) – S/R < 40; - субмикрошероховатость (субмикрогеометрия). В отдельных случаях величины (размеры), например, откло-

нений формы и волнистости и шероховатости могут быть соразмер-ны. Сложность выделения каждой характеристики обусловлена тем, что все отклонения от «идеальной» поверхности «накладываются» друг на друга.

Отклонения формы обусловлены неточностью обработки и зависят от геометрической неточности станка, кинематической не-точности, станка, неточности мерного и профильного инструмента, неточности настройки станка и контроля детали, от упругих и тем-пературных деформаций станка, заготовки и инструмента, от де-формации связанной с внутренними напряжениями, размерного из-носа инструмента.

Под волнистостью поверхности понимают совокупность периодически повторяющихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим принимаемую при измерении шероховатости базовую длину.

Волнистость определяется на длине участка измерения Lw, равного не менее пяти волн с наибольшим шагом Sw волнистости.

Средняя высота волн Rw – среднее арифметическое значе-ние, определяемое из пяти волн на длине участка измерений Lw.

Предельные значения волнистости Rw должны выбираться из ряда (мкм): 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 50; 100; 200.

Шероховатость поверхности регламентируется ГОСТ 2789-73, который основан на методе базирования при измерении шерохо-ватости поверхности по системе М – системе средней линии профи-ля (рис. 8).

39

Рис. 8. Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности – совокупность неровностей

поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. Базовая длина – линия, от которой производится отсчет ор-

динат профиля. Базовая длина l – длина базовой линии, в пределах которой производится оценка параметров шероховатости.

Средняя длина профиля m – базовая линия, которая имеет форму номинального профиля и делит измеряемый профиль так, что пределах базовой длины сумма квадратов расстояний точек из ме-ряемого профиля до этой линии минимальна.

Линия выступов – линия, эквидистантная средней линии, проходящая через наивысшую точку выступа измеряемого профиля в пределах базовой длины.

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra – среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пре-делах базовой длины:

l

a dxhl

R0

1 или

n

YR

n

ii

a

1 ,

где Yi – отклонение профиля от средней линии. Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz– среднее

расстояние между пятью высшими и пятью низшими точками изме-ряемого профиля в пределах базовой длины:

5

...... 1042931 HHHHHHRz

,

40

где H1, H3…H9 – ординаты высших точек; H2, H4…H10 – ор-динаты низших точек, измеренные от линии, эквидистантной сред-ней линии и не пересекающей профиль.

Средний шаг неровностей профиля по вершинам S – среднее арифметическое значение шага неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины.

Средний шаг неровностей профиля Sm – среднее арифмети-ческое значение шага неровностей профиля в пределах базовой дли-ны.

Наибольшая высота профиля Rmax – расстояние между лини-ей выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Опорная длина профиля – сумма длин отрезков, отсекаемых на выступах измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины:

n

1iib ,

где bi – длина отрезка, отсекаемого на выступах измеряемого про-филя линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины; n – число отрезков, отсекаемых на выступах измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины.

На практике чаще задают относительную опорную длину профиля tp – отношение опорной длины профиля к базовой длине:

(tp = (η/l) 100%).

Контрольные вопросы 1. Как зависит геометрия поверхности от вида обработки. 2.Что называется шероховатостью поверхности? 3.Что называется базовой линией, базовой длиной, средней лини-

ей? Какие параметры установлены для нормирования шероховатости по-верхности? Дайте их характеристику.

4. Как обозначаются на чертежах требования к шероховатости по-верхности?

5. Что называется волнистостью поверхности и какие параметры установлены для ее оценки?

6. Что такое профилограмма шероховатости?

41

Раздел 4. Механизм изнашивания деталей пар трения

и рабочих органов машин

Закон изнашивания твердых тел в общем случае должен учи-тывать физические, химические и механические явления, проте-кающие в контакте, а также изменение контактной ситуации (гео-метрических характеристик контакта, кинематики движения, струк-туры, состава приповерхностных и поверхностных слоев материа-лов, химических соединений на поверхностях твердых тел, состоя-ние смазочного слоя и др.). Наиболее существенные особенности, которые необходимо учитывать при разработке методов расчета на износ:

- зависимость интенсивности изнашивания от физико-химического влияния окружающей среды (смазочного материала) и от кинематики контакта (скольжение, качение, качение со скольже-нием);

- дискретность поверхностных сил; - стохастичность поверхностных факторов, тепловых источ-

ников, импульсивность их воздействия; - высокая скорость протекания химических реакций; - наличие значительных градиентов полей напряжений, де-

формаций, температур, диффузионных процессов массопереноса. Необходимо иметь в виду высокую дефектность поверхност-

ных и приповерхностных слоев, наличие концентраторов напряже-ний, механотермическую активацию, возможные (динамические) структурные, фазовые и химические превращения, а также часто возникающую неоднородность и анизотропность свойств поверхно-стных слоев материалов, участвующих в процессе трения и изнаши-вания. В процессе изнашивания, как правило, изменяется макро- и микрометрия трущихся тел. Касательная нагрузка (силы трения) значительно влияет на напряженное состояние в зоне контакта и на характер усталостного разрушения материала — глубинное или по-верхностное. При малых касательных нагрузках усталостная кон-тактная прочность материала определяется глубинными напряже-ниями, при больших — поверхностными. С ростом касательной на-

42

грузки наиболее напряженная точка перемещается ближе к поверх-ности. При перекатывании тел касательная нагрузка влияет как на величину, так и на амплитуду изменения компонентов напряжений в поверхностной зоне контакта. Силы трения увеличивают напряже-ние сдвига в тонком поверхностном слое на отстающих поверхно-стях и уменьшают их на опережающих, чем и объясняется большая контактная прочность опережающих поверхностей. Практические наблюдения разрушений зубчатых передач и подшипников качения подтверждают указанные теоретические выводы. Механизм и кине-тика изнашивания трущихся сопряжений существенно зависят от характеристик дискретности контактирования волнистых и шерохо-ватых поверхностей твердых тел. Геометрическая форма поверхно-стей, механические свойства материалов (упругость, твердость, предрасположение материалов к упрочнению) определяют степень влияния нагрузки на фактическую площадь касания. При полной пластичности приближенный расчет фактической площади контакта сводится к соотношению:

HBN

cNAТ

r

1

,

где N — нормальная нагрузка; с1 — коэффициент; σт — предел те-кучести; НВ — твердость по Бринеллю менее твердого материала.

При пластической деформации выступов фактическая пло-щадь контакта почти не зависит от микрогеометрии поверхности и определяется пластическими свойствами материала, нагрузкой. Уп-рочнение материала влияет на формирование фактической площади контакта. При упругой деформации шероховатостей фактическая площадь контакта существенно зависит от геометрических характе-ристик шероховатости и упругих свойств материалов.

Многочисленные эксперименты показывают связь износо-стойкости при граничном режиме смазки с теплотой адсорбции и температурой. Увеличение теплоты адсорбции приводит к увеличе-нию износостойкости поверхностных соединений. Процессы фор-мирования и разрушения поверхностных слоев (соединений) зависят от временного фактора.

В настоящее время теоретически исследовано напряженно-деформированное состояние контактирующих абсолютно гладких

43

тел при качении, скольжении, качении со скольжением при действии касательных сил, различных комбинациях нагрузок в контакте. В действительности детали машин всегда имеют неровности: отклоне-ния формы, волнистость, шероховатость, микронеровности на уров-не зерен, решетчатых структур, молекул и атомов. Существуют кон-турная и фактическая площади контакта. Контурная площадь фор-мируется в результате контактов волнистостей поверхностей и обра-зования отдельных зон из контактов по вершинам волн. Фактиче-ская площадь контакта представляет собой сумму всех контактов микронеровностей. Фактическая площадь контакта весьма мала и составляет сотые и десятые доли процента с диаметром отдельных пятен 1-60 мкм. Экспериментально и теоретически установлено: средний размер пятна контакта мало зависит от нагрузки; фактиче-ская площадь контакта изменяется главным образом за счет измене-ния числа пятен контакта. Число пятен почти прямо пропорцио-нально сжимающей нагрузке.

Температура — главный фактор, влияющий на износостой-кость. Механическая энергия при трении в основном превращается в теплоту. Рассеивание энергии идет на генерирование теплоты, а также на накопление энергии деформации, образование точечных дефектов, дислокаций, на излучения. Теплофизические факторы в эксплуатации во многих случаях являются определяющими в обес-печении износостойкости и надежности машин. Температура и гра-диент температуры приводят к десорбции и деструкции защитных смазочных слоев и пленок, снижают механическую прочность мате-риалов, вызывают внутренние напряжения, коробление, усиливают деформационные, адгезионные процессы, изменяют структурные, фазовые состояния.

Температура — основной фактор, приводящий к заеданию и катастрофически быстрому изнашиванию узлов трения. Во всех те-пловых расчетах при контактных взаимодействиях используется удельная интенсивность тепловыделения (удельный тепловой поток, плотность теплового потока):

q = fpvs, где f — коэффициент трения скольжения: р — нормальное контакт-ное давление; vs — скорость скольжения. Указанная тепловая харак-

44

теристика контакта сравнительно просто рассчитывается, во многих случаях является важной характеристикой тепловой нагруженности контакта. В температурных расчетах определяются объемное (по-верхностное) значение температуры деталей, градиенты температур и приращение температуры в зоне трения (температурные вспыш-ки).

В процессе трения и износа в деталях и механизмах проте-кают сложные взаимосвязанные физические, химические и механи-ческие явления.

Разрушения рабочих поверхностей деталей и рабочих орга-нов машин классифицированы по видам (рис. 9).

Абразивное изнашивание. Абразивное изнашивание относит-ся к механическому разрушению трущихся поверхностей, возни-кающему в результате режущего или царапающего действия твер-дых (абразивных) тел и частиц.

Характерным условием абразивного изнашивания является повышенная твердость изнашивающего тела — частицы минераль-ного происхождения, шероховатости более твердой поверхности, наклепанные металлические частицы износа, твердые структурные составляющие материала, оксидные пленки. На изнашивающейся поверхности остаются следы (риски, канавки, царапины) как резуль-тат микрорезания, снятия стружки, пластического деформирования. Абразивное воздействие оказывают твердые частицы в потоке жид-кости, газа, воздуха при попадании на твердое тело. Возникновение трения и удара в месте контакта приводит к ударно-абразивному, ударно-гидроабразивному, ударно-усталостному, ударно-тепловому разрушению.

45

Рис. 9. Виды изнашивания и эксплуатационные повреждения машин

Объем износа V в зависимости от нормальной нагрузки N,

пути трения S, начальной твердости металла Н и размера абразивно-го зерна а определяется выражением:

HNSacV ,

где с — коэффициент, зависящий от абразивных свойств истираю-щей поверхности, условий взаимодействия контактирующих тел, кинематики движения и закрепления абразива, остроты ребер абра-зива (формула Хрущева).

Обратная пропорциональность величины износа числу твер-дости относится к технически чистым металлам и сталям в ото-жженном состоянии. Износ линейно возрастает с ростом размера зерна до некоторой его критической величины, затем при увеличе-нии размера он не изменяется. Особенно большое значение имеет размер зерна при изнашивании полимеров в связи с их низкой коге-зионной прочностью. В механически наклепанных металлах и ста-лях, если в процессе наклепа не происходит фазовых превращений, относительная износостойкость не зависит от твердости стали после наклепа, так как в процессе самого изнашивания имеет место значи-

46

тельный наклеп. Если скорость скольжения не приводит к заметно-му нагреву контакта, то она почти не влияет на величину износа. Относительная износостойкость зависит от соотношения твердостей абразива На и металла Нм. На рис. 10 приведена зависимость относи-тельной износостойкости ε и относительного износа 1/ε от отноше-ния твердости абразива На к твердости металла Нм.

Рис. 10. Зависимость относительной износостойкости ε и относительного износа 1/ε

от отношения твердости абразива На к твердости металла Нм

При На<kНм в диапазоне k=0,7...1 (зона I) износ незначитель-ный, при На >kНм в диапазоне k=1,3... 1,7 (зона III) относительная износостойкость сталей, кроме марганцовистой пружинной стали, не зависит от твердости абразива. В переходной области (зона II) износ металла возрастает с повышением На твердости абразива.

Абразивное изнашивание имеет место в сельскохозяйствен-ном, горном, дорожном, строительном, транспортном, металлурги-ческом, нефтегазопромысловом оборудовании и др. Дробление и транспортировка руды, камня, угля, добыча полезных ископаемых, работа с грунтом или с почвой, при механической поверхностной обработке деталей, попадание твердых частиц песчаной пыли в сма-зочный слой между взаимодействующими деталями механизма при-водит к удалению материала в виде мелкой стружки, фрагментов материала, дисперсных кусочков.

47

Коррозионно-механическое изнашивание. Коррозионно-механическое изнашивание возникает при трении материалов, всту-пающих в химическое взаимодействие с окружающей средой. Могут иметь место также электрические процессы. Изнашивание в этом случае происходит под влиянием одновременно протекающих про-цессов поверхностного разрушения от механического и коррозион-ного факторов. Интенсивность коррозионно-механического изнаши-вания зависит от природы контактирующих материалов, их корро-зионной стойкости, состава окружающей среды, от взаимодействия материалов со средой, смазочными материалами, активными компо-нентами (присадками).

На процесс изнашивания существенно влияет водород. Большие градиенты напряжений и температур в приповерхностных слоях металла при трении способствуют повышенной концентрации водорода в зоне трения, образованию и развитию микротрещин, ох-рупчиванию и интенсивному изнашиванию.

Работа узлов трения в агрессивных средах и в электролитах сопровождается коррозионными процессами, анодным растворени-ем, переходом ионов атомов металла из решетки в раствор. Элек-трохимические процессы, развивающиеся на фактических площадях контакта, зависят от разрушения и восстановления пассивирующих пленок. Коррозионно-механические процессы могут иметь домини-рующее значение при кавитационном и эрозионном разрушениях, вызванных микроударным воздействием жидкостей.

Необходимо учитывать адсорбционные и коррозионные эф-фекты при оценке влияния присадок на износ. Образование прочных адсорбционных слоев, экранирующее действие смазки, препятствует непосредственному контакту микронеровностей трущихся поверх-ностей и снижает адгезионное взаимодействие. Однако снижение механических свойств поверхностных и приповерхностных слоев в результате химического модифицирования вызывает усиление кор-розионно-механического изнашивания.

Коррозионно-механическое изнашивание типично для раз-личных узлов машин, нефтехимической, горно-металлургической промышленности.

48

Адгезионное изнашивание. Адгезионное изнашивание возни-кает вследствие действия межповерхностных сил, молекулярного сцепления на поверхности раздела, образования адгезионных связей между касающимися поверхностями. Под адгезией понимают сли-пание соприкасающихся поверхностей разнородных твердых или жидких тел. Адгезионные взаимодействия вызывают подповерхно-стное разрушение трущихся материалов, появление заедания, воз-никновение «холодной сварки», повышенные значения интенсивно-сти изнашивания и сил трения. Сила адгезионного взаимодействия зависит от степени очистки поверхностей от адсорбированных сло-ев, загрязнений, наличия смазочных веществ. Проблема адгезионно-го взаимодействия является одной из главных в науке о трении и износе твердых тел — металлов, полимеров, керамики, композитов, полупроводников. На площадках фактического контакта трущихся поверхностей под воздействием нормальных и тангенциальных уси-лий, температур, деформационных процессов происходит разруше-ние всех экранирующих слоев (смазки, загрязнений, адсорбирован-ных веществ, оксидов), возникает контакт атомарно-чистых поверх-ностей. Механизм адгезии связан с особенностями электронного строения контактирующих тел, концентрации валентных электро-нов, плотности свободных электронов на поверхности раздела.

Адгезионное изнашивание часто возникает при недостаточ-ном количестве и при отсутствии смазочного материала, в случаях разрушения загрязнений, адсорбированных пленок, оксидов.

Усталостное изнашивание. Усталостное изнашивание воз-никает в результате повторного деформирования микрообъемов ма-териала, вызывающего возникновение трещин и отделение частиц материала. Циклически изменяющиеся контактные напряжения вы-зывают поверхностное разрушение в виде ямок выкрашивания (пит-тинг), трещин, осповидного изнашивания, отслаивания. Образую-щиеся раковинки с диаметром от сотых долей миллиметра до не-скольких миллиметров увеличиваются в процессе работы узла тре-ния, возникает шелушение поверхности. Количественная оценка контактной усталости выражается в числе циклов нагружения или в часах работы до возникновения усталостных разрушений поверхно-стей. Появление усталостного изнашивания — выкрашивания, при-

49

водит к усилению вибрационно-акустической активности механиз-мов, повышению уровня шума, увеличению концентрации нагрузки, контактных напряжений, уменьшению размера площади несущей поверхности трущихся поверхностей, возникновению интенсивного износа и заедания. Условия возникновения и кинетика развития ус-талостного изнашивания зависят от напряженно деформированного состояния поверхностных и приповерхностных слоев материала, физико-механических свойств материала, физико-химических свойств смазочных материалов и окружающей среды, толщины сма-зочного слоя, кинематики контакта, формы и размеров соприкасаю-щихся деталей.

Возникновению микротрещин при циклических контактных воздействиях способствует влияние концентраторов напряжений. К поверхностным концентраторам напряжений относятся дефекты в виде царапин, вмятин, рисок, прижогов и др.; к подповерхностным концентраторам — неметаллические включения, микропоры, рако-вины, карбиды и др. Большое влияние на усталостное изнашивание оказывает величина максимальных касательных напряжений. Уве-личение коэффициента трения скольжения способствует возникно-вению выкрашивания. С ростом толщины смазочного слоя умень-шаются число взаимодействующих микронеровностей, продолжи-тельность и величина деформирования, предотвращается металли-ческий контакт.

Стойкость к выкрашиванию увеличивается с повышением значений пределов упругости, текучести, вязкости материала, твер-дости материала. В начальный период работы сопряжений может возникнуть ограниченное выкрашивание, зависящее от концентра-ции нагрузки на отдельных участках или неровностях. В результате последующей приработки распределение нагрузки становится более равномерным и выкрашивание прекращается.

Фрикционно-усталостная модель изнашивания была развита Крагельским, в ней учитываются процессы на уровне влияния мик-рогеометрии (шероховатостей) поверхностей. При относительном скольжении трущихся тел разрушение происходит в результате мно-гократного деформирования истираемого материала жесткими мик-ронеровностями контртела.

50

Уравнение для фрикционной усталости:

nk

pp

RhI

r

ah

1 ,

где h/R — относительная глубина внедрения; h — глубина внедрения единичной неровности; R — радиус неровности; ра и рr — соответственно номинальное и фактическое давления; k1 — коэффи-

циент, зависящий от расположения неровностей по высоте; — отношение номинальной площади к фактической площади трения; n — число циклов, которое выдерживает деформированный объем до разрушения.

Усталостное разрушение поверхностных слоев материалов в виде выкрашивания возникает в хорошо смазывающихся механиз-мах, трущиеся сопряжения которых работают в режимах кинемати-ческого качения, скольжения, качения со скольжением. Наиболее подвержены контактному разрушению в виде выкрашивания зубча-тые передачи, подшипники качения и скольжения, катки, кулачко-вые механизмы, фрикционные передачи и др.

Изнашивание при фреттинг-коррозии. Изнашивание при фреттинг-коррозии возникает при малых колебательных, цикличе-ских, возвратно-поступательных перемещениях с малыми амплиту-дами. Необходимым условием возникновения фреттинг-коррозии является наличие проскальзывания между касающимися поверхно-стями. Она возникает в заклепочных, болтовых, шлицевых, шпоноч-ных, штифтовых соединениях, прессовых посадках деталей, сталь-ных канатах, шарнирах, соединениях муфт, рессорах, клапанах, ре-гуляторах электрических контактов, кулачковых механизмах. Акти-визирует этот процесс наличие вибраций, переменных во времени крутящих и изгибающих моментов.

Повреждения концентрируются на небольших участках и напоминают точечную коррозию. Повышается величина шерохова-тостей, образуются натиры, налипания, каверны, микротрещины, при этом обычно снижается усталостная прочность деталей.

Изнашивание при фреттинг-коррозии зависит от одновре-менно протекающих процессов микросхватывания, усталостного, коррозионно-механического, абразивного воздействия.

51

Расчетные зависимости для определения износа в условиях фреттинг-коррозии имеют весьма приближенный, оценочный харак-тер. Механизм возникновения и кинетика развития изнашивания поверхностей в условиях фреттинг-коррозии являются наиболее сложными по своей природе процессами.

Эрозионное изнашивание. Эрозионное изнашивание проис-ходит в результате воздействия на поверхность потока жидкости, газа, твердых частиц. С удалением поверхностных локальных мик-рообъемов при повторных воздействиях частиц возникают ярко вы-раженные неровности и огрубление поверхности.

Интенсивность эрозионного разрушения зависит от прочно-сти когезионных связей в материале; энергия, выделяющаяся в мо-мент соударения частиц с поверхностью, может вызвать частичное оплавление места контакта. Эрозия при воздействии воды происхо-дит вследствие трения потока о поверхность и от ударного воздей-ствия частиц потока. При этом может иметь место процесс электро-химической коррозии, поэтому во многих случаях эрозионное изна-шивание сопровождается коррозионно-механическими разрушения-ми.

Интенсивность эрозионного изнашивания зависит от скоро-сти потока, угла атаки с изнашивающейся поверхностью, механиче-ских свойств и концентрации воздействующих частиц, агрессивно-сти среды — носителя, физико-механических и химических свойств поверхностных и приповерхностных слоев материала.

Эрозионное изнашивание происходит при гидроабразивном и газоабразивном воздействии среды, которое наблюдается, напри-мер, в различных деталях гидромашин, патрубков, землесосов, тур-бобуров и др. Воздействующими факторами являются абразивные частицы и поток жидкости, несущий твердые частицы. Механиче-ское воздействие твердых частиц может сочетаться с коррозионным и кавитационным разрушением. На износ влияют также соотноше-ние значения твердости материала и абразива, величина угла атаки.

Кавитационное изнашивание. Кавитационное изнашивание возникает при относительном движении твердого тела и жидкости в условиях кавитации. Кавитационный износ типичен для деталей машин, работающих в жидких средах. Процесс образования гидро-

52

динамической кавитации связан с возникновением каверн — кави-тационных пузырьков.

Основные действующие факторы при кавитации имеют раз-личную природу — значительные локальные механические силы, химические, тепловые, электрические и другие процессы.

Механизм и кинетика кавитационного изнашивания вклю-чают процесс зарождения и роста кавитационных каверн, их захло-пывание (схлопывание), разрушительное воздействие на поверх-ность. Для образования каверн в жидкости необходимо падение дав-ления в ней до давления насыщенных паров.

Ядра кавитации в области разрежения жидкости превраща-ются в кавитационные пузырьки и каверны. В момент достижения предельного размера кавитационные пузырьки (каверны) начинают захлопываться, вследствие чего поверхность твердого тела в зоне кавитации получает механическое повреждение. Возникают удар-ные волны на поверхностях деталей.

Кавитационный износ (кавитационная эрозия) металличе-ских тел имеет вид выдавленных кратеров, периодически образую-щихся в процессе работы деталей.

Кавитационному изнашиванию подвержены различные дета-ли гидромашин, рабочие колеса насосов, гребных винтов, лопасти гидротурбин.

Изнашивание при заедании. Изнашивание при заедании — наиболее опасное разрушение трущихся поверхностей, возникаю-щее в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса материала с одной поверхности трения на другую, разру-шающего воздействия образовавшихся неровностей. Заедание про-является в виде глубоких борозд, выровов, наростов, рисок, оплав-лений.

Изнашивание при заедании может иметь лавинный, катаст-рофический характер и приводить к полному выходу узла трения из строя. Оно встречается в тяжелонагруженных зубчатых передачах, кулачковых механизмах, шарнирных соединениях, подшипниковых опорах, в цилиндро-поршневых парах, золотниковых устройствах, в направляющих станков, в стационарных контактах при наличии вибраций.

53

Обязательным условием возникновения заедания является разрушение промежуточных смазочных слоев и взаимодействие фи-зически чистых (ювенильных) контактирующих поверхностей. Раз-рушение защитных смазочных слоев может наступить вследствие пластической деформации, износа шероховатостей, находящихся даже в «холодном» состоянии, или вследствие потери смазывающих свойств (деградации) смазочного материала при повышенных фак-тических температурах в зонах фактического контакта тел. Заедание возможно в результате срабатывания смазочного материала и при недостаточном его дополнительном поступлении к местам трения.

В расчетах на износ используют следующие формулы интен-сивности:

- линейного изнашивания: Ih =dh/dS; - объемного: Iv = dV/dS; - массового: IG = dG/dS; - энергетического Iw = dV/dА. Здесь h, V, G — соответственно линейный, объемный, массо-

вый износ; S — путь трения; А — работа сил трения. В некоторых случаях целесообразно использовать величину

износа, возникающую за один цикл процесса изнашивания (трения), Iц = h/nц, где h — величина за nц циклов процессов изнашивания (трения).

Скорость изнашивания, интенсивность изнашивания по вре-мени определяются как отношение значения износа к интервалу времени возникновения износа:

Ihτ=dh/dt, где t — время изнашивания.

Зависимость линейной и скоростной интенсивностей изна-шивания выражается формулой

Ih =Ihτ/v, где v — скорость перемещения (скольжения, качения).

Типичный вид протекания процесса изнашивания во времени τ представлен на рис. 11а. Можно выделить три характерных перио-да: I — приработка, II — установившийся износ, III — ускоренный (катастрофический) износ.

54

В период приработки происходит изменение макро- и мик-рогеометрии поверхностей, возникает установившаяся шерохова-тость, обычно уменьшаются сила трения и температура контакта. Вследствие увеличения фактической площади контакта снижаются контактные давления, происходят структурные, физические, хими-ческие и механические изменения поверхностных слоев.

При установившемся износе стабилизируются сила трения, температура, интенсивность (скорость) изнашивания. Процесс мож-но считать стационарным. Период ускоренного (катастрофического) износа вызывается различными причинами, например изменением геометрических характеристик сопряжения, повышением динамиче-ских нагрузок, температуры, истиранием защитных, износостойких слоев и др.

а) б) Рис. 11. Типичный вид протекания процесса изнашивания во времени τ:

а) I — приработка, II — установившийся износ, III — ускоренный (катастрофиче-ский) износ; б) 1 -износ цилиндро-поршневых пар, 2 - износ режущего инструмента, некоторых типов подшипников скольжения из самосмазывающихся материалов при

усиливающемся воздействии абразива, при микросхватывании поверхностей в вакууме;

3 - стационарный износ некоторых композиционных материалов

Закономерности изнашивания во времени различных мате-риалов, механизмов и узлов устанавливаются экспериментально. В таблицах 4 и 5 обобщены материалы отечественных и зарубежных литературных данных по оценкам видов и интенсивностей линейно-го изнашивания Ih различных трущихся деталей машин, приборов, оборудования и инструмента.

Конструкторско-технологическими и эксплуатационными методами стремятся сократить период приработки, увеличить пери-

55

од установившегося износа и избежать катастрофического износа. В некоторых случаях износ протекает по другим закономерностям. Характер кривой 1 (рис. 11б) соответствует износу цилиндро-поршневых пар, 2 — износу режущего инструмента, некоторым ти-пам подшипников скольжения из самосмазывающихся материалов при усиливающемся воздействии абразива, при микросхватывании поверхностей в вакууме; 3 — стационарному износу некоторых композиционных материалов.

Таблица 4. Виды линейного изнашивания различных трущихся де-

талей машин, приборов, оборудования и инструмента. Вид изнашива-

ния Машины, оборудование, приборы, инструмент, узлы

Абразивный

Горные, дорожно-строительные, транспортные, металлур-гические, с/х машины, нефтегазопромысловое оборудова-ние, абразивные станки, лопатки газовых турбин, рабочие колеса, направляющие гидравлических турбин, трубы и насосы земснарядов и др.

Коррозионно-механический

Машины, аппараты, оборудование нефтехимической, пи-щевой, горно-металлургической, деревообрабатывающей промышленности и др.

Адгезионный Космическая, вакуумная техника, оборудование атомных реакторов, механизмы в газовых и жидких агрессивных средах и др.

Усталостный Зубчатые передачи, подшипники качения, скольжения, катки, кулачковые механизмы, валки, фрикционные пере-дачи и др.

Фреттинг-коррозия

Самолеты, вертолеты, ядерные реакторы, газотурбинные двигатели, заклепочные, болтовые, шлицевые, шпоночные, штифтовые соединения, муфты, рессоры, клапаны и др.

Эрозионный Гидромашины, турбобуры, газовые турбины, пнев-мотранспорт, газодобывающие агрегаты и др.

Кавитационный Гидромашины, гребные винты, рабочие колеса насосов, лопасти гидротурбин и др.

Заедание (схва-тывание)

Тяжелонагруженные узлы трения, зубчатые передачи, ку-лачки, шарнирные соединения, цилиндро-поршневые па-ры, золотниковые устройства, направляющие, стационар-ные контакты при вибрациях.

56

Таблица 5. Интенсивность линейного изнашивания Ih деталей ма-

шин, приборов, оборудования и инструмента Машина (узел),

агрегат, инструмент Деталь, элемент Ih

Уплотнительное уст-ройство

Изнашивающийся элемент 10-5-10-9

Подшипник скольже-ния, шарнир

Вал, втулка при устойчивой жидкостной смазке, самосмазывающаяся пара и с твердыми смазочными покрытиями

10-12-10-13 10-5-10-10

Тяжелонагруженный редуктор

Зубчатое колесо 10-7-10-9

Передача винт-гайка с трением скольжения

Изнашивающаяся гайка 10-7-10-10

Станок, инструмент Направляющие. Режущий инструмент 10-8-10-11 10-4-10-8

Тормозное устройство Фрикционная накладка, тормозной диск 10-6-10-9

Экскаватор Зубчатое колесо (открытое) Опорно-поворотный круг Зуб ковша

10-6-10-8 10-8-10-10 10-3-10-5

Буровое долото Опора скольжения 10-5-10-7 Кулачковый механизм Кулачок, толкатель 10-7-10-10 Конвейерная лента Обкладка, трущийся элемент 10-7-10-9 Фрикционная пара «ко-лесо-рельс»

Колесо, рельс 10-7-10-10

Силы трения (коэффициент трения) существенно влияют на

напряженно-деформированное состояние контакта деталей машин, интенсивность изнашивания и контактную прочность. Анализ на-пряженного состояния упругих тел и усталостной прочности кон-тактирующих материалов для случая одновременного действия нормальной и касательной нагрузок показал следующее: касатель-ная нагрузка (сила трения) влияет на напряженное состояние в зоне контакта и на характер разрушения материала (при малых касатель-ных нагрузках прочность материала определяется глубинными на-пряжениями, при больших — поверхностными); с ростом касатель-ной нагрузки наиболее напряженная точка перемещения ближе к поверхности; при перекатывании со скольжением тел касательная нагрузка влияет на величину и амплитуду изменения компонентов напряжений в приповерхностных слоях материалов и непосредст-

57

венно на поверхности. Теоретические и экспериментальные иссле-дования долговечности по критерию усталостного выкрашивания при различных соотношениях между касательными и нормальными силами в большей степени коррелировали с изменением касатель-ных и растягивающих поверхностных напряжений на контуре кон-такта, чем с вариацией глубинных максимальных касательных на-пряжений. Силы трения влияют на кпд механизмов, на тепловое со-стояние, надежность и ресурс по критерию износа, на возникнове-ние катастрофического изнашивания и заедания. Зона минимальной контактной прочности в зубчатых передачах соответствует месту возникновения максимальных сил трения, изменение усталостного предела контактной прочности зависит от действующих сил трения.

Рассмотрим закономерности изменения коэффициента тре-ния скольжения при качении со скольжением тел в случае начально-го касания тел в точке и по линии. Названные условия характерны для работы различных классов зубчатых и фрикционных передач, подшипников качения, кулачковых механизмов, катков и др. Экспе-риментально установлена принципиальная близость всех законо-мерностей для сил трения при начальном касании тел в точке и по линии (рис. 12).

Рис. 12. Изменение коэффициента трения скольжения от скорости скольжения

С увеличением скорости скольжения коэффициент трения

скольжения сначала быстро увеличивается (область I), затем после убывания (область II) резко возрастает в связи с разрушением сма-зочного слоя и заеданием трущихся поверхностей (область III). На рис. 13 приведены зависимости коэффициента трения f и толщины hк.г. смазочного слоя от суммарной скорости качения (рис. 13а), кон-тактного давления р (рис. 13б) и вязкости масла μ (рис. 13в). С уве-

58

личением суммарной скорости качения в контакте коэффициент трения f уменьшается, особенно в области малых значений скоро-стей — до vs — 1,5-2 м/с (рис. 13а), коэффициент трения сложным образом зависит от контактных давлений (рис. 13б). В области ма-лых скоростей качения и вязкости масла коэффициент трения с уве-личением контактных давлений сначала уменьшается, а в области высоких давлений перестает от них зависеть (кривая 1 на рис. 13б). При высоких скоростях качения и больших значениях вязкости мас-ла коэффициент трения сначала увеличивается, а потом остается по-стоянным (кривая 3 на рис. 13б). Существуют сочетания скоростей качения и вязкости масла, при которых коэффициент трения не за-висит от контактных давлений (кривая 2 на рис. 13б).

В случае контакта несмазывающихся деталей как в покое, так и в движении коэффициент трения скольжения рассчитать весь-ма затруднительно в связи с неоднородностью и нестабильностью физико-химических и механических свойств контактирующих по-верхностей.

Рис. 13. Зависимости коэффициента трения f и толщины hк.г. смазочного слоя от суммарной скорости качения (а), контактного давления (б) и вязкости масла (в)

Контакт твердых тел имеет дискретную природу и происхо-

дит по отдельным шероховатостям. Взаимное внедрение микроне-ровностей, сопротивление деформированию поверхностных слоев при скольжении, возникновение адгезионного (межмолекулярного, межатомного) взаимодействия зависят от состава и структуры по-верхностных пленок, которые в процессе трения и изнашивания су-щественно изменяются, не имеют математического описания даже в модельном приближении. Поэтому адгезионно-деформационная теория трения твердых тел позволяет глубже понять и объяснить

59

экспериментальные закономерности, полученные в различных усло-виях контактирования.

Коэффициент трения скольжения для твердых тел, не сма-занных жидкими или пластичными смазочными материалами, включая самосмазывающиеся для фрикционных устройств, изменя-ется в диапазоне f=0,05...0,60. Однако, при возникновении схватыва-ния (заедания) коэффициент трения может иметь весьма большие значения (f > 1), и даже при малых значениях нормальной силы (или ее отсутствии) он стремится к бесконечности (f →∞).

При высоких скоростях скольжения, значительном тепловы-делении происходит размягчение и оплавление материалов. В этих условиях коэффициент трения скольжения близок к условиям гид-родинамики: (0,01...0,05).

На рис. 14 представлена кривая Герси-Штрибека (зависи-мость коэффициента трения скольжения f и толщины смазочного слоя hк.г. от параметра μvs/Nп), полученная при исследовании режи-мов смазки в подшипниках скольжения.

Рис. 14. Кривая Герси-Штрибека

На зависимости коэффициента трения скольжения от факто-

ра μvs/Nп, где μ— вязкость масла; vs — скорость скольжения; Nп — нагрузка, приходящаяся на единицу длины, можно выделить суще-ствование различных режимов смазки. Область I относится к режи-му граничной смазки, в которой на коэффициент трения скольжения влияют контакт микронеровностей, физико-химические свойства поверхностных пленок и граничных смазочных слоев, физика, хи-мия и механика контакта и не влияют объемные, реологические

60

свойства смазочного материала. В области II имеет место смешан-ный и частично контактно-гидродинамический режим смазки.

На коэффициент трения влияют взаимодействие шерохова-тостей и сопротивление сдвигу внутри смазочного слоя. Приложен-ная внешняя нагрузка уравновешивается частично гидродинамиче-ским действием смазочного слоя и усилиями в контактах неровно-стей. Область III относит к гидродинамической или контактно-гидродинамической смазке. Здесь поверхности полностью разделе-ны смазочным слоем. Сила трения определяется сопротивлением сдвигу внутри смазочного слоя. Износ в этой области обычно не возникает или незначителен. Поэтому по возможности необходимо обеспечить гидродинамический режим смазки, при котором отсут-ствует непосредственный контакт деталей друг с другом.

Несущая способность смазочного слоя обеспечивает уравно-вешивание внешней нагрузки. Если в гидродинамическом режиме смазки (в области III) коэффициент трения скольжения обычно из-меняется в диапазоне f = 0,005...0,0005, то при граничной смазке (область I) его максимальная величина лежит в пределах f = 0,1...0,2. Для стационарных контактов и при граничной смазке твердых тел экспериментально установлено существование минимума коэффи-циента трения при изменении шероховатости и контактного давле-ния.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные виды изнашивания. 2. Перечислите три периода в изнашивании деталей машин. 3. Что такое адгезия? 4. Что такое когезия? 5. Что такое кавитация? 6. Что такое коэффициент трения?

Раздел 5. Материалы деталей трибосопряжений и узлов трения

и их применение

Металлы до последнего времени были и являются основным материалом, используемым для изготовления деталей узлов трения. Преимуществами металлов являются относительно благоприятное

61

сочетание прочности и пластичности, высокая твёрдость и тепло-проводность, способность образовывать эвтектические смеси, твер-дые растворы и химические соединения с другими металлами и не-металлами. Каждая из этих фаз обладает различными свойствами, а также различными фрикционными характеристиками. Износостой-кость металлов также в большей степени зависит от их структуры и свойств отдельных микрообъемов с различными структурными со-ставляющими. Преобладающий тип этих составляющих, их количе-ство и морфология оказывают большое влияние на износостойкость. Сплавы железа, включающие чугуны и стали, а также сплавы цвет-ных металлов – основные конструкционные материалы наиболее распространенные в технике. Их отличительная черта – широкий диапазон изменения твердости и прочности при изменении химиче-ского состава и структуры.

Чугун – железоуглеродистый сплав, в котором содержится более 2,14 % С. В доменных печах получают передельный (белый) и литейный (серый) чугуны. Передельный чугун используется для пе-редела в сталь. Литейный чугун служит одним из основных компо-нентов шихты в чугунолитейном производстве.

Чугуны обладают хорошими механическими свойствами и превосходно обрабатываются. Основными составляющими чугунов, обеспечивающими высокую прочность, являются различные формы карбида железа. Графит придает хорошие антифрикционные свойст-ва, формируя включения различной формы.

При производстве чугунных отливок чугун подразделяют: - в зависимости от степени графитизации, обуславливающий

вид излома: 1. Белый чугун (весь чугун находится в виде цементита-

карбида), степень графитизации равна 0; 2. Серый чугун – вид излома серый (в структуре имеется

графит, количество, формы и размеры которого изменяются в широ-ких пределах);

3. Половинчатый – со вторичным цементитом или цементи-том-ледебуритом, имеется графит. В машиностроении не применя-ется.

- в зависимости от формы включений графита:

62

1. Чугун с пластинчатым графитом (серый чугун). Обычно в сером чугуне графит образуется в виде лепестков;

2. Чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун), углерод в значительной степени или полностью находится в свобод-ном состоянии в форме шаровидного графита;

3. Получаемый в настоящее время вертикулярный чугун – серый, с волокнистой червеобразной формой графита;

4. Чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун), весь уг-лерод или значительная его часть находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига).

- В зависимости от характера металлической основы: 1. Перлитный чугун, структура – перлит и графит (пластин-

чатый серый чугун). В этом чугуне 0,7-0,8% С находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита, остальное количество – в свобод-ном состоянии, т.е. в форме графита;

2. Феррито-перлитный чугун, структура – феррит и углерод (пластинчатый серый чугун), весь углерод находится в виде графи-та;

3. Аустенитный чугун – легированный чугун, структурной основой которого является аустенит;

4. Бейнитный; 5. Мартенситный. - В зависимости от назначения чугун делится на конструкци-

онный и со специальными свойствами. - По химическому составу чугун делится на легированный

нелегированный. Серый чугун (СЧ) по свойствам и применению можно разде-

лить на 5 групп: - ферритные и феррито-перлитные чугуны (СЧ10, СЧ15); - перлитный чугун (СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40); - сталистые чугуны (СЧ24, СЧ25); - модифицированные чугуны (СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45); - антифрикционные чугуны (АЧ С-1, АЧ С-2, АЧ С-3). Серый чугун маркируют: буквами С – серый, Ч – чугун;

цифрами после букв, указывающими величину среднего временного сопротивления при растяжении (σв).

63

СЧ при малом сопротивлении растяжению имеет достаточно высокое сопротивление сжатию. В химический состав серого чугуна наряду с углеродом (3,2…3,5%) входят кремний (1,9…2,5%), марга-нец (0,5…0,8%) и фосфор (0,1…0,35%).

Структура металлической основы серых чугунов зависит от состава и, прежде всего, от количества углерода и кремния. С увели-чением углерода и кремния увеличиваются степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической ос-новы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластично-сти. Лучшими прочностными триботехническими свойствами среди СЧ обладают чугуны с перлитной структурой.

Серые чугуны применяются в станкостроении (зубчатые ко-леса, направляющие и т.д.), в авто- и тракторостроении для изготов-ления блоков цилиндров, поршневых колец, толкателей, седел кла-панов, дисков сцепления. СЧ также широко применяется в сельхоз- и электромашиностроении, в производстве оборудования текстиль-ной и легкой промышленности и в других отраслях машинострое-ния.

Ковкий чугун (КЧ) получают длительным нагревом при вы-соких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В резуль-тате получают графит хлопьевидной формы. Химический состав бе-лого чугуна, предназначенный для ковкого чугуна: 2,5-3,0% С; 0,7-1,5% Si; 0,3-1,0% Mn; ≤ 0,12% S; ≤ 0,18% P.

По механическим и технологическим свойствам ковкий чу-гун занимает промежуточное положение между сталью и серым чу-гуном.

Ковкий чугун подразделяют: - черносердечные (ферритные) КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10,

КЧ37-12; - светлосердечные (ферритно-перлитные) КЧ45-7, КЧ50-5,

КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3. Мелкие отливки, преимущественно из ферритного КЧ, ис-

пользуются в различных отраслях промышленности: авто- и трак-торостроении; дорожном и с/х машиностроении.

64

Из ферритно-перлитного чугуна марок КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3 изготавливают вилки карданных валов, ролики цепных конвейеров, тормозные колодки и т.д.

Высокопрочный чугун (ВЧ) получают путем добавления в жидкий чугун небольшого количества щелочи или щелочно-земельных металлов – чаще всего магния (0,03...0,07%). По содер-жанию остальных элементов этот чугун не отличается от обычного серого.

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную, а не пластинчатую форму. Шаровидная поверхность минимальна по сравнению с пластинчатой при равных объемах и, следовательно, значительно меньше ослабляет металли-ческую основу чугуна, чем пластинчатый графит.

ВЧ с шаровидным графитом и перлитной металлической ос-новой отличается высокой прочностью при меньшем значении пла-стичности по сравнению с чугунами ферритовой структуры, т.к ша-ровидный графит в отличие пластинчатого не является активным концентратором напряжения. Эти чугуны хорошо обрабатываются резанием, имеют высокую износостойкость, обладают способностью гасить вибрации.

Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом теку-чести – σт = 300...440 МПа, что выше предела текучести стали, дос-таточно высокой ударной вязкостью и сопротивлением усталости. Названные свойства предопределяют также и высокие триботехни-ческие свойства (особенно у чугунов с перлитной структурой). По-этому высокопрочный чугун находит применение как конструкци-онный материал непосредственно при изготовлении деталей ТС уз-лов трения и как заменитель углеродистой стали. Из ВЧ изготавли-вают поршневые кольца (мелкие тонкостенные отливки); коленча-тые валы большой массы (до 2000...3000 кг, взамен кованых валов из стали); детали турбин; валки прокатных станов; направляющие, суппорты и другие детали металлорежущих станков. Детали из вы-сокопрочного чугуна имеют лучшие антифрикционные свойства и значительно дешевле стальных в изготовлении.

65

Антифрикционные чугуны (АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3) содержат легирующие элементы: 0,3-1,5% Сu (все марки); 0,2-0,4 Сr (АЧС-1, АЧС-2); 0,2-0,4% Ni (АЧС-2); 0,03-0,1% Тi (АЧС-2, АЧС-3).

АЧ применяют для изготовления нагруженных деталей узлов трения (большегабаритных подшипников и их корпусов, шарнирных соединений, втулок и др.). Пары трения чаще всего работают в усло-виях смазки.

Антифрикционный чугун маркируют тремя буквами: А – ан-тифрикционный, Ч – чугун, С – серый.

Антифрикционные свойства чугуна в большой степени опре-деляются структурой графитовой составляющей (формой и распре-делением в основной структуре). Графитовые включения можно рассматривать как пустоты (дефекты) структуры. Около таких де-фектов при нагружении концентрируются напряжения. Графит пла-стинчатой формы разупрочняет металл. Наиболее благоприятной для механических свойств чугуна является хлопьевидная, а опти-мальной – шаровидная форма графита.

При работе чугуна в паре трения графит выполняет двоякую роль: являясь непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает сопротивление силам трения, а как продукт износа – иг-рает роль смазки. Положительное влияние графита проявляется и в том, что, заполняя в результате изнашивания мелкие поры на тру-щихся поверхностях, он уравнивает нагрузки, действующие на по-верхность. Установлено, что при одном и том же содержании графи-та износостойкость чугуна возрастает с уменьшением размера гра-фитных включений.

Структура АЧ должна содержать минимальное количество свободного феррита (менее15%) и не должна содержать цементит в свободной форме.

Применение титано-медистых чугунов (АЧС-2, АЧС-3) в подшипниках скольжения (для втулок, вкладышей) приводит к уменьшению износа всей трущейся пары (вкладыша и вала) на 15...20% по сравнению с другими чугунами. Но указанные чугуны требуют тщательной смазки, плохо прирабатываются, не выдержи-вают ударных нагрузок.

66

Марку антифрикционного чугуна выбирают так, чтобы твер-дость втулки (вкладыша) была меньше твердости стального вала (цапфы) на величину 20...40 НВ (200...400 МПа).

Сведения по величинам предельно допускаемых давления, скорости и произведения давления на скорость дают возможность решать целый комплекс задач. Сопоставляя полученные данные с допустимыми, можно вычислить интенсивность изнашивания (без-размерная величина) и оценить износ за фиксируемое время работы, ч.

Отбеленные чугуны это отливки, в которых сердцевина име-ет структуру серого чугуна, а поверхностные слои структуру белого или половинчатого чугуна. Между указанными зонами может быть переходный слой. Отбеленная зона глубиной 12...30 мм возникает вследствие быстрого охлаждения поверхности при отливке чугуна в металлических формах (кокиль) или в песчаных формах.

ОЧ используют для изготовления отливок, поверхность ко-торых состоит из белого чугуна, а внутренняя зона – из серого или высокопрочного чугуна. ОЧ содержат 2,8...3,6% углерода и пони-женное содержание кремния – 0,5...0,8%.

Отбеленные чугуны имеют высокую поверхностную твер-дость 950…1000 НВ (9500…10000 МПа) и высокую износостой-кость. Их используют для изготовления прокатных валков, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц и др. де-талей, работающих в тяжелых условиях высоких динамических на-грузок с трением качения и скольжения.

Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, используют белые чугуны, легированные хромом и марганцем, а так же хромом и никелем. Отливки из этих чугунов отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Легированные чугуны делятся на следующие группы: - по химическому составу: хромистые (ЧХ3Т, ЧХ9Н5,

ЧХ16М2, ЧХ28Д2); алюминиевые (ЧЮХШ, ЧЮ6С5); марганцевые (ЧЮХШ, ЧЮХШ); никелевые (ЧН4Х2) и кремнистые (ГОСТ7769).

- по количеству легирующих элементов чугуны разделяются на низколегированные (до 3% легирующих элементов); среднелеги-

67

рованные (от 3 до 10% легирующего элемента); высоколегирован-ные (свыше10%).

Низколегированный чугун применяется, в основном, как конструкционный материал, так как легирующие элементы повы-шают его механические свойства. Характеризуется он перлитной или игольчатой структурой.

Среднелегированный чугун отличается обычно мартенсит-ной структурой и обладает высокой износоустойчивостью при нор-мальных и повышенных температурах.

- по условиям эксплуатации: жаростойкие, жаропрочные, из-носостойкие, коррозионно-стойкие, немагнитные. Они имеют в большинстве случаев ферритную или аустенитную структуру. При-меняется как немагнитные, антикоррозионные, жаростойкие чугуны или как сплавы с особыми физическими свойствами.

Легирующие элементы имеют такое же обозначение, как и в легируемых сталях. В обозначении марок буквы обозначают: первая Ч – чугун, последняя Ш – чугун с шаровидным графитом.

Для изготовления деталей, работающих в условиях ударного абразивного изнашивания и истирания, при высоких температурах применяют высокохромистые (до 34% Cr) и хромникелевые чугуны. При этом жаростойкость достигается также за счет легирования чу-гуна кремнием (5…6% Si) и алюминием (1…2% Al). Свойства чугу-нов в нужном направлении можно в значительной степени изменять соответствующей термической обработкой.

Износостойкость чугунов определяется их структурой и твердостью. Твердость легированных чугунов определяет их изно-состойкость и зависит, в свою очередь, от содержания в чугунах карбидов. Например, в структуре антифрикционных марганцевых чугунов содержится 45-55% аустенита и10-30% карбида в литом со-стоянии. При закалке этих чугунов содержание аустенита возрастает до 80-90%, а карбидов снижается до 5-8%. Это приводит к сниже-нию твердости чугунов на 22-38%.

Серый медистый чугун работает в режиме избирательного переноса (ИП). Он может работать в осевых и радиальных подшип-никах скольжения, червячных, винтовых и других передач с одно-сторонним, реверсивным и пульсирующим движением. Смазывание

68

узлов трения может осуществляться как жидким, так и пластичными смазочными материалами. Для работы в паре с медистым чугуном используются легированные и углеродистые стали после термиче-ской или химико-термической обработки. Твердость поверхности трения стальной детали должна быть выше твердости чугуна не ме-нее чем на 1000 НВ.

Предельные значения давлений при замене в узлах трения обычных марок серого чугуна на медистый и при реализации ИП повышаются в 1,5...2 раза и могут достигать15...20 МПа.

Основное влияние на характеристики трения и изнашивание медистого чугуна в режиме ИП оказывает содержание меди в чугу-не.

Углерод и марганец в составе медистого чугуна на характе-ристики трения и изнашивания оказывают положительное влияние, а кремний препятствует реализации ИП. Наилучшее сочетание свойств серого медистого чугуна и характеристики трения и изна-шивания в режиме ИП наблюдаются при перлитной металлической основе. Наличие в структуре феррита резко снижает нагрузочную способность, а структурно свободный цементит и ледебурит ухуд-шают обрабатываемость деталей резанием и вызывают усиленное изнашивание стального контртела.

Содержание меди в чугуне не выше предела растворимости в жидком растворе (4...7%) способствует первичной и тормозит вто-ричную стадию графитизации. Поэтому металлическая основа меди-стого чугуна с обычным для серых чугунов содержанием других элементов при литье в песчаные формы получается в основном пер-литной. При содержании меди 4% в структуре чугуна обнаружива-ются округлые включения высокомедистой фазы. При содержании более 7% в структуре появляются структурно свободный цементит и ледебурит и может проявлятьcя ликвация высокомедистой фазы. Учитывая влияние рассмотренных элементов на характеристики трения и изнашивания серых чугунов, их графитизирующую спо-собность и условия получения перлитной и металлической основы без заметной ликвации высокомедистой фазы, для протекания ИП в узлах трения чугун-сталь рекомендуется следующий состав серого медистого чугуна, %: С - 3,2...3,6; Si - 1,0...1,8; Mn - до 0,8; Cu - 4...7.

69

Основным условием реализации эффекта ИП в парах трения «медистый чугун-сталь» является применение смазочных материа-лов, препятствующих окислению поверхностей трения типа ЦИА-ТИМ-201, ЦИАТИМ-203 и др. При использовании смазочных мате-риалов общего назначения эффект ИП реализуется путем введения в их состав ПАВ. В индустриальные масла общего назначения можно добавить 0,75...1% стеаратов металлов, а в пластичные материалы общего назначения (солидолы) можно ввести антиокислительную присадку – дифениламин в количестве 0,35...0,7%.

Серые медистые чугуны можно выплавлять как в вагранках, так и в электрических индукционных тигельных печах. Технология его выплавки такая же, как и обычных серых чугунов. Для получе-ния заданного содержания меди в чугуне в качестве легирующей добавки в шихту можно использовать медь марок М3 или М4. При расчете шихты необходимо учитывать, что угара меди при выплавке почти не наблюдается. Механические свойства медистого чугуна при перлитной металлической основе соответствуют серому чугуну СЧ21.

Стали используются как антифрикционные материалы толь-ко в случае очень легких условий работы при малых контактных давлениях и скоростях скольжения. Обладая высокой твердостью и имея высокую температуру плавления, сталь плохо прирабатывается и склонна к схватыванию с сопрягаемым телом. Большое значение стали для трибологии объясняется ее широким применением в каче-стве контртела для подшипниковых материалов любых типов – от баббитов до керамики.

Основные типы сталей, наиболее широко применяемые в уз-лах трения, представлены ниже.

Углеродистые конструкционные стали прочны и обладают высокими упругими свойствами, содержат углерод от 0,6 до 0,8 %. После закалки и отпуска детали из этих сталей могут работать в ус-ловиях трения при высоких статических и вибрационных нагрузках (опоры валов, направляющие, кулачковые механизмы и т.д.). Поло-жительная особенность углеродистых сталей – достаточно высокий комплекс механических свойств при относительно невысокой удар-

70

ной вязкости. Например, сталь70 имеет предел прочности σв = 730 МПа, предел текучести σт = 430 МПа.

УС обладают также хорошими технологическими свойства-ми (обрабатываемость резанием, свариваемость, штампуемость). Эти стали не являются дефицитными, они недороги в сравнении с другими сталями.

Основной недостаток УС – малая прокаливаемость, поэтому высокие механические свойства после упрочняющей термической обработки получаются только в деталях малых сечений в относи-тельно неглубоком поверхностном слое крупногабаритных деталей. Среднеуглеродистая сталь 45 соответственно имеет σв = 640 МПа, σт = 355 МПа.

Сталь 45 менее чувствительна к знакопеременным нагруз-кам, хорошо обрабатывается режущим инструментом, подвергается различным видам термообработки и пластическому деформирова-нию (обкатка роликами, накатка рифлей, резьбы и др.).

В термически обработанном состоянии легированные стали имеют высокий предел текучести и твердость, что обеспечивает их высокую износостойкость в широком диапазоне эксплуатации. Уп-рочнение от действия дисперсных частиц упрочняющей фазы дости-гается за счет подбора состава стали и оптимальной термической или химико-термической обработки.

Упрочняющими фазами могут быть карбиды разного соста-ва: нитриды, карбонитриды, интерметаллиды, чистые и малораство-римые металлы в железе (например, чистая медь). Наиболее эффек-тивное упрочнение достигается такими фазами, которые способны растворяться в твердом растворе (например, в аустените при нагре-ве), а затем выделяться из него в мелкодисперсном состоянии и со-храняться при температурах технологической обработки и исполь-зования деталей трибосопряжения.

К эффективным упрочнителям относятся карбиды: VC, NbC, MoC и нитриды VN, NbN, а также комплексные фазы на их основе. Оптимальное упрочнение от твердых дисперсных частиц достигает-ся при условии, когда эти частицы достаточно малы и когда рас-стояние между ними в твердом растворе также мало. Обеспечивает-ся этот процесс соответствующим подбором легирующих элементов

71

и режимов термической обработки (закалка и высокий отпуск, за-калка и низкий отпуск), позволяющих получить структуру с высо-кими механическими и триботехническими характеристиками.

В таблице 6 приведены данные о режимах термообработки и свойствах некоторых цементируемых конструкционных легирован-ных сталей, применяемых в трибосопряжениях и узлах трения раз-личного назначения.

Применяемая для изготовления зубчатых передач топливных авиационных насосов сталь18Х2Н4ВА в поверхностном слое имеет высокую твердость. После ее цементации и термообработки повы-шается усталостная прочность зубьев и этим существенно увеличи-ваются показатели долговечности (срок службы и ресурс). Чем выше твердость поверхностного слоя и предел текучести сердцевины зуба, тем выше σн – контактная выносливость, сопротивление усталости и износостойкость зубчатых колес. Во избежание поломки зубьев, сердцевина зуба должна иметь твердость в пределах 32…42 НRCэ. Твердость зубьев шестерни должна быть выше на 15...20% твердо-сти зубьев колеса. В целях получения требуемых механических и триботехнических свойств деталей из малоуглеродистых сталей (08; 10; 15 и др.) и легированных сталей (25ХГТ, 20Х18ГТ и др.) их можно подвергать цианированию или нитроцементации. В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование легированных сталей имеют преимущество перед простой цементацией. Применение нитроцементации углеро-дистых сталей обеспечивает лучшую прокаливаемость поверхност-ного слоя, что позволяет получить заданные твердость и износо-стойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементиро-ванный слой при закалке в масле имеет более низкую твердость пе-реходных структур (троостит, сорбит).

Карбонитрирование применяют для сложнолегированных хромоникелемолибденовых и хромомарганцево-молибденовых ста-лей. Для карбонитрирования хорошо подходит сталь 25ХГМТ, до-полнительно легированная титаном. Эта сталь обладает высокими триботехническими свойствами и успешно заменяет хромоникеле-вые цементуемые стали. Сталь 25ХГМТ стала основным материалом для изготовления зубчатых колес передач в автотракторной про-

72

мышленности, которые упрочняются карбонитрированием или за-калкой. Для повышения сопротивления усталости деталей в ряде случаев применяется дробеструйный наклеп поверхностного слоя взамен карбонитрирования. Прочность и износостойкость деталей при этом повышается за счет образования сжимающих напряжений и структурных изменений в поверхностном слое, которые проявля-ются в уменьшении количества остаточного аустенита.

Шарикоподшипниковые стали составляют основную группу износостойких сталей, содержащих до 1,5% углерода и от 0,6 до 1,5% хрома: сталь ШХ6 (0,6% Cr), ШХ9 (0,9% Сr), ШХ15 (1,5% Сr) и др. Сталь ШХ15 имеет интенсивность изнашивания для подшип-ников качения общего назначения Iv = 2,5⋅(10-9...10-12), а для зуба ковша экскаватора Iv составляет 10-3...10-4.

При легировании ШС хромом достигается повышение про-каливаемости и износостойкости. К этим сталям предъявляются по-вышенные требования к обеспечению допустимого содержания не-металлических включений, которые могут быть очагами зарождения скрытых повреждений – наличие усталостных трещин при длитель-ной работе подшипника. Кольца и тела качения подшипников изго-товляют обычно из сталей ШХ4, ШХ15, ШХ15-Ш, ШХ15-В, ШХ15СГ, ШХ15СГ-В, ШХ15СГ-Ш, ШХ20СГ, 15Г1,18ХГТ, 20Х2Н4А.

Твердость колец и роликов, предназначенных для работы при температуре до 100°С, должна быть в пределах: из стали марки ШХ4 – 61...64 НRCэ; из сталей марок ШХ15, ШХ15-Ш, ШХ15-В, 18ХГТ – 62...66 НRCэ; из сталей марок ШХ15СГ*, ШХ15СГ-В*, ШХ15СГ-Ш*, ШХ20СГ – 61...65 НRCэ; из стали марки15Г1 – 58...62 НRCэ; из стали марки 20Х2Н4А – 59...66 НRCэ, при этом для колец с толщиной стенки свыше 35 мм и роликов диаметром свыше 55 мм – 59...63 НRCэ.

Твердость шариков для этих подшипников составляет 63...67 НRCэ. Если подшипники используют для работы при повышенных температурах, то для обеспечения стабилизации размеров детали подшипника подвергаются отпуску при температурах выше 150°С (на 50°С выше рабочих температур). Детали таких подшипников

73

имеют несколько пониженную твердость, что учитывается в услов-ном обозначении (Т, Т1).

Некоторые подшипники изготавливают из специальных ста-лей: тепло- и коррозионно-стойких. Из коррозионно-стойкой стали, легированной молибденом, 11Х18М-ШД изготавливают малогаба-ритные и миниатюрные приборные подшипники, а также коррози-онностойкие теплостойкие подшипники, эксплуатируемые при тем-пературах до 350°С. Для теплостойких подшипников, работающих в тяжелых условиях нагружения, применяют стали, разработанные на основе инструментальной быстрорежущей. В отечественной про-мышленности для изготовления теплостойких подшипников приме-няют сталь 8Х4В9Ф2 (ЭИ347) электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов. Сталь используется для деталей теплостойких подшипников после стандартной термической обработки (закалки и трехкратного отпуска при 565…680°С), обеспечивающей твердость при комнатной температуре 59…65 НRCэ. Эта сталь имеет удовле-творительную горячую твердость до 500°С (не ниже 56 НRCэ) и удовлетворительную горячую ползучесть до 550°С.

С целью экономии вольфрама разработана экономнолегиро-ванная Сталь 8Х4МВ2Ф1-Ш, не уступающая стали 8Х4В9Ф2-Ш по износостойкости, контактной усталости, теплопрочности и стабиль-ности до 500°С. Вязкость ее в 1,5 раза превышает вязкость стали 8Х4В9Ф2-Ш.

В условиях трения и изнашивания, сопровождаемых боль-шими удельными динамическими нагрузками, высокой износостой-костью отличается высокомаргонцовистая сталь марки Г13. Эта сталь имеет в своем составе 1,0…1,4% углерода и 12,7…14% мар-ганца, обладает аустенитной структурой и относительно невысокой твердостью 200…250 НВ (2000…2500 МПа).

В процессе эксплуатации, когда на деталь узла трения дейст-вуют высокие динамические нагрузки, которые вызывают в мате-риале деформацию и напряжения, превосходящие предел текучести, происходит интенсивное наклепывание стали Г13, увеличение твер-дости и износостойкости. После наклепа сталь сохраняет высокую ударную вязкость. Благодаря этим свойствам сталь Г13 широко ис-пользуется для изготовления корпусов шаровых мельниц, щек кам-

74

недробилок, козырьков землечерпалок и т.д. Из стали 50Г изготав-ливают опорно-поворотные круги экскаваторов, ее интенсивность изнашивания Ih составляет 8,6…10-11.

Необходимо отметить, что склонность к интенсивному на-клепу является характерной особенностью сталей аустенитного класса, поэтому их широко используют для изготовления деталей трибосопряжений, работающих в условиях трения с динамическими, ударными воздействиями.

В качестве износостойкого сплава используют также графи-тизированную сталь (ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366 и др.). Такая сталь име-ет в своем составе повышенное содержание углерода (1,3…1,7%) и кремния (0,75…1,25%). Благодаря этому часть углерода в стали вы-деляется в виде графита. В отличие от чугуна графитизированная сталь обладает способностью пластически деформироваться; в зака-ленном состоянии она имеет высокую прочность (σв = 800 МПа), твердость и износостойкость. Графитизированную сталь применяют при изготовлении штампов, калибров, валов специального назначе-ния и т.п.

Если необходимо быстро установить марку стали, например, когда возникает подозрение, что данное изделие выполнено из стали не той марки, проводят экспресс-испытания – «пробу на искру». Снимаемая при обработке сталей абразивным кругом стружка, сго-рая в воздухе, образует пучок искр. Характер искр, их форма и цвет (от ослепительно белого до темно-красного) различны и зависят от химического состава стали. По характеру искр ориентировочно оп-ределяют марку стали. Чем больше в стали углерода, тем больше в ее искрах светлых звездочек. При наличии в стали хрома сноп искр окрашивается в оранжевый цвет, а вольфрама – в темно-красный цвет. При известном навыке по искре можно приблизительно судить о химическом составе стали. Например, малоуглеродистая сталь с 0,12% углерода образует при шлифовании длинный соломенно-желтый пучок искр; высокоуглеродистая сталь с 1,2% углерода об-разует широкий короткий ослепительно белый с большим количест-вом звездочек пучок искр, а быстрорежущая сталь образует недлин-ный пучок темно-красного цвета.

75

Многолетние экспериментальные исследования износостой-кости сталей и сплавов, не позволили создать единой справочной информации по хорошо известному перечню сталей и сплавов. Трудно судить о первопричинах высокой или низкой износостойко-сти, когда не указаны даже режимы термической обработки, особен-но температуры отпуска после закалки.

Инструментальные стали – это углеродистые и легирован-ные стали, которые в результате термической обработки приобрета-ют высокую твердость, прочность и износостойкость, необходимые для обработки материалов резанием или давлением. Для многих ин-струментальных сталей характерна теплостойкость.

По структурному признаку большая часть инструментальных сталей является заэвтектоидными и ледебуритными. Эта группа ста-лей после закалки имеет высокую мартенситную структуру с рас-пределенными в ней еще более твердыми карбидами. Их подвергают отпуску обычно таким образом, чтобы сохранить для эксплуатации мартенситную структуру (с дисперсными карбидами, выделивши-мися из мартенсита) и высокую твердость 59...61 HRCэ (большей частью 61...66 HRCэ и выше).

Меньшую часть инструментальных сталей составляют эвтек-тоидные, которые после закалки приобретают мартенситную струк-туру без избыточных карбидов. Отпуск для большинства сталей этой группы проводят таким образом, чтобы получить структуру троостита, более низкую твердость (45...55 HRCэ) и большую вяз-кость. Еще одну группу инструментальных сталей образуют высо-колегированные сплавы с низким содержанием углерода. Их под-разделяют на две подгруппы:

- получающие после закалки безуглеродистый или низкоуг-леродистый мартенсит (30...50 HRCэ); твердость повышается при отпуске (средний - 250...500°С) вследствие выделения дисперсных интерметаллидных соединений;

- аустенитные стали высокой твердости (45...60 HRCэ), при-обретаемой в результате выделения интерметаллидных соединений при высоком отпуске (550...680°С).

Классификация ИС по химическому составу затруднительна. Большинство из них высоко- и сложнолегированные (некоторые со-

76

держат до 30-45% легирующих элементов). Многие стали даже при разном содержании легирующих элементов имеют близкие свойст-ва.

Все ИС по теплостойкости подразделяют на три группы: - нетеплостойкие (углеродистые и легированные стали, со-

держащие 3-5% Сr); - полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6-0,7% Сr и 3-18%

Сr); - теплостойкие (высоколегированные стали, содержащие Cr,

W, Mo, V, Co, ледебуритного класса), получившие названия быстро-режущих.

По прокаливаемости ИС делят на: - обладающие высокой прокаливаемостью (высоколегиро-

ванные теплостойкие и полутеплостойкие); - стали с повышенной прокаливаемостью (легированные не-

теплостойкие); - стали с небольшой прокаливаемостью (углеродистые нете-

плостойкие). В зависимости от назначения ИС подразделяют на следую-

щие виды: стали для режущих инструментов, штамповые стали для холодного деформирования, штамповые стали для горячего дефор-мирования, стали инструментов высокой прочности.

Маркировку ИС производят по следующей системе. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У

(углеродистые); цифра за буквой (У8, У9, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента; буква А в конце (У10А, У11А, У12А и т.д.) указывает на то, что сталь высоко-качественная.

Легированные инструментальные стали (9ХФ, 5ХГМ, 5ХВ2С и т.д.) маркируют цифрой, показывающей среднее содержание угле-рода в десятых долях процента, если его содержание менее одного процента. При содержании углерода около 1% цифра большей ча-стью отсутствует. Буквы обозначают легирующие элементы, а циф-ры после букв указывают содержание соответствующего элемента в целых процентах (цифра отсутствует, если содержание элемента со-ставляет1,0-1,5%).

77

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, следующая за буквой Р цифра (Р9, Р12, Р18) указывает среднее содержание (в %) главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама; среднее содержание (в %) других легирующих элементов указывают цифрой, проставляемой за буквой, означающей элемент (соответст-вует обозначению легирующих элементов в маркировке легирован-ных конструкционных сталей) (Р6М5, Р18Ф2К5 и т.д.). Среднее со-держание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4%, и его принято в маркировке не указывать.

В процессе эксплуатации (резании и деформировании) ИС подвергаются большим силовым и температурным воздействиям. При резании (разрушении) и деформационной обработке материала на рабочей кромке инструмента возникают большие контактные давления – до 4000 МПа и более. Одновременно в металле режущей кромки возникают нормальные и касательные напряжения от де-формаций, соответственно сжатия и сдвига. Большие давления, осо-бенно в условиях нагрева, могут привести к деформированию и пла-стическому течению поверхностного слоя даже малопластичных инструментальных сталей с мартенситной структурой и большим количеством карбидов (течение стали больше, если в структуре со-храняется остаточный аустенит).

Действие механических напряжений на ИС усугубляется те-пловым воздействием от тепла, выделяющегося при резании и тре-нии или передаваемого от материала, подвергаемого горячему де-формированию. Температура рабочей кромки инструмента из быст-рорежущей стали при резании достигает 550...650°С. Кратковремен-ный нагрев может вызвать повышение температуры до еще больших значений (800...900°С).

При таких температурах и высоких гидростатических давле-ниях в тонком поверхностном слое инструментальной стали могут произойти существенные изменения в его структуре и свойствах. Непосредственно у зоны износа наряду с течением металла возни-кают вторично закаленная зона и рекристаллизованные зерна. На стадии катастрофического износа твердость рекристаллизованного участка заметно снижается до 60 HRCэ. Такие же процессы могут протекать и в поверхностном слое материала штампов. На свойства

78

инструментальных сталей тепловое воздействие оказывает более значительное влияние, чем на свойства многих конструкционных сталей.

По сравнению со сталями с ферритно-перлитной структур-ной инструментальные стали, имеющие мартенситную или троо-ститную структуру и высокую твердость, находятся в состоянии, значительно отличающимся от равновесного, т.е. в менее устойчи-вом. Распад мартенсита протекает с большей скоростью, чем коагу-ляция карбидов в ферритно-цементитной смеси, и поэтому свойства инструментальной стали изменяются более резко. Повышенный температурный режим инструментальных сталей возникает еще вследствие того, что многие инструменты работают без смазки. Это увеличивает трение, а, следовательно, – тепловыделение.

Высокие механические напряжения в рабочем слое стали способствуют развитию в нем пластических деформаций с искаже-нием в нем формы и размеров. При этом увеличивается износ стали. Нагрев рабочей кромки инструмента усиливает эти процессы. В свя-зи с этим к механическим и триботехническим свойствам инстру-ментальных сталей предъявляются повышенные требования как при повышенных температурах, так и при обычных.

Инструментальные стали типа У обладают высокой прочно-стью, износостойкостью. В этой связи их применяют также в маши-ностроении для изготовления подшипников, различных пружин, де-талей топливных насосов высокого давления, качающих и распреде-лительных устройств, гидравлических насосов, деталей станков и машин (шестерен, ходовых винтов, червяков и т.п.) и др.

Цветные металлы и сплавы на их основе, в настоящее время являются основными антифрикционными материалами для смазы-ваемых подшипников скольжения.

В России принята буквенно-цифровая маркировка анти-фрикционных сплавов на основе цветных металлов: баббитов, бронз и др., в которой буквы обозначают основные легирующие элементы сплава, числа – их среднее содержание в процентах. Марка сплава начинается буквами Б – баббит, Бр – бронза, Л – латунь и др.

В бронзах каждый легирующий элемент имеет свое условное обозначение: А – алюминий, О – олово, Н – никель, Б – бериллий, Ф

79

– фосфор, Ц – цинк, Х – хром, Цр – цирконий, Ср – серебро, Кд – кадмий, К – кремний, С – свинец, Ж – железо, Су – сурьма, Т – ти-тан, Мг – магний, Ко – кобальт, Мц – марганец. Например, Л80 – латунь, содержащая 80% меди, и остальное цинк; ЛМцС58-2-2: Л –латунь, содержащая 58% Сu, 2% Мn, 2% Рb и остальное цинк. БрОЦС4-4-2,5: Бр – бронза, содержащая 4% Sn, 4% Zn, 2,5% Рb и остальное Сu.

В США используется «Универсальная система нумерации металлов и сплавов» (Unified Numbering System for Metals and Alloys – UNS). В этой системе обозначение медных сплавов начинается с буквы «С» (copper), затем следует пятизначный номер, определяю-щий марку сплава. Сплавы с номером меньше 80000 – это обрабаты-ваемые давлением, сплавы с большими номерами – литейные. На-пример, сплав С51100 – это деформируемый медный сплав (бронза), а С83800 – литейный. Химический состав и принадлежность к опре-деленной группе медных сплавов (латуни, бронзы) эта маркировка не раскрывает.

Латуни - это сплавы меди с цинком (Zn до 50%, практиче-ское применение – до 45% Zn). Латуни классифицируют: по числу компонентов в сплаве: двойные (Сu+Zn) и многокомпонентные (ле-гированные двойные, называемые специальными), а также по тех-ническому признаку: деформированные (изготавливают листы, лен-ты, трубы, проволоку др.) и литейные. Латунь, содержащую высо-кий процент меди (3…12% Zn, остальное Cu), называют томпаком.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Они хорошо свариваются, легко обрабатываются режущим инструментом, их антифрикционные свойства ниже, чем у бронз. Вследствие этого латуни применяют для опор скольжения, рабо-тающих с малыми скоростями. Латуни применяют в качестве анти-фрикционных материалов в значительно меньшей степени, чем бронзы.

В антифрикционном качестве используют так называемые кремнистые, марганцовистые и находят применение алюминиево-железные латуни. В качестве антифрикционных материалов приме-няются латуни кремнистые (ЛКС80-3-3 – содержание кремния 2,5...4%), марганцовистые (ЛМцС58-2-2* – содержание марганца до

80

2,5%), алюминиево-железистые (ЛАЖ60-1-1Л – содержание алюми-ния до 1,5%, железа до 1,5%).

Латуни ЛМцОС58-2-2-2, ЛАЖМц52-5-2, ЛЦ14К3С3 (ЛКС80-3-3) применяются для изготовления подшипников, несущих большую спокойную или ударную нагрузку при малой скорости скольжения (подшипники кранов, вибрационных машин, конвейе-ров, экскаваторов и др.).

Латунь ЛАЖМц52-5-2-2 обладает большей износостойко-стью, чем бронзы БрОЦС6-6-3, БрОЦ10-2, БрАЖМц10-3-1 и приме-няется для изготовления подшипников, работающих в тяжелых ус-ловиях с ударными нагрузками.

ЛМцС58-2-2 - латунь, содержащая 58% меди, 2% марганца, 2% свинца и 38% цинка. Сплав используют в качестве антифрикци-онного материала (как заменитель бронзы БрОЦ6-7-3) при изготов-лении подшипников, втулок, вкладышей (несложной формы), а так-же для армирования вагонных подшипников.

Латунь ЛМцЖ52-4-1 применяют для изготовления подшип-ников скольжения транспортеров, кранов и других машин, рабо-тающих при небольшой нагрузке и умеренной скорости скольжения (с перерывами в работе). Из латуни ЛЖМц59-1-1 изготавливают де-тали самолетов и морских судов и вкладыши подшипников.

Бронзы – двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. Цинк вводят в качестве легирующего эле-мента в некоторые марки оловянных бронз, но его содержание меньше, чем в латунях, и не превышает 5%. В особую группу выде-ляют также медно-никелевые сплавы.

Различают две группы бронз по химическому составу: оло-вянные, в которых преобладающим легирующим элементом являет-ся олово, и безоловянные: алюминиевые, бериллиевые, марганцевые, кремнистые и др. Особую группу образуют низколегированные бронзы высокой тепло- и электропроводности: хромовые, цирконие-вые и др. Безоловянные бронзы по своим свойствам не уступают, а по некоторым превосходят оловянные бронзы и поэтому широко применяются в машиностроении.

81

Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые (БрОФ6,5-1,5; БрОЦС4-4-2,5) и литейные (БрОЦС4-4-17; БрОЦСН3-7-5-1).

В деформируемых и литейных бронзах порядок букв и чисел различен. В марках деформируемых бронз числа после букв, запи-санные через дефис, указывают среднее содержание легирующих элементов. Так, например, деформируемая бронза БрАЖН10-4-4 легирована 10% Al; 4% Fe и 4% Ni; медь − основа. В литейных бронзах, как и в литейных латунях, содержание легирующих эле-ментов указывается после каждой буквы, отвечающей этому эле-менту: БрО4Ц4С17, что соответствует составу 4% Sn; 4% Zn; 17% Pb, медь– основа. Если одна и та же бронза используется в дефор-мируемом и литейном состояниях, то в конце марки литейной брон-зы ставится буква «Л»: БрА10Ж4Н4Л.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличают-ся высокими механическими, антифрикционными и упругими свой-ствами, что очень важно для деталей узлов трения. Литейные брон-зы применяются для изготовления отливок (заготовок) для деталей триботехнического назначения (втулки и вкладыши подшипников, венцы червячных зубчатых колес) и пароводяной арматуры. Бронзы по сравнению с латунями обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионно-стойки в морской воде, в растворах боль-шинства органических кислот, углекислых растворах.

Бронзы очень широко используются в качестве антифрикци-онных материалов. К числу таких бронз относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4-3) бронз, а из безоловянных - БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Эти бронзы применяются для изготовле-ния опор подшипников скольжения, колес (венцов) червячных пере-дач и гаек в передачах «винт-гайка».

Антифрикционные свойства составляют отдельную группу свойств и не связаны напрямую с их механическими свойствами. Антифрикционные свойства определяются свойствами поверхност-ного слоя, тогда как механические свойства определяются объем-ными свойствами материала. Это неочевидное утверждение можно проиллюстрировать на примере двух бронз - БрС30 и БрАЖ9-4 при

82

их использовании в подшипниках скольжения. БрС30 существенно уступает бронзе БрАЖ9-4 по всем механическим показателям (прочность, твердость, относительное удлинение). Однако, именно она применяется в особо ответственных подшипниках, допускаю-щих высокие скорости и высокие нагрузки (в т.ч. ударные). Поэтому при выборе бронзы для использования в узлах трения учитывают прежде всего антифрикционные, а затем механические свойства. Для этих целей массово используются круги и полые заготовки БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрОЦС5-5-5; БрОФ10-1. Для направ-ляющих используются катаные полосы из БрАМц9-2 и плиты (ли-тые и отфрезерованные) из БрАЖ9-4 и БрОЦС5-5-5.

Критерии выбора той или иной марки бронзы зависят от ви-да узла трения и условий его работы. Для наиболее распространен-ных случаев общие рекомендации могут быть следующими. При скоростях скольжения более 5-6 м/с предпочтительно применять БрОФ10-1. При скоростях менее 5-6 м/с можно применять БрАЖ9-4 или БрОЦС5-5-5. Если опорная поверхность вала закалена, то мож-но применять любую из этих бронз, но БрАЖ допускает вдвое большие радиальные нагрузки. Если опорная поверхность вала неза-каленна, можно применять только БрОЦС.

При скоростях скольжения больше 8-12 м/с применяется БрОФ10-1. При значении скоростей в диапазоне 4-10 м/с применяет-ся БрОЦС5-5-5. При скоростях менее 4-6 м/с применяется БрАЖ9-4.

Червячные передачи состоят из стального червяка и колеса. Колесо (или его венец) чаще всего изготавливается из бронз. Основ-ная проблема червячного зацепления связана с заеданием. Для его недопущения ограничивают контактные напряжения между витками червяка и зубьями колеса. Зависимость допустимых контактных на-пряжений [σHP] от скорости скольжения червяка по колесу vs приве-дена на рисунке 15.

83

Рис. 15. Зависимость допустимых контактных напряжений от скорости скольжения

В качестве подшипниковых сплавов применяют множество

бронзовых сплавов. Для монометаллических подшипников чаще всего применяют оловянистые (БрОФ10-1, БрОЦС5-5-5, БрОЦ10-2) и безоловянистые (БрАЖ9-4; БрАЖМц9-3-1,5; БрАЖН10-4-4) брон-зы.

Лучшим материалом для подшипников скольжения является БрОФ10-1. Ее стоимость высока, поэтому применение оправдано при больших скоростях. В области средних скоростей применяют БрОЦС5-5-5 (самая дешевая бронза) или БрАЖ9-4. При малых ско-ростях предпочтительнее БрАЖ9-4 или БрАЖМц9-3-1,5 (выдержи-вает наибольшие нагрузки).

Алюминиевые бронзы – это сплавы на основе меди, в кото-рых главным легирующим элементом является алюминий, они от-личаются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами; во многих случаях являются полноправными заменителями дефицитных оловянных

84

бронз и других сплавов. В промышленности применяются двух- и многокомпонентные сплавы. Особенно эффективно применение многокомпонентных алюминиевых бронз, легированных помимо алюминия никелем, железом и марганцем.

Алюминиевые бронзы содержат до 11...12 % Аl. В меди рас-творяется довольно большое количество алюминия. Алюминий ока-зывает существенное влияние и на физические свойства бронз. Плотность алюминиевых бронз значительно ниже плотности чистой меди, что имеет большое значение при промышленном применении алюминиевых бронз, особенно, в авиакосмической технике и судо-строении. Алюминиевые бронзы хорошо поддаются полировке и благодаря присутствию алюминия имеют хорошую отражательную способность. Алюминий оказывает также существенное влияние на тепло- и электропроводность бронз. Наличие в составе бронз значи-тельного количества алюминия приводит к резкому снижению вы-сокой теплопроводности, характерной для чистой меди.

Детали из алюминиевых бронз изготавливают литьем, обра-боткой давлением и резанием. Это, как правило, относительно мел-кие, но высокоответственные детали типа зубчатых колес, втулок, подпятников, фланцев.

Бериллиевые бронзы – сплавы меди с бериллием. Они нашли применение в промышленности для изготовления упругих элемен-тов ответственного назначения благодаря сочетанию ряда ценных свойств - высоких прочности, предела упругости и релаксационной стойкости; электро- и теплопроводности, высокого сопротивления коррозии и коррозионной усталости. Они не магнитны, не дают ис-кру при ударе; технологичны – хорошо штампуются, свариваются и т.д.

Бериллиевые бронзы мало склонны к хладноломкости и мо-гут работать в интервале температур –200...+250°С; используются для изготовления плоских и витых пружин, упругих элементов в ви-де гофрированных мембран, токоподводящих упругих деталей элек-трооборудования, пружинящих деталей электронных приборов и устройств и т.д. Важным достоинством бериллиевых бронз является их высокая пластичность при умеренной прочности в закаленном состоянии σв = 400... 500 Н/мм2, δ = 30…40%, предел упругости дос-

85

тигает 750...770 Н/мм2, предел выносливости σ-1 − 250...290 МПа (на базе 1·108 циклов), твердость − 350...400 HV (3500...4000 МПа). К недостаткам этих сплавов относят высокую стоимость и дефицит-ность бериллия, а также его токсичность. Бериллиевые бронзы от-личаются высоким сопротивлением малым пластическим деформа-циям; подвергаются низкотемпературной термомеханической обра-ботке, которая состоит в применении пластической деформации ме-жду операциями закалки и старения.

Марганцевые бронзы, содержащие до 20% марганца, при всех температурах в твердом состоянии являются однофазными. Марганец намного повышает температуру рекристаллизации меди (на 150...200°С) и улучшает характеристики жаропрочности. Наи-большее распространение в промышленности получила бронза БрМц5. Она хорошо обрабатывается давлением в горячем и холод-ном состояниях, имеет высокую коррозионную стойкость и сохраня-ет высокие механические свойства при повышенных температурах.

Предельная растворимость кремния в меди для кремнистых бронз достаточно высока – 5,3%. С понижением температуры она уменьшается и при 20°С составляет около 3,5 %. Среди кремнистых бронз наибольшее распространение получили бронзы, дополнитель-но легированные никелем и марганцем. Добавки этих элементов улучшают механические и коррозионные свойства. В кремниево-марганцовистой бронзе БрКМц3-1 добавка марганца составляет 1...1,5%. Никель с кремнием образуют соединение Ni2Si, раствори-мость которого резко уменьшается с понижением температуры. Бронза БрКН1-3 относится к числу термически упрочняемых спла-вов. Кремнистые бронзы БрКМц3-1 и БрКН1-3 отличаются высоки-ми пружинящими и антифрикционными свойствами, хорошей кор-розионной стойкостью, технологичны в обработке давлением в го-рячем и холодном состояниях, хорошо свариваются с бронзой и ста-лью, легко паяются мягкими и твердыми припоями. Применяются в приборостроении, химическом и общем машиностроении, морском судостроении для изготовления пружин и пружинящих деталей, ан-тифрикционных деталей и т.д.

Сплавы на алюминиевой основе (алюминиевые подшипнико-вые сплавы) имеют ряд достоинств, которые позволяют применять

86

их в узлах трения, где традиционно используются антифрикционные сплавы на основе свинца и олова, а также свинцовистая бронза. К таким достоинствам относятся:

- высокая теплопроводность, обуславливает лучшую сохран-ность смазочных материалов в узле трения;

- низкий модуль упругости, создает хорошие условия работы машин с повышенным прогибом вала;

- относительно высокая прочность алюминиевых сплавов, обеспечивает несущую способность и сопротивление усталости подшипника;

- широкий диапазон возможного легирования, позволяет соз-давать подшипники для различных условий и режимов работы;

- хорошая технологичность, позволяет изготавливать под-шипники методами литья, прессования, прокатки и др.;

- низкая плотность и высокая коррозионная стойкость спла-вов, благоприятствует работе в смазочных средах.

В настоящее время созданы разнообразные по химическому составу алюминиевые подшипниковые сплавы. Основными компо-нентами сплавов являются Sn, Cu, Ni, Si. Алюминиевые подшипни-ковые сплавы классифицируют по виду микроструктуры, отражаю-щей антифрикционные свойства сплавов (мягкие микроструктурные составляющие уменьшают износ и повышают стойкость пар трения к возникновению задира). Такая классификация предусматривает две группы:

1. Сплавы, имеющие включения твердых структурных со-ставляющих, кристаллы FeAl3, Al3Ni, CuAl2, Mg2Si, AlSb, Si и др. в пластичной основе металла;

2. Сплавы, имеющие наряду с твердыми составляющими и мягкие включения.

Введение в сплавы элементов с низкой температурой плав-ления (Рb и Cd) или добавка графита обеспечивает повышение со-противления к схватыванию и задирам алюминиевых сплавов при технически сухом и граничном трении. Цинк и магний, имеющие повышенную растворимость в алюминии, вводятся для повышения прочности и нагрузочной способности материала.

87

Из алюминиевых сплавов изготавливают как монометалли-ческие детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические под-шипники на стальной подложке. Для первых предпочтительны более прочные твердые сплавы, а для вторых (в качестве антифрикционно-го слоя) – менее твердые пластичные сплавы. Из сплава АН-2,5 от-ливают монометаллические вкладыши и прокатывают моно- и биме-таллические ленты для последующей штамповки вкладышей с ан-тифрикционным слоем толщиной до 0,5 мм, но из-за способности к задирам и схватыванию при недостаточном смазывании пары трения этот сплав не получил широкого применения. Он используется лишь для изготовления монометаллических вкладышей коленчатых валов двигателей небольшой мощности. Сплав АЖ6-5 применяют для вкладышей подшипников из прокатной полосы штамповкой или вы-резкой. В прокованном состоянии сплав идет на изготовление под-шипников мощных агрегатов. Сплав Алькусин Д используют для заливки стальных вкладышей, подшипников и изготовления втулок, имеет высокую твердость, трудно прирабатывается.

Алюминиевые сплавы с высоким содержание олова (АО6-1, АО9-1, АО20-1 и др.) по своим свойствам близки к баббитам. Они обладают хорошими антифрикционными свойствами, повышенной усталостной прочностью, высокими теплоемкостью, теплопровод-ностью и коррозионной стойкостью в маслах. Высокие антифрикци-онные свойства обусловлены наличием олова в виде мягкой струк-турной составляющей, повышающей также прочностные свойства сплава.

Именно тонкое приработочное покрытие в современных подшипниках способствует обеспечению всех взаимоисключающих требований к ним. Однако его возможности в настоящее время практически исчерпаны в применении к разрабатываемым перспек-тивным форсированным конструкциям двигателей. Причинами это-го являются:

1. Недостаточная усталостная прочность свинцовистого сплава в условиях постоянно повышающихся нагрузок;

2. Резкое снижение твердости (прочности) сплава с повыше-нием температуры;

88

3. Запрет на использование свинцовистых сплавов, в первую очередь в странах Европы;

4. Необходимость использования сложных дорогостоящих очистных сооружений при гальванических процессах.

Поэтому многие ведущие производители подшипников раз-рабатывают конструкции с новыми типами покрытий для дизелей высокой степени форсирования. Основой таких покрытий является сплав алюминия с 20% олова, наносимый так называемым методом PVD (Physical Vapor Deposition), что соответствует процессу ваку-умного ионно-плазменного напыления. Покрытие выдерживает удельные нагрузки, превышающие 100 МПа, и значительно увели-чивает ресурс подшипника. Однако высокая твердость сплава (HV 90-110) ухудшает антифрикционные свойства подшипника и делает его более чувствительным к различным нарушениям при изготовле-нии, ремонте и эксплуатации. Важным положительным качеством процесса вакуумного ионно-плазменного напыления также является его экологическая безопасность в сравнении с гальваническим про-цессом.

Цинковые антифрикционные сплавы издавна используются в качестве антифрикционных материалов, но не получили достаточно широкого распространения, в то же время они обладают рядом цен-ных свойств, которые позволяют применять их во многих случаях взамен бронз и баббитов. Содержат в своём составе цинк, медь и алюминий, являются наиболее распространёнными и востребован-ными. Они применяются в литом и деформированном состоянии (прессованном или прокатном). Сплавы на цинковой основе (ЦАМ9-1,5; ЦАМ10-5 (10% Al, 5% Cu); ЦАМ5-10) имеют низкую темпера-туру плавления (около 400°С) и в большей степени, чем бронзы и алюминиевые сплавы, размягчаются при нагревании и хорошо при-рабатываются.

Благодаря эффекту снижения абразивной активности сво-бодных абразивных частиц за счет их утапливания в мягком поверх-ностном слое, подшипники из цинковых сплавов меньше изнаши-вают сопряженные детали даже при попадании абразивных частиц в зону трения. Цинковые сплавы технологичны при изготовлении мо-нометаллических и биметаллических деталей опор скольжения. Лег-

89

ко достигается соединение цинкового сплава со сталью, как литьем, так и прокаткой. Цинковые сплавы имеют высокую пластичность и сопротивление усталости. Из цинковых сплавов изготавливают цельные и штампованные втулки, которые применяют, например, в железнодорожных и других транспортных машинах.

Отличаясь высокими антифрикционными свойствами и дос-таточной прочностью при комнатной температуре, эти сплавы слу-жат хорошими заменителями бронз при работе в узлах трения, тем-пература которых не превышает 80-100°С. При более высоких тем-пературах сплавы сильно размягчаются и намазываются на вал. Из цинковых антифрикционных сплавов в основном изготавливают ли-тые монометаллические и биметаллические детали.

Цинковые антифрикционные сплавы служат для изготовле-ния литых монометаллических и биметаллических деталей, сплавы марки ЦАМ10-5 – для изготовления проката.

В процессе производства литых деталей на практике обычно используются чушковые сплавы или сплавы, изготовленные их пер-вичных материалов. Изготовление таких сплавов происходит по-средством литейного производства и переплава. Для получения ка-чественного результата плавка должна быть проведена под древес-но-угольным слоем. Хлористый аммоний, составляющий 0,1-0,2% от общей массы плавки выступает в качестве флюса. В случае за-грязнённой шихты необходимо увеличить количество аммония.

Цинковые антифрикционные сплавы следует отливать при температуре 440-470°С. Если металл перегреть сильнее, чем на 480°С, произойдёт насыщение расплава газами.

Легкоплавкие подшипниковые сплавы (баббиты) – мягкие антифрикционные сплавы на оловянной, свинцовой, алюминиевой и цинковой основах, в которых равномерно распределены твердые кристаллы (кристаллы фазы SnSb (лат. Stibium) или кристаллы Sb, игловидные кристаллы Cu).

Применяются для заливки подшипников скольжения. Отли-чаются хорошей прирабатываемостью, низкой температурой залив-ки и малым коэффициентом трения. Все баббиты обязательно долж-ны иметь гетерогенную структуру, состоящую из твердых включе-ний и мягкой основы. После непродолжительной приработки на по-

90

верхности вкладыша образуется микрорельеф, позволяющий удер-живать смазку между выступающими твердыми включениями вкла-дыша и поверхностью вала.

Баббиты отличаются низкой твердостью 13…23 НВ (130...230 МПа), невысокой температурой плавления (340...500°С, алюминиевые бронзы – 630...750°С). Баббиты отличаются высоким уровнем прирабатываемости и имеют низкий коэффициент трения со сталью, хорошо удерживают граничную масляную пленку. Мяг-кая и пластичная основа баббита при трении в подшипнике изнаши-вается быстрее, чем вкрапленные в нее твердые кристаллы других фаз, в результате шейка вала при вращении скользит по этим твер-дым кристаллам. При этом уменьшается площадь фактического ка-сания трущихся поверхностей, что, в свою очередь, снижает коэф-фициент трения и облегчает поступление смазки в зону трения, пре-дотвращает схватывание и задиры. Благодаря хорошей прирабаты-ваемости баббитов, все геометрические дефекты поверхностей тре-ния деталей, полученные в процессе формообразования и сборки ТС, узлов трения, механизмов и технических систем в процессе при-работки на стадии обкатки подшипников могут быть частично или полностью устранены.

Антифрикционные свойства баббитов зависят от толщины баббитового слоя, нанесенного заливкой на подложку (основной слой - подложку подшипникового вкладыша обычно изготавливают из стали). В тонкослойных подшипниках при толщине баббита ме-нее 1 мм, он имеет гетерогенную (неоднородную) микроструктуру с крупными твердыми кристаллами химических соединений (SnSb, CuSn, SnPb и т.д.), вследствие чего сопротивляемость усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок снижается. В отдельных локальных объемах кристаллов накапливается пластиче-ская деформация, в слое баббита возникают внутренние остаточные напряжения, микротрещины, которые при повторном циклическом нагружении могут стать очагами усталостных трещин. Баббиты применяют для заливки подшипников скольжения при удельных нагрузках не более 10…15 МПа и температуре не выше 100…120°С.

Оловянные баббиты Б83 и Б89 являются лучшими, так как их оловянная основа вязкая и пластичная, она менее других склонна к

91

усталостному разрушению. На втором месте стоят свинцовые баб-биты (Б16, Б6), в которых мягкой основой является свинец. Эти баб-биты значительно дешевле оловянных, а по качеству уступают им незначительно.

Среди баббитов лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные. Они применяются для подшипников ответст-венного назначения, когда от антифрикционного материала требу-ются минимальный коэффициент трения, высокая износостойкость и вязкость. По сравнению с баббитами на основе свинца износ оло-вянных баббитов в два раза меньше. Все оловянные баббиты содер-жат в своем составе сурьму и медь, а баббит Б88 дополнительно ле-гирован кадмием и никелем. Структура оловянных баббитов состоит из мягкой основы (раствора сурьмы в олове) и равномерно распре-деленных в ней твердых частиц химического соединения SnSb. Та-ким образом, сурьма упрочняет мягкую основу баббитов и создает включения высокой твердости. Добавка меди дополнительно увели-чивает твердость оловянных баббитов (за счет образования твердых включений Cu3Sn и препятствует ликвации по плотности. Незначи-тельные добавки кадмия и никеля не образуют новых составляющих в структуре баббита Б88, но уменьшают размеры кристаллитов хи-мического соединения. Недостаток оловянных баббитов — высокое содержание дорогого и дефицитного олова.

Более дешевые свинцовые баббиты применяют в менее от-ветственных случаях, так как они уступают оловянным баббитам по механическим и антифрикционным свойствам, а также и по корро-зионной стойкости. Свинцовые баббиты имеют структуру, состоя-щую из эвтектики (мягкая основа) и твердых частиц фазы (SnSb), Сu3Sn и Сu2Sb. Содержание дефицитного олова в свинцовых бабби-тах снижено (5,5-17%). Для предотвращения ликвации при литье из-за различия плотности олова, свинца и более легкой сурьмы в свин-цовые баббиты вводят добавки меди. Наиболее простой по химиче-скому составу баббит Б16 имеет повышенную хрупкость и применя-ется только для спокойных условий работы без динамических нагру-зок. Баббит БН дополнительно легирован никелем, мышьяком и кадмием. Добавка никеля повышает твердость и износостойкость сплава. Мышьяк улучшает жидкотекучесть баббита и повышает его

92

теплопрочность. Кадмий вводят для повышения прочности и корро-зионной стойкости сплава. Самый дешевый баббит марки БС6 обла-дает достаточной вязкостью и применяется для работы в условиях ударных нагрузок.

Они являются более экономичными, по сравнению с оловян-ными. Мягкой основой в таких сплавах является эвтектика, состоя-щая из 13% Sb и 87% Pb. Твёрдость сплаву придают кристаллы сурьмы.

Свинцовые баббиты рекомендуют использовать для изготов-ления подшипников в следующих случаях: марка Б16 - для паровых турбин, лесопильных рам, гидротурбин, электродвигателей, ком-прессоров; Б6 - для металлообрабатывающих станков и вентилято-ров; БТ - для автомобилей и тракторов; БН - для двигателей внут-реннего сгорания, редукторов и т.д.

Кальциевые баббиты - наиболее дешевые из баббитов, изго-товляются по ГОСТ 1209-90. Это сплавы на основе свинца с не-большими добавками кальция и натрия. По требованию потребителя кальциевые баббиты легируют другими элементами. Изготавливают следующие марки кальциевых баббитов: БКА, БК2 и БК2Ш.

Кальциевые баббиты обладают наименьшей теплопроводно-стью и наибольшей плотностью среди всех баббитов на основе оло-ва или свинца. К их недостаткам относится также легкая окисляе-мость.

Основой таких баббитов служит твердый раствор натрия в свинце, а твердые включения представляют собой химические со-единения состава Pb3Ca. Это разновидность свинцовых баббитов. Кроме натрия и кальция в состав таких сплавов может входить не-значительное количество алюминия, который способствует повы-шению пластичности, прочности и антифрикционных свойств баб-битов, хотя по этим показателям кальциевые баббиты заметно усту-пают оловянным.

К недостаткам кальциевых баббитов является то, что в про-цессе плавки из них выгорает все большее и большее количество натрия и кальция, что, в свою очередь, Отрицательно сказывается на свойствах сплавов такого типа. Для снижения угара этих элементов в баббиты вводят до 2,5% олова. Кроме того, олово способствует

93

хорошему сцеплению самого баббита со стальным корпусом под-шипника.

Одной из особенностей кальциево-натриевых баббитов явля-ется склонность их к старению, в результате которого увеличивается твердость. Из таких сплавов рекомендуют изготавливать подшипни-ки редукторов, металлообрабатывающих станков, буксовые под-шипники вагонов и т.п. Эти материалы допускают давление до 1000 МПа.

Все баббиты имеют существенный недостаток — низкое со-противление усталости, что ухудшает работоспособность подшип-ника. Из-за небольшой прочности баббиты могут успешно эксплуа-тироваться только в подшипниках, имеющих прочный стальной (чу-гунный) или бронзовый корпус. Обычно тонкостенные подшипни-ковые вкладыши автомобильных двигателей изготовляют штампов-кой из биметаллической ленты, полученной на линии непрерывной заливки. Продолжительность работы подшипников зависит от тол-щины баббитового слоя, залитого на стальной вкладыш. Уменьше-ние толщины слоя увеличивает срок службы подшипника. Дефицит-ность олова и в меньшей степени свинца заставляет изыскивать и применять антифрикционные сплавы на менее дефицитной основе (например, на основе алюминия).

Подшипники с толщиной баббитового слоя более 3 мм ис-пользуют при сравнительно легких условиях работы. Баббитовый слой таких подшипников (Б83, Б16, БН, БКА) обладает хорошей способностью прирабатываться и является своеобразным компенса-тором всякого рода неточностей, образованных при обработке и монтаже трущихся деталей и возникающих в процессе эксплуата-ции. К такому типу относятся подшипники скольжения вагонов, вкладыши тихоходных мощных судовых двигателей, компрессоров и др.

Композиционные материалы – материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с чет-кой границей раздела между ними. Характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельно-сти. Компоненты композиционных материалов можно выбирать из любых классов материалов. Возможны многочисленные комбина-

94

ции, что обеспечивает разнообразие свойств композитов в любых областях их применениях, включая их использование в качестве триботехнических материалов.

Композиционные материалы и детали трения: - сочетают механическую прочность металлической основы с

антифрикционными свойствами твердых смазок; - могут иметь анизотропные или изотропные трибомехани-

ческие характеристики; - хорошо обрабатываются резанием; - длительно и надежно работают в экстремальных условиях

(вакуум, радиация, криогенные и высокие температуры); - допускают кратковременную работу на воздухе без ухуд-

шения триботехнических характеристик. Композиционный материал состоит из матрицы (фаза I) –

основной структурной или фазовой составляющей материала, яв-ляющейся непрерывной связующей компонентов; из фазы II – одно-го или нескольких диспергированных в матрице веществ в любом агрегатном состоянии. Фаза II может быть представлена дисперсным (прерывистым) и непрерывным веществом (волокном). Иногда вы-деляют и фазу III – третий компонент конструкционных материалов – межфазовая граница, обладающая определенным комплексным свойством: избыточной поверхностной энергией, способностью к протеканию процессов диффузии, растворению, перемешиванию микрочастиц, образованию новых фаз.

В настоящее время нет единой классификации композици-онных материалов. Чаще всего их классифицируют по следующим признакам.

1. По происхождению: I группа – природные (драгоценные камни, гранит, мрамор и др.); II группа – искусственные.

2. По способу получения: полученные химическим способом (гальваностегия, стеклообразование, кристаллизация); металлурги-ческим (порошковая металлургия); механическим и др.

3. По технологическим методам изготовления: порошковая металлургия; пропитка расплавленными металлами пористых карка-сов; электролитическое осаждение (гальваностегия); литье под дав-лением; формирование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы;

95

холодное прессование обоих компонентов с последующим спекани-ем; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузная сварка многослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей.

4. По материалу матрицы: металлические, полимерные, спе-ченные материалы, керамические. Металлические и керамические не имеют четкой границы между собой ввиду многообразия их со-ставов и трудности разграничения тугоплавких веществ по их элек-тропроводимости (металличности).

5. По характеру структуры: волокнистые, упрочненные не-прерывными волокнами и нитевидными кристаллами; дисперсно-упрочненные материалы, полученные путем введения в металличе-скую матрицу дисперсных частиц упрочнителей; слоистые материа-лы, созданные путем прессования или прокатки разнородных мате-риалов; эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтек-тического или близкого к эвтектическому составу, в которых упроч-няющей фазой служат ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации.

6. По резко выраженным свойствам: высокопрочные, жаро-прочные, износостойкие, антифрикционные, фрикционные, корро-зионноустойчивые, теплоустойчивые и др.

7. По размерам частиц фазы II, зерен кристаллов матрицы и их взаимному расположению (структурно-размерная классификация по Р. Сайфулину).

Композиционные спеченные антифрикционные материалы (КСАМ) можно также подразделить на основную группу и группу материалов специального назначения.

Первая группа включает материалы, классифицируемые по составу и строению: на основе меди, железа, никеля и кобальта, алюминия и других легких металлов; на основе тугоплавких метал-лов и их соединений; металлографитовые материалы; металлические двуслойные на стальной подложке; материалы матрично-наполненного типа; металлостеклянные материалы, металлополи-мерные материалы.

96

Вторую группу составляют материалы, классифицируемые по условиям работы: для работы в присутствии жидкого смазочного материала; без смазочного материала в воздушной среде, вакууме и инертных газах; для работы при повышенных температурах, при вы-соких скоростях скольжения; для работы в воде и коррозионных средах; материалы для скользящего токосъема, торцевых и радиаль-ных уплотнений, поршневых колец.

Триботехническими характеристиками материалов можно управлять, изменяя пористость. Поры выполняют роль резервуаров для смазочного вещества, которое по мере износа материала выдав-ливается из его объема и поступает в зону трения, способствуя вос-становлению смазочной пленки, что обеспечивает условия для гра-ничной смазки. Выдавливание смазочного вещества происходит также вследствие фрикционного нагрева и теплового расширения детали. При охлаждении детали излишек смазочного материала, на-ходящийся на поверхности трения, впитывается обратно в ее порис-тый слой.

Пористые антифрикционные материалы получают методом прессования с последующим спеканием из порошков на железной и медной основах. На характеристики пористых изделий существенно влияют форма, состояние поверхности и распределение частиц ис-ходного порошка по размерам в объеме.

По форме частиц металлические порошки можно условно разделить на шарообразные, каплеобразные, губчатые, дендритные, тарельчатые, осколочные (полученные дроблением и разломом в шаровых и вибрационных мельницах), волокновидные и лепестко-вые (полученные сплющиванием). Наиболее энергетически выгодна шарообразная форма частиц, при такой форме гидравлическое со-противление пористого материала наименьшее, следовательно, уменьшается трение в зоне ТС пористого материала.

С целью улучшения триботехнических свойств в качестве обязательных добавок в шихту-основу для спекания добавляют ан-тизадирные, антифрикционные наполнители-порошки самосмазы-вающихся слоистых материалов: графита и фторированного графита СF, дисульфида молибдена MoS2, нитрида бора BN и др. Во избежа-ние выгорания указанных добавок формирование детали проводят

97

по технологии так называемого самораспространяющегося высоко-температурного синтеза. В основу этого метода положена способ-ность определенных сочетаний компонентов спекаемой композиции воспламеняться при локальном нагреве. При этом происходит хими-ческое взаимодействие компонентов с образованием новых соеди-нений (карбидов, нитридов и др.). Благодаря ориентированному распространению волны горения возможно получение материалов с одномерной направленностью капилляров, образующихся из взаи-мосвязанных пор.

На современном этапе развития порошковой металлургии разработано достаточно много технологий производства пористых сплавов различного состава для деталей ТС. Пористые изделия из сферических частиц бронзы и меди обычно получают спеканием свободно насыпанных порций порошков. Этим способом удается получить изделия пористостью 0,35...0,42 довольно сложной гео-метрической формы. Равномерное распределение порошков в фор-мах перед спеканием достигается вибрацией. Для обработки порис-тых материалов резанием обычно используют резцы, оснащенные пластинками из твердых сплавов. Пористые металлы, характеризу-ются целым рядом параметров, каждый из которых в отдельности не дает полного представления о свойствах пористого изделия. К пара-метрам, определяющим пористую структуру, относятся: пористость и ее распределение по объему тела; вид (открытая, закрытая, полу-открытая или тупиковая); просвет, проницаемость масел, распреде-ление пористости по размерам на формируемой площади, физико-механические свойства пористого материала.

Пористостью тела называется отношение объема пустот к полному объему пористого тела. Обычно пористые антифрикцион-ные материалы перед использованием в узлах трения пропитывают жидким смазочным материалом. Детали из таких материалов при-меняют в парах трения при недостаточной смазке или при недопус-тимости применения других систем смазывания. В процессе работы такой трибосистемы с повышением температуры автоматически вы-деляется масло (объем пор 1,5…30% от объема детали) и поступает в зону фактического контакта. Эти пары трения устойчиво работают

98

как в условиях масляного голодания, так и в условиях обильной смазки.

Композиционные спеченные антифрикционные материалы на основе меди делят на группы: пористая бронза (оловянная); леги-рованная пористая бронза (свинцовая, фосфорная и др.); бронзогра-фит; материалы на стальной подложке с пористым спеченным брон-зовым слоем, поры которого заполнены пластмассой; медь-графит.

Пористые оловянные бронзы используют для замены литых бронз, что дает существенную экономию цветных металлов. Приме-нение более тонких порошков для изготовления спеченных бронз позволяет повышать несущую способность подшипников, потому что образующиеся в этом случае капиллярные поры затрудняют вы-давливание смазочного материала из зоны трения.

Пористые бронзы применяют для изготовления подшипни-ков, работающих в легких условиях. Изготавливают подшипники приборов с условиями работы: скорость скольжения до 1,5 м/с, кон-тактные давления – 0,5...1,5 МПа. Такие подшипники не требуют дополнительной смазки в течение 3000...5000 ч, имеют низкий (ста-бильный) коэффициент трения 0,01...0,04 (при самосмазывании), работают надежно в диапазоне температур от –60 до +120°С при низком уровне шума. Пористая бронза применяется для изготовле-ния подшипников машин пищевой и текстильной промышленности, бытовых машин, часовых механизмов, точного инструмента, венти-ляторов.

В бронзографитовых материалах графит не взаимодейству-ет ни с медью, ни с оловом; его рассматривают как добавку, выпол-няющую роль твердого смазочного материала. Графит вводят в за-висимости от условий работы в количестве от 1 до 25%. В процессе трения бронзы графит образует пленку на поверхности контртела. Механические свойства бронзографитовых материалов зависят от содержания в них графита.

Рабочая температура бронзографитов 90°С. Бронзографито-вые спеченные материалы могут работать в паре с контртелом, имеющим грубую обработку поверхности трения; в жидкостях, не обладающих смазочной способностью; в циркуляционных насосах; в водомасляных смесях.

99

Бронзографит применяют для изготовления подшипников скольжения тракторов, малогабаритных редукторов, текстильного оборудования, электрических машин, радиоэлектронной техники. Они могут применяться в качестве заменителей оловянных литых бронз и латуней, а в некоторых случаях могут заменять подшипники качения.

Спеченная алюминиевая бронза предназначена для изготов-ления подшипников скольжения, заменяющих подшипники из спе-ченной и литой деформированной оловянистой бронзы на спечен-ные медные сплавы, которые бы не содержали олова, в технологиче-ском оборудовании и транспорте (там, где важно уменьшение веса и стоимости изделий).

Литые, не порошковые, алюминиевые бронзы по прочности, жаростойкости, сопротивлению коррозии, окислению и износу пре-восходят оловянистые и широко применяются в машиностроении. Однако, оловянистая бронза из-за наличия в ней олова является сравнительно дорогим и дефицитным материалом на основе меди. Одной из перспективных легирующих добавок к меди является алюминий, который на единицу объема в 5 раз дешевле, чем олово. Кроме того, замена олова алюминием при легировании меди замет-но уменьшает вес материала. При этом потребительские, эксплуата-ционные, свойства сплава повышаются.

Техническое преимущество спеченной алюминиевой бронзы по сравнению как с литой, так и со спеченной оловянистой бронзой, а также спеченным железом, используемых в качестве подшипнико-вого материала, обусловлено низкой стоимостью порошка алюми-ния на единицу объема в беспористом состоянии по сравнению с порошком олова и как следствие - более низкой себестоимостью подшипников; более низким весом подшипников скольжения из спеченной алюминиевой бронзы по сравнению с подшипниками скольжения из оловянистой бронзы тех же размеров.

Спеченные алюминиевые сплавы антифрикционного назна-чения предназначены для изготовления подшипников скольжения, заменяющих подшипники из спеченной и литой деформированной оловянистой бронзы в технологическом оборудовании и изделиях, где важно уменьшение веса и стоимости изделий. Разработаны два

100

типа сплавов, одни из которых содержит цинк, другие до 60% твер-дых интерметаллидных включений. Сплавы обладают гораздо меньшей стоимостью в расчете на единицу объема по сравнению со сплавами на основе меди аналогичного назначения. Благодаря зна-чительному содержанию высокотвердых интерметаллидов спечен-ные композиционные материалы на основе алюминия имеет высо-кую износостойкость, соизмеримую с износостойкостью чугуна. Удешевление производства деталей из спеченного алюминия по сравнению со спеченными деталями из меди, бронзы, латуни дости-гается за счет меньшей стоимости алюминиевого порошка в расчете на единицу объема компактного металла. При этом экономится энергия на операциях прессования и спекания.

Техническое преимущество спеченных алюминиевых спла-вов по сравнению как с литой, так и со спеченной оловянистой бронзой, а также спеченным железом, используемых в качестве подшипникового материала, обусловлено:

- низкой стоимостью Al порошка на единицу объема в бес-пористом состоянии;

- низким давлением прессования Al порошка (2-3 т/см2 вме-сто 4-5 т/см2 для порошка Fe);

- низкой температурой спекания (600-700 °C вместо 830 °C для Cu-Sn и 1150 °C для Fe);

- высокой теплопроводностью Al, которая очень важна для охлаждения подшипников в процессе их работы;

- высокой коррозионной стойкостью алюминия, который, кроме того, не разлагает смазку;

- малым весом подшипников скольжения, благодаря которо-му уменьшается шум и вибрация оборудования.

Композиционные материалы на основе железа получили наибольшее распространение среди антифрикционных спеченных материалов. Это объясняется возможной заменой ими подшипнико-вых материалов типа баббитов, бронз (как литых, так и спеченных), что достигается изменением триботехнических свойств материалов на основе железа в широком диапазоне введением в их состав леги-рующих элементов и присадок. Эти материалы обладают более вы-

101

сокой износостойкостью, чем бронза, и превосходят ее по макси-мально допускаемым контактным давлениям.

Для повышения прочностных и антифрикционных свойств пористого железа его подвергают химико-термической обработке (сульфидированию, хромированию, азотированию). Коэффициент трения, например, сульфидированного спеченного пористого железа Ж-20с, равен 0,04 при жидкостной смазке.

На трибомеханические свойства спеченного пористого желе-за значительное влияние оказывает его пористость. Предельно до-пустимое контактное давление пористого железа зависит от режима смазки и скорости скольжения. Особенно на работоспособность та-ких материалов влияет рабочая температура (более 100°С). Это свя-зано с тем, что в железе (например, при 300...400°С) возникают пла-стические деформации, нарушается самосмазывание, а также может происходить разложение смазочного материала в порах. Пористое железо используют для изготовления самосмазывающихся подшип-ников (пропитка пор маслом) кольцепрядильных машин, бытовой аппаратуры и различных приборов.

Трибомеханические свойства железографита зависят от его пористости и содержания в нем графита. Для тяжелых условий ра-боты (например, при высоких ударных нагрузках, требующих по-вышенную механическую прочность) в подшипниках используют пористые вкладыши из железографита: при высоких нагрузках П=12...20%; для средних нагрузок – П=22...28%; при малых нагруз-ках – П=25...35%.

Применение железографитовых подшипников позволяет экономить сплавы цветных металлов – бронзы, баббиты. В ряде слу-чаев железографитовые подшипники скольжения могут успешно заменить шариковые и роликовые подшипники качения. Наличие графита и запас жидкого смазочного материала придают ТС под-шипников свойства самосмазывания, что уменьшает опасность вы-хода из строя деталей ТС узлов трения из-за недостатка смазки. Ис-пользование подшипников, полученных спеканием из порошков взамен литых повышает их ресурс.

Материалы и детали с рабочим слоем твердой смазки пред-ставляют собой пористую металлическую основу, изготовленную

102

методами порошковой металлургии из сферического порошка, про-питанную суспензией, в состав которой входят твердые смазки. Особенности процесса пропитки позволяют регулировать высоту избыточного слоя твердой смазки на поверхности детали. Опти-мальная высота рабочего слоя составляет 30 мкм. Применяются в силовых, приборных и высокотемпературных узлах сухого трения, работающих в вакууме выше 10-2 мм рт. ст. в качестве вкладышей подшипников скольжения, конических роликов упорно-радиальных подшипников качения, направляющих втулок, шарниров, цилиндри-ческих шестерен.

Твердые композиционные спеченные сплавы используют в качестве конструкционного материала трущихся деталей узлов тре-ния и режущего инструмента. Они состоят из твердых карбидов и связующей фазы, изготавливаются методами порошковой металлур-гии. Отличительная особенность твердых сплавов заключается в их высокая твердость (88…93 НRCэ) при достаточно высокой прочно-сти (σв>2500 МПа), которая приближается к прочности инструмен-тальных сталей. Твердость и прочность зависят от состава твердых сплавов и, прежде всего, от количества связующей фазы (кобальта) и величины зерен карбидов. Твердые сплавы отличаются очень вы-сокой износо- и теплостойкостью.

Твердые спеченные сплавы на основе вольфрама делят на 3 группы: титанотанталвольфрамовые, титановольфрамовые вольф-рамовые.

1. ВК – однокарбидные твердые сплавы, состоящие из кар-бида вольфрама (WC). В эту группу входят следующие марки спла-вов ВК3, ВК6, ВК8, ВК10 и др., различающиеся содержанием ко-бальта;

2. ВТК – двухкарбидные сплавы (Т5К10, Т14К8, Т15К6 и др.). Наиболее типичный представитель этой группы сплав является Т15К6. При спекании, вследствие процессов диффузии и растворе-ния вольфрама и углерода в карбиде титана, структура сплава со-стоит более чем из 50% карбида титана TiС (темные крупные кар-бидные частицы) и карбида вольфрама WC, который почти не рас-творяет титан;

103

3. Трехкарбидные сплавы, состоящие из карбидов титана, вольфрама и тантала (TiC, WC, ТаC). К этой группе относятся спла-вы марок ТТ17К, ТТ8, ТТ20. Титанотанталовольфрамовые сплавы применяют при черновой и чистовой обработке труднообрабаты-ваемых материалов, в том числе жаропрочных сплавов и сталей (88...91НRCэ).

Наиболее распространенными сплавами группы ВК являют-ся сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где числа 3, 6, 8, 20 показы-вают содержание кобальта в % (остальное WC – карбид вольфрама). Сплавы с малым количеством кобальта обладают повышенной твер-достью и износостойкостью. Износостойкость твердых сплавов со-храняется высокой и при нагреве до 800…1000°С.

Широкое применение находят твердые сплавы в горной и камнеобрабатывающей промышленности для изготовления молот-ков ударного и повторно-ударного действия, буров, мельниц. В ма-шиностроении при металлообработке твердые сплавы используют для изготовления режущего инструмента: износостойкость инстру-ментов из твердых сплавов в 10…20 раз выше износостойкости ин-струментов из быстрорежущих инструментальных сталей. Твердые сплавы ВК и ТК имеют высокую стоимость. Поэтому разрабатыва-ются и находят применение твердые сплавы, не содержащие W и Со. Такими являются сплавы типа Тi-Ni-Mo, их стоимость значительно ниже стоимости сплавов типа ВК, а по твердости они могут превос-ходить сплавы ВК и ТК.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) – класс техни-ческих неорганических материалов, образующихся в результате тонкой кристаллизации стекол или расплавов различных составов в объеме заранее отформованного изделия с введением в них различ-ных функциональных добавок. Они могут состоять из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных по объему. Ситаллы изготавливают плавлением стекольной шихты специальных составов с введением катализаторов кристаллизации. Затем расплав охлаждают до пластичного состояния и формируют из него изделия методом: прессования, выдувания, вытягивания – технологий, применяемых в стекольном производстве. Для образо-вания мелкокристаллической плотной структуры, характерной для

104

ситаллов готовые отформованные изделия подвергают специальной термической обработке. От стекла ситаллы отличаются кристалли-ческим строением, а от керамики – меньшим размером кристаллов.

Ситаллы обладают высокой твердостью, равной закаленной инструментальной стали 640 НV (6400 МПа). Прочность ситаллов (особенно при сжатии) выше, чем большинства керамических мате-риалов и металлов (σизг = 250…500 МПа).

Ситаллы имеют хорошие электроизоляционные свойства (диэлектрическая постоянная ε = 0…7,5 при частоте от 105…106 Гц), способны выдерживать резкое охлаждение от 900°С; кислото- и ще-лочеустойчивы. В связи с этим ситаллы получили довольно широкое распространение в технике. Существует много разновидностей си-таллов, различающихся содержанием тех или иных окислов. По хи-мическому составу их подразделяют на группы: СТЛ – сподумено-вые; СТМ – кордиеритовые; СТБ – борнобариевые и борно-свинцовые, высококремистые; фотоситаллы, шлакоситаллы, ситал-лоэмали и др.

Высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью об-ладают:

- петроситаллы (на основе габбро-норитовых, базальтовых и других горных пород;

- пироксеновые ситаллы(CaO-MgO-Al2O3-SiO2); - шлакоситаллы (полученные из стекол, сваренных на основе

металлургических и топливных шлаков). Из них изготавливают плунжерные пары, детали трения на-

сосов для химического машиностроения, футеровку мельниц, филь-еры для синтетических волокон, точные калибры, нитепроводящие детали текстильных машин и другие детали, подверженные интен-сивному абразивному изнашиванию. Иногда ситаллы используют в качестве наполнителей металлостеклянных износостойких материа-лов. Ситаллоэмали применяют в качестве антикоррозионных, термо-стойких (до 840°С) и износостойких покрытий.

Одним из интересных по составу и назначению из группы ситаллов следует выделить углеситаллы УСБ. Углеситалл – пироуг-леродный материал, получаемый путем направленной кристаллиза-ции при пиролизе углеводородов в присутствии галогенидов туго-

105

плавких металлов. Материал имеет мелкозернистое строение, для него характерна изотропность свойств. Углеситаллы УСБ-П полу-чают в форме пластин и цилиндров, УСБ-В – в форме трубок, а де-тали из него – в виде пластин, колец и втулок.

Керамики представляют собой неорганические неметалличе-ские материалы, обладающие рядом преимуществ перед металлами и сплавами. Керамики имеют высокое отношение прочности к плот-ности; жесткости к модулю упругости; высокую прочность при по-вышенных температурах и коррозионную стойкость. Керамики при-меняют в разных областях машиностроения и др.

Большинство керамик – это оксиды, карбиды, бориды, нит-риды и силициды тугоплавких металлов; алюминия, титана, цирко-ния и некоторых других металлов. Существуют также композици-онные материалы, представляющие собой включения в металличе-ской матрице керамики (металлокерамика и керметы). К классу ке-рамических материалов также часто относят алмаз.

Минералокерамику получают из порошков, главным образом оксидов, характеризуемых высокой прочностью, жаропрочностью, износостойкостью и состоящие из кристаллитов, соединенных аморфной стекловидной фазой. Металлокерамику применяют для изготовления режущего инструмента.

Минералокерамику можно подразделить на три группы: - оксидная, состоящая из оксидов алюминия, титана (99%) и

незначительных добавок оксида магния или других элементов. К этой группе относятся марки ВО-13, ЦМ-332 и ВШ-75;

- оксидно-карбидная, состоящая из оксида алюминия (60...80%), карбидов и окислов тугоплавких металлов. К ней отно-сятся марки В-3 и ВОК-60 (ГОСТ25003-81);

- оксидная, состоящая из нитридов кремния (до 97%) и туго-плавких минералов с включениями оксида алюминия и некоторых других компонентов. К ней относятся кортинит ОНТ-20 и силинит-Р.

Минералокерамические материалы используют главным об-разом для изготовления сменных пластин инструментов для полу-чистовой или чистовой обработки углеродистых и легированных сталей и чугуна. Эти пластины обладают высокой теплостойкостью

106

(1200...1400°С), твердостью 3000...3300 НV, износостойкостью и химической устойчивостью.

По сравнению с пластинами из твердых сплавов минерало-керамические материалы позволяют обрабатывать детали из стали и чугуна со скоростями резания в 1,5...2 раза более высокими.

Корундовую минералокерамику применяют также для изго-товления износостойких насадок гидромониторных долот, горловин насосов, нитеводителей ткацких станков. Используют в электротех-нике для изготовления деталей газодинамических подшипников ги-роскопов. Хорошие результаты дало применение минералокерамики для изготовления почвообрабатывающих приспособлений.

Антифрикционные углепластики марок УГЭТ и ФУТ обла-дают уникальным комплексом триботехнических, физико-механических и технологических свойств, имеющих прочность, из-носостойкость, ударостойкость, стабильность размеров, техноло-гичность на уровне металлов, но в отличие от них способных рабо-тать без смазки или при смазывании водой или агрессивными жид-костями.

Материалы УГЭТ и ФУТ применяются в подшипниках скольжения и торцевых уплотнениях, смазываемых водой, агрессив-ными жидкостями, маслами и др., работающих при контактных дав-лениях до 60 МПа и скоростях скольжения от 0,005 до 40 м/с по контртелам из бронзы, стали, титановых сплавов и керамики. Анти-фрикционные углепластики УГЭТ и ФУТ являются высокопрочны-ми, износостойкими материалами, не изменяющими свои размеры и свойства при длительной эксплуатации в воде при 20°С. Высокая ударопрочность исключает сколы, растрескивания и другие повреж-дения узлов трения, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок и обрабатываются на стандартном металлорежущем обо-рудовании, твердосплавным или алмазным инструментом. Разрабо-тана технология изготовления тяжелонагруженных высокоскорост-ных узлов трения скольжения диаметром до 2,4 метра для судовых механизмов и систем, гидротурбин и насосов, а также для примене-ния в арматуростроении, тяжелом машиностроении и других отрас-лях.

107

Полимерные материалы - высокомолекулярные соединения, в которых регулярно чередуется большое число атомных группиро-вок, соединенных химическими связями в полимерную цепь – мак-ромолекулу.

Исходное вещество называется мономером, многократно по-вторяющимся в цепи группировок R и Р – составными звеньями с числом n звеньев в цепи, характеризующим степень полимеризации. Полимеризация – реакция соединения молекул мономера, проте-кающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся вы-делением побочных продуктов, т.е. не приводящая к изменению элементного состава мономера.

Механические свойства полимеров обусловлены строением их макромолекул и характером межмолекулярных связей. Полимеры применяются в трибологии благодаря некоторым характерным свойствам, которыми не обладают металлы и керамики. Среди этих свойств: инертность ко многим реактивам; относительно низкая склонность к схватыванию; самосмазывающие свойства и низкий модуль упругости.

Полимеры имеют ряд преимуществ перед традиционными материалами – сплавами цветных металлов и асбестосодержащими материалами (уплотнительные и тормозные устройства). Полимер-ные материалы обеспечивают: упрощение и облегчение конструк-ции узлов трения, экономию дорогостоящих цветных металлов, по-зволяют расширить диапазоны эксплуатации; повысить показатели долговечности (ресурс, срок службы); снизить шум и вибрацию ма-шин и механизмов в целом. Использование в подшипниках сколь-жения самосмазывающихся полимерных материалов позволяет от-казаться от принудительной смазки, тем самым обеспечивая эконо-мию смазочных материалов, исключить или снизить до минимума вероятность появления отказов и скрытых дефектов, приводящих к катастрофическим отказам, таким как: усталостное или хрупкое раз-рушение валов и др. элементов конструкции машин, исключить схватывание II рода, заедание и фреттинг-коррозию и абразивное изнашивание, вызывающее царапины и микрорезание.

Пластмассы подразделяются на термопластичные и терморе-активные по реакции на теплоту. К термопластичным относятся

108

пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагрева-нии и охлаждении. К термореактивным пластмассам относятся по-лимеры, в которых при термическом воздействии возникают реак-ции химического связывания цепных молекул с другими, образуя сетчатую структуру. Такие пластмассы не могут переходить в пла-стичное состояние при повышении температуры без нарушения про-странственных связей в структуре полимера.

Термопластичные и термореактивные полимеры могут ис-пользоваться в качестве антифрикционных материалов, как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов с различными на-полнителями. Из полимерных материалов изготовляют: зубчатые колеса, шкивы, детали ТС подшипников, кулачковые механизмы, направляющие, уплотнения, сепараторы подшипников качения, шарниры и т.д.

Антифрикционные полимерные материалы на основе термо-пластов отличаются высокой технологичностью, низкой себестои-мостью, демпфирующей способностью. Детали из термопластов из-готовляют: литьем под давлением и экструзией; крупногабаритные детали изготавливают центробежным ротационным формованием; анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, на-несением антифрикционных покрытий из расплавов порошков. Тер-мореактивные полимеры перерабатываются преимущественно мето-дом компрессионного и литьевого прессования, они более прочны и термостойки. Порошкообразные термореактивные композиции на-носят на трущиеся поверхности деталей в виде тонкослойных по-крытий. Полимерные пленки применяют взамен смазочных мате-риалов при штамповке деталей автомобилей. Полимерные материа-лы на основе реактопластов классифицируются по виду наполните-лей, армирующих элементов и связующего вещества.

Наибольшее применение в настоящее время в узлах трения машин находят:

- текстолиты, сложные пластики, изготовляемые методом го-рячего прессования нескольких слоев ткани или других сложных армирующих материалов, пропитанных синтетическими смолами;

109

- стеклопластики, слоистые пластики, изготовленные мето-дом горячего прессования нескольких слоев стеклоткани, пропитан-ной синтетическими смолами;

- углепластики, слоистые пластики, изготовленные методом горячего прессования нескольких слоев углеродной ленты, пропи-танной синтетическими смолами;

- комбинированные реактопласты, слоистые пластики, изго-товленные методом горячего прессования слоев различных материа-лов, пропитанных синтетическими смолами.

В машиностроении разработан целый ряд конструкций под-шипников, передач, направляющих и уплотнений, в которых смазы-вание обеспечивается благодаря специальным элементам конструк-ции (деталям), изготовленным из так называемых полимерных само-смазывающихся композиционных материалов.

По составу все ПСКМ можно разделить на следующие груп-пы:

- композиции, содержащие главным образом антифрикцион-ные наполнители, полимерные связующие и пластификаторы (до-полнительные смазочные материалы);

- композиции с комплексными наполнителями, улучшающи-ми физико-механические и триботехнические свойства материалов;

- комбинированные самосмазывающие материалы типа ме-таллополимерной ленты, в которой совмещаются преимущества со-ставных частей металла, как несущей и теплопроводной основы и полимера, как антифрикционного самосмазывающегося слоя, обес-печивающего надежную защиту поверхности трения от схватыва-ния.

Материалы на основе фторопласта занимают особое место среди других полимеров, их нельзя отнести ни к термопластам, ни к реактопластам, так как им присущи свойства обеих групп. Фторо-пласты отличаются самым низким и стабильным коэффициентом трения по стали (0,04) и лучшими смазывающими свойствами среди полимеров. Однако, твердость чистого фторопласта невелика, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при контактном взаимодействии и к интенсивному изнашиванию при трении. Поэтому для изготовления деталей ТС чистый фторо-

110

пласт не применяют, а используют композиционные материалы на основе фторопласта. Расширяется применение спеченных пористых подшипников, пропитанных фторопластом. Такие подшипники весьма перспективны для не смазываемых опор скольжения благо-даря высоким антифрикционным свойствам фторопласта. Коэффи-циент трения подшипников, пропитанных фторопластом, без смазки составляет примерно 0,05. Они надежно работают при температурах до 280°С в кислых и щелочных средах. Триботехнические характе-ристики композиционных материалов существенно зависят от тем-пературы окружающей среды.

Материал криолон-3 наряду с дисперсными наполнителями (МоS2 и бронза) содержит волокнистый наполнитель в виде измель-ченных углеродных волокон, что обеспечивает повышение механи-ческих свойств и теплопроводности, а также снижение интенсивно-сти изнашивания, особенно в области низких температур. Общим для материалов этого типа является низкий коэффициент трения и интенсивность изнашивания при повышенных температурах. Крио-лон сохраняет работоспособность в диапазонах температур от –200 до +200°С. Используют и другие высокоэффективные композицион-ные материалы на основе фторопласта-4 и фторопласта-40, содер-жащие от 5 до 45% углеродного волокна, до 15% бронзы, а также никель, кобальт, дисульфид молибдена, графит и др. элементы. Важное значение имеет не только количество наполнителей, но так-же форма и размеры частиц.

Широкое применение в различных узлах трения находят ан-тифрикционные композиционные материалы на основе полиамидов. Полиамиды, в основной полимерной цепи имеющие в наличии амидные группы – NH-CO-, создают сильные межмолекулярные связи, за счет которых повышаются механические свойства, жест-кость, твердость, стойкость к ударным нагрузкам, усталости и ра-диационная стойкость. Полиамиды имеют довольно низкий коэф-фициент трения и по этому показателю уступают фторопласту и по-лиформальдегиду, однако по износостойкости и несущей способно-сти превосходят их. Для улучшения прочностных свойств полиами-ды армируют, а для увеличения смазочной способности вводят гра-фит, МоS2, кокс и др.

111

Улучшение триботехнических характеристик достигается также введением наполнителей в виде волокон, например углерод-ных, меднографитных взамен графитных порошков. Детали тяжело-нагруженных узлов трения изготавливают из композиционных ма-териалов на основе ароматического полиамида типа фенилона. Для эксплуатации в условиях малых скоростей и больших давлений предпочтительны полиамиды с высокой молекулярной массой; в условиях повышенных скоростей и малых контактных давлений – полиамиды с малой молекулярной массой. Детали из ароматических полиамидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью. Выпускаемые промышленностью ароматические полиамиды под названием фенилон стойки против многих химических веществ, ма-сел, бензина. Детали из фенилона эксплуатируются при температу-рах от -50 до +200°С. Для антифрикционных материалов на основе фенилона весьма эффективно применение комплексных наполните-лей, одним из составляющих которых является фторопласт-4. Поло-жительное влияние на физико-механические и триботехнические характеристики оказывает совместное введение твердых смазочных материалов и фторопластов.

Материалы на основе полиимидов отличаются от полиами-дов высокой термической и термоокислительной устойчивостью. Они начинают разлагаться на воздухе только в области температур 350…450°С, а в вакууме или инертной среде при 500°С. Полиимиды относятся к самым радиационностойким материалам, что в сочета-нии с малой летучестью в вакууме делает их перспективными для применения в ТС узлов трения, работающих в вакууме. Изделия из полиимидов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200…260°С. Полиимид ПМ-69 сохраняет 90% прочности при изгибе после 500 часов работы при 250°С и после 100 часов работы при 300°С. Ценным свойством полиимидов является высокое сопротив-ление ползучести, особенно при высоких температурах. Возмож-ность применения полиимидов для изготовления деталей высокой точности обусловлено их малой усадкой (0,7…1,0%) при прессова-нии и спекании, небольшим водопоглощением (0,2…0,3%).

В чистом виде полиамиды обладают низкими антифрикци-онными свойствами (коэффициент составляет трения 0,6…0,7), ко-

112

торые резко улучшаются при введении твердосмазочных наполни-телей (графит, дисульфид молибдена), коэффициент трения снижа-ется до 5…10 раз и достигает минимума при давлении 7…8 МПа, затем может незначительно увеличиваться. Интенсивность изнаши-вания монотонно повышается с увеличением контактного давления, скорость скольжения повышает интенсивность изнашивания и ко-эффициент трения.

Детали ТС узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых материалов, например, для подшипни-ков скольжения, к полиимиду добавляют полиформальдегид. При температуре до 340°С наиболее эффективно работают композиции, содержащие 45% графитированного волокна при коэффициент тре-ния до 0,05…0,10 и при допустимом контактном давлении 350 МПа.

Полиимид с хаотично ориентированным графитированными волокнами используется в промышленности для изготовления под-шипников качения, способные надежно работать при давлении до 28,5 МПа и имеют износостойкость при 50 и 315°С соответственно в 7 и 1,5 раза больше, чем в случае ориентации графитовых волокон вдоль направления скольжения. Для работы в области криогенных температур применяют полиимиды, наполненные порошком бронзы.

Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях ограни-чивает их использование в вакуумной технике, а также хрупкость, отрицательно влияющая на формообразование деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую стоимость, поэтому их применяют только в ответственных деталях подвижных сопряжений, работаю-щих в экстремальных условиях.

Композиционные материалы на основе поликарбоната отно-сятся к перспективным ПСКМ для изготовления деталей узлов тре-ния благодаря высоким механической прочности и ударной вязко-сти; стабильности свойств и размеров в широком интервале темпе-ратур; стойкости к атмосферным воздействиям. Эти материалы ус-тойчивы к ультрафиолетовым лучам и резким перепадам темпера-тур, но имеют ограниченную стойкость к действию ионизирующего излучения.

113

Материалы на основе поликарбоната применяют для деталей уплотнений, клапанов и других элементов, работающих в вакууме, в инертной газовой и других средах при температуре -50°...+110°С. Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в поликарбонат вводят специальные наполнители и твердые смазки. Введение дисульфида молибдена, графита или 15…20% фторопла-ста снижают коэффициент трения в 2…3 раза.

К недостаткам поликарбоната следует отнести их склонность к образованию микротрещин в поверхностном слое под влиянием остаточных напряжений после механической обработки и вследст-вие инородных включений и микропор. Поэтому обязательной фи-нишной операцией должна быть термообработка для снятия внут-ренних напряжений.

Широкое применение в машино- и приборостроении находят антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе поли-арилатов для изготовления деталей подшипников скольжения и ка-чения, предназначенных для работы в глубоком вакууме без смазки. Полиарилаты марок Ф-1, Ф-2, Д-3, Д-4, РДВ-101 в чистом виде имеют коэффициент трения (0,35-0,40) и относительно невысокую износостойкость. В целях улучшения триботехнических характери-стик и повышения теплостойкости в полиарилат добавляют фосфор, дисульфид молибдена, медь, серебро.

Композиционный материал делан-524 на основе полиарилата ДВ-101 с добавкой 15% (массовая доля) дисульфида молибдена об-ладает самой высокой теплостойкостью среди полимерных материа-лов, перерабатываемых литьем под давлением. Чистый полиарилат марки ДВ имеет нестабильные триботехнические характеристики из-за адгезионной составляющей силы трения в результате наличия гидроксильных групп и макромолекул. Введение полиэтилена, для которого характерны слабые адгезионные связи, обеспечивает полу-чение материала с более высокими триботехническими характери-стиками. Известны также антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе полиарилата марки ДВ с наполнением поли-амидом марки ПА66.

Композиционные материалы на основе эпоксидных смол на-шли применение для деталей трибосопряжений, вследствие хорошей

114

адгезии эпоксидных полимеров к металлам и другим материалам, высокой механической прочности, малой усадки и водопоглощения. Наряду с традиционными наполнителями (графит, дисульфид мо-либдена, оксиды металлов, кокс, различные волокнистые материалы и т.д.) в эпоксидные смолы вводят фурановые олигомеры, полиэти-лен, кремнийорганические смолы, двуокись титана и другие специ-альные добавки, что значительно увеличивает твердость, жесткость, нагрузочную способность и износостойкость композиционных ма-териалов.

Наиболее широкое применение получили композиционные материалы марок АМС-1, АМС-3, АМС-5М, отличающиеся более высокой механической прочностью, износостойкостью, термостой-костью и низким коэффициентом трения. Из этих материалов изго-товляют лопатки воздушных ротационных насосов, поршневые кольца компрессоров, работающие без смазки; торцовые уплотне-ния; подшипники скольжения для узлов сухого трения, работающие в условиях нормальной влажности при повышенных температурах. Триботехнические характеристики материалов значительно изменя-ются при изменении условий эксплуатации. Повышение температу-ры от 50° до 250°С вызывает снижение коэффициента трения ком-позиционных материалов в 1,5…2 раза, при дальнейшем повышении температуры до 300°С коэффициент трения практически не изменя-ется или возрастает незначительно.

Фенолформальдегидные полимеры широко применяют при создании антифрикционных полимерных материалов ввиду их по-вышенной термической и химической стойкости, износостойкости. Из них изготавливают подшипники скольжения, уплотнения, на-правляющие, работающие при повышенных температурах. Для улучшения триботехнических свойств в ФФП вводят наполнители (графит, свинец, дисульфид молибдена, оксиды алюминия и меди, кремний, порошки алюминия, железа и меди, а также, углерод, ас-бест, базальтовые, стеклянные, углеродные и другие волокна), что позволяет получать самосмазывающиеся материалы с низкими ко-эффициентами трения и интенсивностью изнашивания. Известны самосмазывающиеся материалы на основе ФФП следующих марок: АТМ-1, АМТ-1Е, Вилан-9Б, Синтек-2, АМАН-24. Материал марки

115

АТМ-1 обладает высокими износостойкостью и теплопроводностью, но он хрупок, и поэтому его применяют в узлах трения, работающих в условиях отсутствия ударных нагрузок. Для устранения этого не-достатка используют волокнистые наполнители (углеродные и орга-нические волокна) или ткани, например в материалах марок Синтек.

Фрикционные материалы – конструкционные материалы трения, предназначенные или используемые для работы в узлах пе-редающих или рассеивающих кинетическую энергию (тормоза, фрикционные муфты, сцепления, демпферы и др.). Эффективность работы таких материалов в значительной степени определяется зна-чениями коэффициента трения и износостойкости. Величины значе-ний коэффициента трения и износостойкости определяются в каж-дом случае конкретными условиями работы.

В отличие от антифрикционных, фрикционные материалы должны обладать высоким и стабильным коэффициентом трения, достаточной износостойкостью, прочностью, устойчивостью к тем-пературным колебаниям, воздействию абразива и агрессивных сред. В частности, материалы тормозов и фрикционных муфт должны обеспечивать плавное срабатывание системы без автофрикционных колебаний, проявляющихся в форме скрипа при торможении, или пробуксовки и обеспечивать высокие показатели долговечности. При торможении вся кинетическая энергия транспортного средства в тормозах преобразуется в тепло, и поэтому в момент торможения температура трущихся поверхностей, например в тормозе самоле-тов, достигает 1200°С, а в объеме тормозной накладки до 600°С. В тормозах автомобилей эти температуры соответственно могут дос-тигать 400°С и 200°С.

Фрикционная теплостойкость – характеристика, определяю-щая изменение фрикционных свойств материала в зависимости от температуры, обычно выражаемая через изменение коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Методика испытаний мате-риалов на фрикционную теплостойкость позволяет осуществлять различные температурные режимы испытания за счет изменения скорости скольжения и удельной нагрузки.

Другая важная характеристика фрикционных материалов – фрикционная термоусталость – усталость материала, при которой

116

накопление необратимых изменений, приводящих к возникновению на поверхности трения трещин, происходит под воздействием мно-гократного (циклического) совместного теплового и силового на-гружений. При этом деформирование от тепловых нагрузок в ряде фрикционных узлов (муфты, тормоза) больше, чем от механических. Под влиянием обоих видов нагрузок происходит в дальнейшем раз-витие трещин. В связи с этим выбор фрикционных материалов дол-жен производиться с учетом тепловых условий работы узла трения. Во всем диапазоне рабочих температур материал не должен претер-певать фазовых превращений, вызывающих изменение его объема, т.к. это может привести к ускорению усталостного разрушения всей конструкции под влиянием остаточных напряжений.

Сталь редко используется в качестве фрикционного элемента в нагруженных узлах трения вследствие усадки и коробления дета-лей в процессе работы. Исключение составляет графитизированная сталь, структура и механические свойства которой сохраняются не-изменными при многократных и быстрых теплосменах. Обычно в этих условиях применяют легированные чугуны с мелкими равно-мерно распределенными включениями графита. Такие чугуны рабо-тают в паре либо со спеченным материалом, либо с пластмассой. Перспективными являются пары трения с обоими спеченными эле-ментами, при создании материала которых компоненты и матрица материала подбираются так, чтобы свести к минимуму формоизме-нение под влиянием фазовых превращений.

Для изготовления ряда деталей наиболее нагруженных фрикционных устройств (тормозов и муфт сцепления) применяются материалы, получаемые методом порошковой металлургии – спе-ченные фрикционные материалы.

Порошковая металлургия позволяет получать фрикционные материалы с заданными свойствами. Для автомобилей малой и средней грузоподъемности, для сельскохозяйственных и промыш-ленных тракторов малой и средней мощности обычно используются фрикционные материалы на полимерной основе.

Как правило, в состав материалов входят три компонента: теплостойкий армирующий материал с прочными волокнами, на-пример асбест (15…16%); теплостойкие с высоким и стабильным

117

коэффициентом трения порошкообразные наполнители неорганиче-ского происхождения (20…60%); полимерное связующее – нату-ральные и синтетические каучуки, синтетические смолы (15…30%) с вулканизационными агентами или отвердителями, ускорителями и активаторами вулканизации или отверждения.

Наиболее распространенным армирующим элементом явля-ется уникальный природный материал, добываемый открытым ме-тодом - асбест. Элементарные волокна асбеста имеют вид трубок с наружным диаметром около 32 нм и внутренним – 2,6 нм, т.е. в по-перечном направлении волокно имеет размеры, характерные для коллоидно- дисперсных материалов. Элементарные волокна упако-ваны в пряди диаметром от нескольких десятков до сотен микромет-ров. В прядях волокна удерживается силами межмолекулярного притяжения. Средняя длина волокна составляет 1…3 мм. По своей химической природе асбест является водным силикатом магния. Во-локна асбеста обладают высокой прочностью на растяжение (до 3000 МПа), превышающей прочность стали. Полости волокон час-тично или полностью заполнены водой, которая образует на внут-ренней поверхности практически мономолекулярный слой, поэтому она проявляет свойства иные, чем обычная влага, удаляется лишь при температуре выше 425°С. Вид кристаллической решетки этого материала достоверно не установлен. Асбест обладает высоким ко-эффициентом трения (до 0,8), который мало меняется в зависимости от температуры. То же можно сказать о прочности волокон, которая при нагревании до 400°С снижается всего на 20%. Лишь при 800°С наблюдается разрушение волокнистой структуры. Таким образом, асбест как будто специально создан природой, как основа для созда-ния фрикционных материалов. Однако, у асбеста имеется и сущест-венный недостаток. Он считается экологически опасным материа-лом. Тончайшие моноволокна, попадая в воздух в виде пыли, обра-зуют устойчивую взвесь, которая весьма медленно оседает. Попадая в легкие людей и животных, волокна поражают органы дыхания, вызывая заболевание «асбестоз».

Пораженные участки легких могут стать центрами образова-ния раковых клеток. Во многих странах уже запрещено использо-вать асбест в качестве уплотнителей в строительстве, электротехни-

118

ке и других отраслях. Такие же тенденции наблюдаются и в произ-водстве тормозных материалов, но найти эффективную замену асбе-сту пока не удалось. Имеются попытки заменить асбест волокнами из стекла, базальта, шлака, бора, углерода, но эти материалы и их модификации еще не дали такого же эффекта, как асбест. В частно-сти, нет такого материала, который так же, как асбест, очищал бы поверхность металлического контртела и при этом поглощал и свя-зывал продукты изнашивания, не говоря о других качествах. Поэто-му асбест пока сохраняет заслуженное лидерство среди компонентов фрикционных материалов.

Наполнителями асбестовых материалов служат железный сурик, баритовый концентрат, окислы хрома и других металлов. До-бавляются также порошкообразный кокс, графит, технический угле-род. Для повышения теплопроводности вводятся порошки и стружка из меди, латуни, цинка, алюминия, железа и т.д. Связующими явля-ются натуральные и искусственные каучуки и смолы, а также их комбинации. Используются бутадиеновые, бутадиенметилвинилпи-ридимовые, стирольные бутадиен-стирольные, и другие синтетиче-ские каучуки. В качестве смол применяются анилинфенолформаль-дегидные, кремнеорганические, фенол-формальдегидные, эпоксид-ные компаунды и др. Одновременно вводятся вулканизаторы и от-вердители.

Фрикционно-полимерные материалы на каучуковых свя-зующих обладают достаточно высокими фрикционно-износостойкими свойствами до 200…250°С. При более высоких температурах их износостойкость недостаточна, что является при-чиной низкого коэффициента трения.

Изделия на смоляной основе имеют большую теплостой-кость, но обладают нестабильным коэффициентом трения, хрупко-стью. Поэтому наилучший результат достигается при совместном использовании смол и каучуков. Неудачное сочетание связующих из-за нестабильности коэффициента трения приводит к возникнове-нию автофрикционных колебаний (скрип и визг тормозов).

Фрикционные муфты и тормоза являются весьма ответст-венными узлами, поскольку определяют безопасность эксплуатации транспортных средств, поэтому при их проектировании проводятся

119

аналитические расчеты и экспериментальные исследования. Опыт-ные образцы проходят лабораторные, стендовые и натурные испы-тания. Особо тщательно исследуются новые материалы для тормо-зов, подвергающиеся длительным ресурсным испытаниям по специ-альным методикам.

Контрольные вопросы 1. На какие группы делятся чугуны при производстве чугунных от-

ливок? 2. Какие виды сталей применяются в технике, на какие группы де-

лятся эти стали? 3. Перечислите основные антифрикционные сплавы цветных ме-

таллов, применяемые в трибологии. 4. Перечислите основные композиционные, полимерные материа-

лы с антифрикционными свойствами, применяемые в трибологии. 5. Перечислите основные фрикционные материалы, применяемые в

трибологии.

Раздел 6. Смазывание деталей машин

Применение смазочных материалов для уменьшения силы трения известно с глубокой древности. На смену применяемым ве-ками органическим, главным образом растительным, маслам в конце XIX века пришли минеральные (нефтяные) масла.

По мере развития науки и техники нефтяные масла совер-шенствовались; затем появились синтетические смазочные материа-лы, твердые и, наконец, самосмазывающиеся материалы.

В настоящее время в зависимости от физического состояния смазочного материала различают газовую, жидкостную и твердую смазку (рис.18).

По типу разделения поверхностей трения смазочным слоем различают следующие виды смазки:

1. Гидродинамическая (газодинамическая) смазка - жидкост-ная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

120

2. Гидростатическая (газостатическая) смазка - жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей тре-ния деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в зазор между поверхностями трения под внешним давлением.

Рис. 16. Виды смазки и смазочных материалов

3. Граничная смазка - смазка, при которой трение и износ

между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.

4. Полужидкостная смазка - смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка.

Присадкой называют вещество, добавляемое к смазочным материалам для повышения их эксплуатационных характеристик.

Содержание присадок в жидких маслах обычно не превыша-ет сотых или десятых долей % по массе (лишь некоторые присадки применяются в концентрациях до 1-2 % и более).

Присадки к нефтяным и синтетическим смазочным материа-лам по назначению разделяются на следующие группы:

- вязкостные, повышающие вязкость и улучшающие вязко-стно-температурные свойства;

- депрессорные, понижающие температуру застывания ма-сел;

- антиокислительные, предохраняющие масла от окисления кислородом воздуха;

121

- противокоррозионные, снижающие разрушение металла под действием агрессивной среды;

- противоизносные и противозадирные, улучшающие сма-зочные свойства масел;

- противопенные; моющие, препятствующие образованию на деталях механизмов твёрдых отложений;

- многофункциональные, повышающие сразу несколько экс-плуатационных характеристик масла.

В качестве присадок к маслам используются углеводородные и элементоорганические соединения разных типов и классов, в том числе низкомолекулярные поверхностно активные вещества и по-лимеры.

Жидкие смазочные материалы, широко используемые в со-временных машинах, условно делятся на три группы: моторные, ав-тотракторные трансмиссионные масла и масла для промышленного оборудования (индустриальные).

Моторные смазочные масла применяются для смазки порш-невых двигателей внутреннего сгорания. Эти смазочные материалы состоят из основы базового масла, а также присадок, улучшающих природные свойства базового масла или придающих ему необходи-мые новые свойства. Эксплуатационные свойства моторного масла определяются в основном составом и вязкостью базового масла, а также типом и концентрацией добавленных к нему присадок.

Автотракторные трансмиссионные масла предназначены для смазывания механических и гидромеханических передач подвижных наземных машин.

Типичный вид повреждения рабочих поверхностей зубьев шестерен и подшипников трансмиссий - усталостное выкрашивание, при наличии высоких контактных температур, и заедание. Эффек-тивные меры борьбы против заедания - добавление противозадир-ных присадок к маслам.

Назначение масел для промышленного оборудования (инду-стриальных масел) - способствовать снижению коэффициента тре-ния и интенсивности изнашивания в трущихся узлах станков, прес-сов, прокатных станов и другого промышленного оборудования. Одновременно индустриальные масла должны отводить тепло от

122

узлов трения, защищать детали от коррозии, очищать трущиеся по-верхности от загрязнения, не допускать образования пены при кон-такте с воздухом и т.д.

Индустриальные масла по вязкости условно делят на три подгруппы:

- маловязкие (легкие) вязкостью от 6 сСт при 20°С до 10 сСт при 50°С;

- средневязкие (средние) вязкостью от 10 до 58 сСт при 50°С; - вязкие (тяжелые) вязкостью от 58 сСт при 50°С до 95 сСт

при 100°С. Для сохранности поверхностей трения неэксплуатируемых

машин используют консервационные масла и присадки. Пластичные смазочные материалы представляют собой

коллоидную систему, состоящую из трех основных компонентов: жидкой основы, загустителя и добавок. Жидкая основа или диспер-сионная среда (70-90 %) - это масла нефтяного и синтетического происхождения или их смесь; загустители или дисперсная фаза (10-30%) - мыла, твердые углеводороды и некоторые другие продукты органического и неорганического происхождения; добавки - различ-ные присадки и наполнители, как правило, вводимые в комплексе. Многоцелевые ПСМ выгодно отличаются тем, что они применяются практически для всех видов узлов трения. Это позволяет иногда ис-пользовать один смазочный материал для всего механизма, что весьма важно при эксплуатации. По сравнению с многоцелевыми ПСМ общего назначения имеют меньший температурный диапазон применения, худшую механическую стабильность, но хорошие кон-сервационные свойства. Они применяются в подъемно-транспортных, дорожных машинах, станках, насосах, компрессорах. Морозостойкие ПСМ используют при низких температурах, когда смазки общего назначения и многоцелевые не обеспечивают нор-мальной работоспособности и особенно запуск механизма. Термо-стойкие ПСМ обеспечивают стабильную работу узлов трения при температурах, превышающих 120-150°С. Химически стойкие ПСМ предназначены для работы в агрессивных средах. Авиационные ПСМ обладают высокой работоспособностью и надежностью, со-гласно специфическим требованиям, предъявляемым к летательным

123

аппаратам. Работоспособность ПСМ в основном зависит от их ре-цептуры, физических, химических и механических свойств, струк-туры, эксплуатационных условий и конструктивных особенностей узлов трения. Для тяжелонагруженных узлов трения используют смазочные материалы, содержащие порошки мягких металлов. Они образуют металлическую пленку, способствующую наступлению режима избирательного переноса, и могут содержать соединения, растворимые в дисперсионной среде (металлоорганические, ком-плексные).

Основные достоинства пластичных смазочных материалов (ПСМ):

- способность удерживаться в негерметичных узлах трения; - работоспособность в широких температурных и скорост-

ных диапазонах; - хорошая смазывающая способность; - работоспособность в контакте с водой и другими агрессив-

ными средами; - большая экономичность применения. Недостатки пластичных смазочных материалов: - плохая охлаждающая способность; - склонность к окислению; - сложность подачи к узлу трения. Твердые смазочные материалы (ТСМ) – это материалы, ко-

торые обеспечивают смазку между двумя поверхностями в условиях сухого или граничного трения в экстремальных условиях. Они могут или входить в качестве наполнителя материала или покрытия в со-став одного или двух элементов пары трения или вноситься в виде порошка.

Твердые смазочные материалы относятся к антифрикцион-ным и обладают высокой степенью сцепления с основой, малым со-противлением сдвигу, возможностью эффективной работы в вакуу-ме. Они стойки к воздействию радиации и старению, имеют низкий коэффициент трения. Различают неорганические ТСМ, к которым относят слоистые материалы: графит, дихалькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды) металлов, нитрид бора и др.; неслоистые: ио-диды, хлориды, фториды металлов, их оксиды и мягкие металлы

124

(медь, олово, кобальт, цинк, свинец, серебро и др.), а также органи-ческие полиамиды и полиимиды, фторопласт, полиэтилены и др.

Металлы и оксиды. Металлы и оксиды используют в твердо-смазочных покрытиях в качестве основы или компонентов. Порош-ки мягких металлов и оксидов применяют в качестве добавок в ком-позиции антифрикционных материалов и смазках.

Твердосмазочные покрытия (ТСП). Антифрикционность ТСП определяется составом наполнителя и его количественным со-отношением со связующим. Связующее вещество (неорганическое полимерное), не являясь смазывающим агентом, существенно влия-ет на температурный диапазон эксплуатации, адгезионную способ-ность к металлам, толщину и равнопрочность слоя, коррозионное воздействие на металлы и др. Без связующего ТСП изнашиваются значительно быстрее. Основные требования, предъявляемые к ТСП, — низкое сопротивление срезу, высокая адгезия к твердой подлож-ке, долговечность, термостойкость, малая толщина, отсутствие кор-розионного воздействия на подложку.

Самосмазывающиеся материалы. Чтобы обеспечить малый коэффициент трения и малую интенсивность изнашивания согласно молекулярно-механической теории трения, необходимо создать по-ложительный градиент механических свойств, при котором проч-ность возникающих в зоне трения молекулярных связей должна быть меньше прочности нижележащих слоев трущихся деталей. Иными словами, прочность пленок, покрывающих поверхности раз-дела двух трущихся тел, должна быть ниже прочности основного материала этих тел.

Это достигается нанесением на поверхность трения жидких, консистентных или твердых смазочных материалов, так как проч-ность на сдвиг слоев смазочного материала значительно ниже, чем металлов пары трения. В паре трения такой градиент может быть достигнут нанесением пленки, применением самосмазывающегося монолитного материала, который в процессе трения также обеспе-чивает положительный градиент механической прочности за счет архивного наполнителя или выдавливания смазочного материала, либо смолы с твердым смазочным материалом. С ростом температу-ры в зоне трения все эти явления усиливаются.

125

К технологическим достоинствам самосмазывающихся по-лимерных материалов относятся:

- практически неограниченные запасы сырья; - меньшие капиталовложения в производство, чем для про-

изводства металла; - возможность изготовления деталей высокопроизводитель-

ными методами без снятия стружки (отходы в 5 раз меньше, чем у металла);

- низкая трудоемкость (в 5…10 раз меньше, чем у металла). Преимущества самосмазывающихся материалов при экс-

плуатации заключаются в следующем: - упрощение конструкции узлов трения, поскольку отпадает

необходимость в сложных системах смазывания; - снижение трудоемкости обслуживания (отпадает необхо-

димость в периодической профилактической смазке, замене или до-ливке смазочного материала);

- обеспечение надежной смазки в условиях хранения; - более широкий, чем у жидких смазочных материалов, диа-

пазон рабочих температур. К недостаткам самосмазывающихся полимерных материалов

относятся: - более высокий, чем при гидродинамической смазке, коэф-

фициент трения; он примерно равен коэффициенту трения при гра-ничной смазке;

- ухудшение отвода тепла из зоны трения из-за отсутствия циркуляции жидкого смазочного материала.

Основным направлением в разработке самосмазывающихся полимерных материалов является создание многокомпонентных систем. Подбор соотношения компонентов в этих системах опреде-ляется условиями работы (режимом трения, несущей способностью, средой эксплуатации), технологичностью получения материала и экономической целесообразностью его использования.

В условиях вакуума, в которых самосмазывающиеся поли-мерные материалы имеют большую скорость газовыделения, приме-няют металлокерамические материалы или материалы с рабочим слоем твердого смазочного материала.

126

Металлокерамические самосмазывающиеся материалы либо пропитывают жидким смазочным материалом, либо в их состав вво-дят твердые смазочные материалы. Последние можно также вносить на поверхность металлокерамических материалов.

Существует особый класс теплостойких самосмазывающих-ся материалов, предназначенных для работы в вакууме, на поверх-ности трения которых создается рабочий слой твердого смазочного материала.

Наиболее распространенные отечественные самосмазываю-щиеся материалы - АФ-Зам, АМАН-2, АМАН-4, Эстеран-33 в паре трения со сталью имеют коэффициент трения 0,1 и максимальную рабочую температуру до 300...350°С.

В прецизионных узлах трения оптико-механических прибо-ров, скользящих электрических контактах, а также в некоторых си-ловых узлах трения, работающих в широком диапазоне температур и высоких удельных нагрузок, применяют мягкие металлические покрытия, выполняющие роль смазочного материала. В качестве мягких металлических покрытий используют пленки олова, свинца, серебра (толщиной 1,5…100 мкм).

К недостаткам таких покрытий относятся: - невозможность восстановления пленки смазочного мате-

риала в процессе износа; - высокий коэффициент трения; - худший (по сравнению с жидкой смазкой) теплоотвод от

поверхности трения. Граничными смазочными слоями могут быть слои, образо-

ванные на поверхности трения в результате физической адсорбции, хемосорбции и химической реакции. Например, органические веще-ства, построенные из молекул цепной структуры, независимо от то-го, являются ли они жидкими или пластически вязкими при одной и той же температуре, в граничном состоянии на поверхности металла приобретают упругость формы и при определенной толщине пленки могут переходить в иное агрегатное состояние - квазитвердое. Наи-лучшая защита поверхностей при трении обеспечивается, если гра-ничный слой твердый.

127

Одним из наиболее важных факторов, оказывающих влияние на свойства материалов пары трения и определяющих их антифрик-ционность, является тепло, которое возникает при трении и вызыва-ет нагревание поверхностей и разделяющего их смазочного слоя. В ряде случаев в процессе работы машин рабочие детали узлов трения могут иметь высокую объемную температуру.

В связи с этим необходимо знать температурные пределы работоспособности граничных смазочных слоев, как для выбора смазочных материалов из существующих, так и для разработки но-вых. Температурная стойкость смазочных материалов при трении определяется путем испытаний их при точечном контакте закален-ных стальных образцов с постоянной контактной нагрузкой 2000 МПа, постоянной и малой скоростью скольжения 0,0002 м/с (во из-бежание повышенного тепловыделения, обусловленного трением) и объемном нагреве узла трения вместе с исследуемым смазочным материалом от внешнего источника тепла. Для указанных условий объемная температура образцов практически равна температуре в контакте трения.

При испытании температуру увеличивают ступенчато через 10…20°С, при этом опыт на каждой ступени продолжается 1 мину-ту. В процессе опыта измеряют коэффициент трения. После испыта-ния при данной температуре измеряют износ неподвижных образ-цов.

Критериями оценки температурной стойкости смазочных материалов являются:

1) критическая температура tкp, при которой происходит рез-кое увеличение коэффициента трения, сопровождаемое прерыви-стым движением и повышением износа образцов, характеризует разрушение смазочного слоя и возникновение сухого трения;

2) температура химической модификации tхм поверхностей трения, при которой в результате разложения химически активной присадки в масле и химической реакции между продуктами ее раз-ложения и металлом поверхности трения образуются слои, обла-дающие пониженной прочностью на сдвиг и выполняющие функ-цию смазочного материала, и происходит снижение коэффициента трения и прекращение скачкообразного его изменения.

128

При достижении критической температуры tкp происходит дезориентация молекул в граничном слое, их десорбция и в резуль-тате - потеря слоем способности разделять поверхности трения. При достижении температуры химической модификации на поверхности образуется слой типа твердой смазки, который снижает трение и стабилизирует его при больших температурах. Образование такого слоя связано с необратимыми процессами химических реакций, свойствами металлов и активных групп материала присадок. Крити-ческие температуры жидких смазочных материалов, применяемых в промышленности, лежат в пределах 120…210°С. Наиболее распро-страненные жидкие смазочные материалы (моторные, автотрактор-ные трансмиссионные и индустриальные масла) имеют критическую температуру 140…160°С.

Введение присадок позволяет повысить критическую темпе-ратуру и снизить температуру химической модификации. Для пла-стичных смазочных материалов критические температуры имеют более высокие значения, чем для жидких смазочных материалов, - до 300°С.

На характеристики температурной стойкости масел влияют материалы пары трения. Легирование углеродистой стали хромом и ванадием повышает критическую температуру граничных смазоч-ных слоев. Для медных сплавов легирование оловом повышает кри-тическую температуру, в то время как введение в сплав цинка резко снижает ее. Одно из возможных объяснений влияния Sn и Zn в спла-вах на основе меди на температурную стойкость граничных смазоч-ных слоев при трении по стали - различие в свойствах окисных пле-нок, образующихся на поверхности трения, их структуре, плотности, пластичности, разрушении при пластических деформациях, способ-ности к образованию граничных слоев прочными адсорбционными связями или взаимодействию масла с поверхностью сплава через окисный слой.

К антифрикционным материалам относят материалы для узлов трения, обладающие повышенной износостойкостью, низким коэффициентом трения, стойкостью к агрессивным средам и други-ми свойствами. Антифрикционные материалы в общем случае со-стоят из основы (матрицы), наполнителей и армирующих материа-

129

лов, позволяющих получить высокие прочностные характеристики. В качестве основы используют полимерные, углеграфитовые, ме-таллические, спеченные металлические, спеченные пористые, твер-досплавные, комбинированные и другие материалы; в качестве на-полнителей - антифрикционные добавки (слоистые порошковые ма-териалы: графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, диселениды, иодиды металлов и др.); полимеры, пластификаторы, смазочные и другие материалы, а также комплексные наполнители, содержащие жесткие и прочные наполнители - волокнистые (полимерные, ме-таллические, стеклянные, углеродные) и дисперсные (органические минеральные и металлические порошки). Антифрикционные мате-риалы могут быть комбинированными, когда на прочную основу (стальную ленту, массивный образец) наносится металлофторопла-стовая лента (металлопласты и тканевые антифрикционные мате-риалы), а также объемными и в виде тонкослойных покрытий.

Антифрикционные металлические материалы, к которым в первую очередь относятся сплавы на основе таких металлов, как медь, свинец, олово, алюминий, цинк, железо, традиционно исполь-зуют в узлах трения современных машин. Это, прежде всего, бабби-ты, бронзы, латуни и другие материалы, применяемые в основном в подшипниковых узлах.

Физико-механические и триботехнические характеристики указанных материалов широко представлены в специальной и спра-вочной литературе, поэтому в данной работе не освещаются.

Сплавы на медной основе. К таким сплавам относят бронзы и латуни. Бронзы используют в ответственных подшипниковых узлах с большим значением pv, причем лучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы (оловянные, оловянно-свинцовые и оло-вянно-цинково-свинцовые). Безоловянные бронзы, в том числе алю-миниевые, при достаточно хорошей антифрикционности обладают высокой прочностью. Этим обосновано их применение в тяжелона-груженных узлах трения станков, горных машин, в авиации и др.

Латуни используют в узлах трения реже, чем бронзы. Это прежде всего сплавы с добавками кремния, марганца, алюминия и железа. Добавки необходимы для обеспечения технологических и антифрикционных свойств, прочности и коррозионной устойчиво-

130

сти. Применяют латуни для изготовления втулок, подшипников скольжения и некоторых других деталей.

Сплавы на оловянной и свинцовой основе. К ним относят баб-биты, в состав которых, помимо олова и свинца, входят сурьма, медь, кадмий, никель, мышьяк и другие металлы. Баббиты исполь-зуют для заливки вкладышей подшипников скольжения. Они отли-чаются высокой антифрикционностью, прирабатываемостью, тепло-проводностью, но имеют низкую сопротивляемость усталости.

Сплавы на алюминиевой основе. Они обладают большей ус-талостной прочностью, чем баббиты, хорошей коррозионной стой-костью.

Антифрикционные свойства более высокие у сплавов с до-бавками никеля, олова, сурьмы, меди, чем у алюминиево-кремниевых и алюминиево-магниевых сплавов.

Алюминиево-оловянные сплавы. Они имеют повышенное со-держание олова, обладают повышенной задиростойкостью, что по-зволяет использовать их в тяжелонагруженных узлах трения.

Сплавы на цинковой основе. Такие сплавы получили широкое распространение на железнодорожном транспорте. Они отличаются технологичностью, хорошей прирабатываемостью.

Контрольные вопросы

1. Перечислите функции, которые должен выполнять смазочный материал.

2. Перечислите функции компонентов смазки. 3. Деление смазок по агрегатному состоянию. 4. Состав смазки по основным компонентам. 5. Что такое присадка? 6. Назовите критерии оценки температурной стойкости смазочных

материалов.

Раздел 7. Триботехнический анализ работы антифрикционных пар трения

Пара трения – совокупность двух подвижно сопрягающихся

поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испытаний. Пара трения характеризуется материалом, формой кон-

131

тактирующих поверхностей, характером их относительного пере-мещения, окружающей средой и видом смазочного материала. Пара трения образуется соприкасающимися поверхностями деталей, вхо-дящих в машинный узел.

Антифрикционными являются пары трения, условия работы которых, предполагают минимизацию энергетических потерь, воз-никающих при работе сопряжения.

В конструкциях машин наиболее часто используются сле-дующие антифрикционные пары трения: подшипник скольжения, подшипник качения, зубчатое зацепление, сопряжение поршень-цилиндр и сопряжение кулачок-толкатель.

Триботехнический анализ работы пары трения проводится по следующим основным пунктам: форма и шероховатость контак-тирующих поверхностей, характер их относительного перемещения, материал элементов, нагрузочно-скоростной режим, применяемый смазочный материал, условия подвода смазочного материала, тем-пературный режим, преобладающий режим трения, вид, механизм и интенсивность изнашивания.

В подшипниках скольжения опорная поверхность вала или оси скользит по рабочей поверхности подшипника. В простейшем виде подшипник скольжения представляет собой втулку (вкладыш), запрессованную в корпус механизма.

В зависимости от вида трения, реализуемого между трущи-мися поверхностями, различают:

- подшипники сухого трения, работающие на твердых сма-зочных материалах или без смазочного материала;

- подшипники граничного трения; - подшипники жидкостного трения. Вкладыши неразъемных подшипников сухого или гранично-

го трения выполняют в виде втулок. Длина подшипника скольжения L влияет на его работоспособность. При малой длине подшипника снижается несущая способность и увеличивается расход смазочного материала. С увеличением длины подшипника скольжения снижает-ся среднее давление, но повышается температура из-за местных сближений поверхностей и худшего охлаждения. Для подвода сма-зочного материала к поверхности скольжения во вкладышах выпол-

132

няются отверстия, сопряженные с осевыми и кольцевыми канавка-ми. Располагают их в ненагруженной зоне. Смазочный материал может подаваться принудительно под давлением Р — 0,06...0,5 МПа (циркуляционное смазывание) или самотеком (картерное смазыва-ние).

В серийном производстве вкладыши обычно выполняют би-металлическими. На стальную, чугунную или бронзовую основу на-плавляют тонкий антифрикционный слой. В мелкосерийном и еди-ничном производстве применяют более простые в изготовлении сплошные вкладыши (из антифрикционных чугунов, текстолита). Мягкие антифрикционные материалы (баббиты и мягкие бронзы) применяют только в виде покрытий.

Толщина вкладыша δ = (0,035...0,05)d + (1...3) мм. Материал вкладышей подшипников скольжения работающих

в паре со стальным валом должен иметь низкий коэффициент трения, повышенную износостойкость и высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок. Изнаши-ваться быстрее должен вкладыш, а не опорная поверхность вала, так как стоимость вала значительно выше стоимости вкладыша; дешев-ле заменить вкладыш. Поэтому шейки валов закаливают ТВЧ или азотируют до твердости свыше 50 HRC. Поверхности шеек валов шлифуют, а также применяют доводочные операции — полирова-ние, суперфиниширование и алмазное выглаживание; для обработки поверхности вкладышей — чистовое растачивание, шлифование, протягивание. Шероховатость поверхностей вала и вкладыша Ra = 0,63.. .1,25.

В качестве материалов вкладышей используются металличе-ские материалы: бронзы, латуни, баббиты, антифрикционные чугу-ны; металлокерамика, полученная спеканием порошка меди с добав-лением графита, олова, свинца; неметаллические материалы — пла-стмассы, древесные пластики и др.; для валов приборных малораз-мерных механизмов применяют опоры на камнях — рубин, корунд, агат.

Потери мощности на трение в подшипниках скольжения при угловой скорости ω определяются по формуле:

W= Тω,

133

где Т = Ffd/2 — момент трения на цапфе; f - коэффициент трения при сухом или граничном трении (f = 0,15...0,20 для стали по серому чугуну и пластмассам; f = 0,10...0,15 для стали по антифрик-ционному чугуну и бронзам; f = 0,05...0,10 для стали по баббиту).

Подшипники с жидкостным трением, при котором поверхно-сти цапфы и вкладыша разделены слоем смазочного материала, по принципу создания избыточного давления в нем делятся на гидро-статические и гидродинамические.

В гидростатическом подшипнике (рис. 17) избыточное дав-ление в поддерживающем слое смазочного материала создается принудительно насосом.

Рис. 17. Избыточное давление в гидростатическом подшипнике

в поддерживающем слое смазочного материала

Масло подается через дросселирующие отверстия в специ-альные продольные карманы, равномерно расположенные по ок-ружности вкладыша. Под действием радиальной силы вал смещает-ся на эксцентриситет е. В области уменьшающегося зазора растет гидравлическое сопротивление, расход смазочного материала уменьшается и увеличивается давление в нагруженном кармане. С противоположной стороны зазор между цапфой вала и вкладышем увеличивается, а давление падает. Разность давлений в нагруженном и разгруженном карманах создает силу, стремящуюся восстановить центральное положение вала.

Давление в карманах меньше, чем в дросселирующих отвер-стиях, вследствие разных гидравлических сопротивлений. Для на-дежности работы подшипника давление смазочного материала в

134

системе подачи рп должно быть в 1,52 раза выше, чем давление в карманах рк.

Достоинства: высокая несущая способность (до 107 Н); низ-кий коэффициент трения (f < 4 10-6); практически отсутствие износа материала; высокая демпфирующая способность опоры; уменьше-ние влияния погрешностей изготовления опорных поверхностей ва-лов и подшипников на точность вращения (до 5-10 раз).

Недостатки: сложная и дорогостоящая система уплотнений и подачи смазочного материала.

Применение: в опорах тяжелых тихоходных барабанов и ва-лов шаровых мельниц и вращающихся печей.

В гидродинамическом подшипнике жидкостное трение осу-ществляется в результате давления, возникающего в слое смазочно-го материала при относительном движении поверхностей вала и подшипника. Работает этот подшипник в условиях жидкостного трения при определенных окружных скоростях. В статическом по-ложении вал опирается на подшипник. При малых угловых скоро-стях он работает при сухом или граничном трении. С увеличением частоты вращения под действием внешней нагрузки вал занимает в подшипнике эксцентричное положение и между цапфой и подшип-ником образуется клиновой зазор. Смазочный материал подается в зону низкого давления и затягивается в клиновой зазор. При некото-рой угловой скорости ω= ωкр создается гидродинамическая подъем-ная сила, удерживающая вал на масляном клине и вал отходит от подшипника («всплывает»). Распределение давлений р в клиновом зазоре показано на рис. 18, где е — эксцентриситет.

Жидкостное трение в подшипнике обеспечивается при вели-чине зазора hmin>Rz1+Rz2, где Rz1+Rz2 — высоты микронеровностей поверхностей вала и подшипника.

Гидродинамический расчет подшипника проводится как проверочный по размерам подшипника d, D, L и температурно-вязкостным характеристикам смазочного материала. Наличие жид-костного трения проверяют в форме условия, что несущая способ-ность подшипника больше действующей нагрузки Fr или что сма-зочный слой имеет достаточную толщину.

135

В последние годы все чаще в качестве опор для опорных валков станов холодной и горячей прокатки применяют подшипни-ки скольжения с гидродинамической и жидкостной смазкой. Это так называемые подшипники жидкостного трения (ПЖТ). В этих под-шипниках обеспечивается жидкостное трение в период установив-шегося режима, но не при пусках и остановках, когда в них возмож-но полужидкостное трение. ПЖТ требуют большой точности изго-товления и постоянства давления смазочного слоя. Такой подшип-ник состоит из трех частей: втулки-вкладыша, сменной втулки-цапфы и шейки прокатного валка.

Рис. 18. Распределение давлений в клиновом зазоре гидродинамического подшип-

ника

Определение несущей способности смазочного слоя. При выборе сорта смазочного масла для вновь проектируемого подшип-ника обычно пользуются опытом эксплуатации машин с аналогич-ными конструкциями опор. Вязкость масла должна быть тем выше, чем больше давление и чем меньше скорость скольжения. Для пред-варительного выбора оптимального значения динамической вязко-сти μ может быть использована величина [S0]. Это так называемый безразмерный критерий Зоммерфельда.

Поскольку для обеспечения жидкостного трения должно быть выполнено условие рψ2/μω≤[S0], то выбираемое для подшипни-ка смазочное масло должно иметь динамическую вязкость μ≥pψ2/[S0]. Это условие дает значение нижнего предела μ и не огра-ничивает верхнего предела, однако это не означает, что любое масло

136

с большей вязкостью будет одинаково приемлемо для рассчитывае-мого подшипника. Следует помнить, что с увеличением вязкости масла возрастают потери на трение в опоре, обусловленные силами сопротивления вязкого масла сдвигу.

Выбор сорта смазочного масла часто связан с системой сма-зывания подшипника, т. е. со способом (методом) подвода ее к под-шипнику. Так, в установках с принудительно циркуляционной сис-темой смазывания в подшипники подается то же смазочное масло, что и к остальным узлам трения, например: в турбинах и турбогене-раторах, соединенных редуктором, в приводах к прокатным станам и пр. В этом случае приходится выбирать тот сорт смазочного мас-ла, который пригоден для смазывания не только подшипников, но и зубчатых передач. Если такое ограничение отсутствует, то смазоч-ное масло для подшипников следует выбирать исходя из условия оптимального режима, т. е. для работы с минимальным коэффици-ентом трения и с достаточной в то же время толщиной смазочного слоя Ориентиром в этом отношении служит условие μ≥pψ2/[S0].

При выборе метода смазывания руководствуются следую-щим. В соответствии с ГОСТ 27674-88 различают следующие мето-ды смазывания:

1) непрерывное; 2) периодическое; 3) циркуляционное смазывание, при котором смазочный ма-

териал после прохождения по поверхностям трения вновь подводит-ся к ним механическим способом;

4) одноразовое проточное - смазывание, при котором сма-зочный материал периодически или непрерывно подводится к по-верхности трения и не возвращается в систему смазки;

5) ресурсное - одноразовое смазывание на ресурс узла перед началом работы;

6) смазывание под давлением - смазочный материал подво-дится к поверхности трения под давлением;

7) смазывание погружением - поверхность трения полностью или частично, постоянно или периодически погружена в ванну с жидким смазочным материалом;

137

8) смазывание кольцом - смазочный материал подводится к поверхностям трения кольцом, увлекаемым во вращение валом (кольцо может быть закреплено прямо на валу);

9) капельное - к поверхности трения подводится жидкий смазочный материал в виде капель;

10) масляным туманом - смазочный материал подводится к поверхности трения в виде легкого и густого тумана, обычно обра-зуемого путем введения смазочного материала в струю воздуха или газа;

11) набивкой - жидкий смазочный материал подводится на существенном участке поверхности с помощью соприкасающегося с ней смачиваемого материала, обладающего капиллярными свойст-вами;

12) фитильное - жидкий смазочный материал подводится к поверхности трения с помощью фитиля;

13) ротапринтное - на поверхность детали наносится твердый смазочный материал, отделяющийся от специального смазывающего твердого тела, прижимаемого к поверхности трения;

14) твердым покрытием - на поверхности трения до работы детали наносится смазочный материал в виде твердого покрытия.

Подшипник качения является стандартным узлом трения, применяемым во многих агрегатах. Потери энергии при качении де-талей обычно гораздо меньше потерь при их скольжении друг по другу (коэффициент трения качения находится в пределах 0,0001-0,001).

Основным видом изнашивания подшипников качения, как правило, является контактное разрушение – образование на рабочих поверхностях выкрашивания (питтинга) в виде отдельных выемок.

Выкрашивание материала возникает в результате накопления в нём усталостных повреждений под воздействием повторных мик-ропластических сдвигов в наиболее невыгодно ориентированных и поэтому перенапряжённых зонах материала, а также вследствие концентрации напряжений у поверхностных неровностей и внут-ренних пороков материала.

На интенсивность и направление развития трещин влияют касательные силы на контакте. Большое значение имеет величина

138

коэффициента трения данной пары металлов, шероховатость их по-верхностей, твёрдость, а также вид смазки и тип смазочного мате-риала.

Широкое применение подшипников качения позволило за-менить трение скольжения трением качения. Смазочный материал оказывает существенное влияние на долговечность подшипников. Он уменьшает трение, снижает контактные напряжения, защищает от коррозии, способствует охлаждению подшипника. Для смазыва-ния подшипников качения применяют жидкие (смазочные масла) и пластичные (пластичные смазки) смазочные материалы. Жидкий смазочный материал в подшипнике более эффективен в смысле уменьшения потерь на трение и охлаждения. Следует отметить, что излишнее количество смазочного материала в подшипнике только ухудшает его работу. Это, например, можно пронаблюдать на таком простом примере: если подшипник смазать маслом, то последнее будет препятствовать свободному вращению тел качения в сепара-торе и в целом в подшипнике. При этом увеличиваются не только потери на трение, но при работе такого подшипника увеличивается и нагрев подшипника.

При выборе смазочного материала для подшипника (жидко-го или пластичного) следует учитывать, что пластичная смазка сильно повышает момент трения, который существенно увеличива-ется при понижении температуры. В случаях, когда частота враще-ния подшипника не превышает сотен мин-1, подшипник необходимо смазывать жидким смазочным материалом (маслом). При скорости, превышающей эту величину, лучше использовать для смазывания высоковязкое масло или, как заменитель, пластичный смазочный материал.

Допускаемые скорости подшипников качения при использо-вании пластичной смазки определяют из соотношения внутреннего диаметра d, мм и частоты вращения ω, мин-1. Практически же ок-ружная скорость вращения не должна превышать 4-5 м/с. Подшип-никовые узлы необходимо тщательно защищать от попадания пыли, грязи и воды. В противном случае долговечность подшипников рез-ко снижается. Для защиты подшипников разработаны и успешно эксплуатируются специальные уплотнения. При назначении жидко-

139

го смазочного материала для узлов трения (подшипников качения) следует иметь в виду, что они весьма чувствительны к количеству подаваемого в них масла и периодичности его подачи в подшипни-ки. Так, для очень низких скоростей при dω= 10000 и температуре не выше 50°С достаточно одной-двух капель масла для нескольких ты-сяч часов работы подшипника.

Если же требуется достичь минимального значения момента трения (при том же произведении dω = 10000), следует использовать масло с меньшей вязкостью, чем это было до этого

Масла для подшипников качения (и скольжения тоже), за-ключенных в общий картер с зубчатыми передачами (редукторы), подбираются в первую очередь исходя из требований по смазыва-нию зубчатых передач, однако и с учетом эффективности смазыва-ния подшипников.

Смазывание погружением можно успешно применять до значения dω = 100000 (при условии соблюдения необходимого низ-кого уровня масла в ванне с жидким смазочным материалом) При применении смазывания погружением важно поддерживать в про-цессе эксплуатации правильный уровень масла в ванне подшипника. Этот уровень должен находиться между 1/3 и 1/2 высоты нижнего шарика или ролика подшипника, поскольку даже небольшое повы-шение уровня масла в ванне приводит к повышению коэффициента трения и температуры подшипника. Об этом свидетельствует сле-дующее экспериментальное исследование. Повышение уровня масла в ванне подшипника от центра нижнего шарика до его верхней точ-ки вызывает сильный нагрев подшипника (эквивалентный повыше-нию частоты вращения подшипника в 2,0-2,5 раза или увеличению радиальной нагрузки от 2 до 6 раз, а иногда и более. При dω ≤ 200000 рекомендуется капельное смазывание, при котором к по-верхностям трения жидкий смазочный материал подводится в виде капель.

При dω ≈ 600000 и когда температура может достигать 150°С многие пластичные смазки оказываются недостаточно работоспо-собными, а иные могут оставаться годными к работе не более не-скольких сотен часов. В связи с этим при высоких скоростях необ-ходимо в зону трения подавать только чистое смазочное масло, пи-

140

тая подшипники методом капельного смазывания или смазывания под давлением, при котором смазочный материал подводится к по-верхностям трения под давлением.

При необходимости может быть использовано смазывание масляным туманом, при котором смазочный материал подводится к поверхностям трения в виде легкого или густого тумана, обычно образуемого путем введения смазочного материала в струю воздуха или газа. Кроме того, следует предупреждать возникновения разно-сти воздушного давления (в корпусе подшипника и за его предела-ми), для чего могут потребоваться специальные уплотнения. Следу-ет применять только определенные уплотнения, которые обеспечи-вают надежную работу подшипников, в частности лабиринтные уп-лотнения. Необходимо также использовать корпуса подшипников с минимальным воздушным пространством.

Капельное смазывание является наилучшим методом смазы-вания для подшипниковых опор металлургического оборудования. Оно обеспечивает довольно устойчивое охлаждение и исключает турбулентное сопротивление подшипника, как весьма ответственно-го узла оборудования отрасли. Однако если по каким-либо причи-нам (например, по условиям конструкции) нельзя применить ка-пельное смазывание или смазывание под давлением или смазывание масляным туманом, используют фитильное смазывание, при кото-ром жидкий смазочный материал подводится к поверхности прения с помощью фитиля. При этом масло всасывается через подшипник при помощи маслоотражателей и насосных устройств с целью пре-одоления сопротивления вращению подшипника.

Часто используют метод фитильного смазывания. При этом фитили должны иметь определенные размеры, особенно в попереч-ном сечении. Они всегда должны быть погруженными в масло. Их следует использовать парами и располагать как можно ближе к подшипнику. Если большая площадь фитилей хорошо окружает вал, то они способны вновь поглощать масло, которое при работе отбра-сывается от вала.

Вязкость смазочного масла должна быть такой, чтобы его можно было подавать к фитилям при низких температурах при дав-лении ниже атмосферного и пониженных скоростях. При этом мас-

141

лоотражатели должны пропускать через подшипник масляный ту-ман, а маслосборники должны тщательно охлаждаться.

При больших нагрузках и высоких скоростях (dω > 600000) рекомендуют осуществлять капельное смазывание подшипников. Если же имеется источник сухого и чистого воздуха, а некоторая потеря смазочного масла не имеет существенного значения, тогда нужно использовать смазывание подшипников масляным туманом. При этом в линии подачи воздуха в таких системах устанавливают воздухоотделитель и фильтр, для чего необходимо тщательно охла-ждать маслосборник, чтобы маслоотражатели легко.

Подшипники смазывают минеральными маслами, а также пластичными и сухими смазочными материалами.

Минеральные масла стабильнее пластичных смазок, приме-няются для смазывания подшипников, работающих с высокими час-тотами вращения, могут длительное время работать при высоких температурах не теряя смазывающих свойств. Пластичные смазоч-ные материалы содержат жидкие масла и твёрдые загустители, они менее склонны к вытеканию (благодаря чему упрощается уплотне-ние) и не требуют замены в течение длительного срока эксплуата-ции.

Характеризуются повышенным внутренним трением в срав-нении с жидкими смазками и большей склонностью к температур-ным изменениям (чрезмерное разжижение или загустение).

Твёрдые смазки используются в условиях воздействия высо-кого вакуума, интенсивного ионизирующего излучения, высоких и сверхнизких температур, газовых и агрессивных сред. Основными твёрдосмазочными материалами являются дисульфид молибдена, фторопласт, графит, применяются композиции на их основе.

Используются также мягкие металлы: окись свинца, никель, кобальт, индий, золото, серебро, наносимые тонким слоем на смазы-ваемый материал. При использовании твёрдосмазочных материалов перед установкой подшипников необходима их обкатка с после-дующим удалением продуктов износа.

Закладываемые в проектных расчётах зубчатых передач стойкость к абразивному изнашиванию, усталостная прочность, стойкость к задиру и заеданию могут быть реализованы только при

142

правильной их эксплуатации. Одним из условий является образова-ние в контакте зубьев наиболее благоприятного характера трения. В большинстве передач путём соответствующего подбора вязкости масла можно получить условия жидкостного трения. Можно утвер-ждать, что коэффициент толщины плёнки = 1,5-2,0 обеспечивает нормальную работу передачи.

Работа зубчатых передач характеризуется сложностью про-текающих явлений, определяемых непрерывным изменением усло-вий контактного взаимодействия вдоль линии зацепления, а также изменением доли скольжения между зубьями. С увеличением доли скольжения режим работы зубчатой передачи ужесточается. Осо-бенно это характерно для гипоидных и червячных передач. В таких передачах условия для образования объёмного смазочного слоя осо-бенно неблагоприятны, кроме того, граничные смазочные слои под-вергаются интенсивному истиранию. В этой связи к смазочному ма-териалу для таких передач предъявляются специфичные требования, предполагающие их повышенную смазывающую способность.

При работе цилиндрических зубчатых передач возможны различные повреждения зубьев колес: механическое и молекулярно-механическое изнашивание, а также поломка зубьев:

1) Механическое изнашивание включает: - выкрашивание рабочих поверхностей (рис. 19а). Это наи-

более частая причина выхода из стоя зубчатых передач, работающих со смазкой. Разрушения носят усталостный характер.

Трещины развиваются до выкрашивания в основном на нож-ке зубьев в местах неровностей, оставшихся после окончательной обработки. В процессе работы от нагружения зуба число ямок рас-тет, и их размеры увеличиваются. Профиль зуба искажается, по-верхность становится неровной, возрастают динамические нагрузки.

Процесс выкрашивания усиливается и рабочая поверхность на ножке зуба разрушается. Опасно прогрессивное выкрашивание - трещины от ямок могут распространяться и поражать всю поверх-ность ножек. Если смазочный материал отсутствует или его количе-ство незначительно, выкрашивание наблюдается редко, так как об-разовавшиеся повреждения сглаживаются.

143

Рис.19. Виды разрушений зуба:

а - выкрашивание рабочих поверхностей; б - износ зубьев; в - молекулярно-механическое изнашивание (заедание)

Сопротивление выкрашиванию увеличивается с увеличением

твердости поверхности зубьев, чистоты обработки и правильным подбором смазочного материала;

- износ зубьев (рис. 19б) - изнашивание рабочих поверхно-стей зубьев, которое возрастает с увеличением контактных напря-жений и удельного скольжения. Износ искажает эвольвентный про-филь, возрастают динамические нагрузки. Так как наибольшее скольжение происходит в начальных и конечных точках контакта зубьев, то наибольший износ наблюдается на ножках и головках зубьев. Износ сильно увеличивается из-за неровностей на рабочих поверхностях зуба, после обработки, а так же при загрязнении зуб-чатой передачи абразивными частицами (абразивный износ). Он на-блюдается при работе у открытых механизмов. Если неровности меньше толщины масляной пленки, износ уменьшается, а при не-достаточной смазке увеличивается. Его можно понизить уменьше-нием контактных напряжений он, увеличением износостойкости по-верхности зубьев (повысить твердость рабочих поверхностей зубьев, правильно выбрать смазочный материал).

2) Молекулярно-механическое изнашивание проявляется как заедание (рис. 19в) при действии высоких давлений в зоне, где нет масляной пленки. Сопряженные поверхности зубьев сцепляются друг с другом настолько сильно, что частицы поверхности более мягкого зуба привариваются к поверхности зуба другого колеса. Образовавшиеся наросты на зубьях наносят на рабочие поверхности

144

других зубьев борозды. Заедание особенно интенсивно в вакууме или когда рабочие поверхности зуба подвергаются высокому давле-нию. Заедание предупреждают повышением твердости и снижением шероховатости поверхностей, правильным подбором противозадир-ных масел.

В цилиндрических передачах для осуществления жидкостной смазки зубчатых зацеплений используют методы смазывания: по-гружением и циркуляционное. Смазывание погружением - это сма-зывание, при котором поверхность трения полностью или частично, постоянно или периодически погружена в ванну с жидким смазоч-ным материалом. Циркуляционное смазывание - смазывание, при котором смазочный материал после прохождения по поверхностям трения вновь подводится к ним механическим способом. Первый способ получил наибольшее распространение для всех видов пере-дач. Ограничениями для применения смазывания погружением яв-ляются: центробежный эффект, вызываемый разбрызгиванием мас-ла, который настолько велик, что смазочное масло в недостаточном количестве попадает на зацепление; сильное перемешивание масла при высоких скоростях в зацеплении, что вызывает дополнительный нагрев смазочного материала и преждевременный выход его из строя. В связи с этим применение смазывания погружением зависит от окружных скоростей в зубчатой передаче и размеров самих колес. В частности, при диаметре зубчатого колеса менее 2 м можно до-пустить смазывание погружением при скорости до 12 м/с, а при диаметре более 2 м - при окружной скорости до 10 м/с, При этом глубина погружения колеса в масло не должна превышать трех вы-сот зуба или быть не менее одной его высоты.

При смазывании погружением горизонтально расположен-ных зубчатых колес последние должны быть погружены в масло не более чем на 0,5 ширины зуба.

Циркуляционное смазывание зубчатых и червячных редук-торов применяют при окружных скоростях свыше 10-12 м/с в мно-гоступенчатых редукторах при скоростях менее 10 м/с, т.е. когда зубчатое колесо последней пары намного больше по диаметру ос-тальных передач и для обеспечения смазывания погружением требу-

145

ется поддерживать высокий уровень масла, что по условиям, изло-женным выше, недопустимо.

При работе тяжелонагруженных зубчатых передач выделяет-ся большое количество теплоты. В связи с этим при применении смазывания погружением или циркуляционного смазывания для зубчатых и червячных колес количество масла, подводи мое к заце-плению в единицу времени, следует рассчитать. Так, количество масла, подаваемое в зацепление, определяют по формуле:

Qм.зац=Q тр. зап./cρΔtмηм, где Qм.зац - количество масла, которое надо подвести к зацеплению, чтобы отвести теплоту, выделенную при трении; Qтр.зац. - количество теплоты, выделяемой при трении в зацеплении, Вт; с - удельная теп-лоемкость масла, равная 1,675-2,093 кДж/(кг·град); ρ - плотность масла, равная 0,90-0,95; Δtм - допускаемое повышение температуры масла, равное 5-8°С; ηм - коэффициент использования масла, состав-ляющий 0,5-0,8 (меньшие значения берут при подводе масла снизу вверх).

Для ориентировочного определения количества циркуляци-онного масла на практике пользуются следующими эмпирическими данными: на потерянную мощность (0,736 кВт) требуется от 4 до 5 л/мин масла. В США для этой цели пользуются следующими дан-ными: количество масла Qм.зац = 4,456 (0,006·Nподв+3) л/мин; на 100 мм длины зуба требуется ~ 6 л/мин масла.

При расчете количества масла для конических передач с прямым и косым зубьями пользуются теми же формулами, что и для цилиндрических передач, в которых, числа зубьев заменяют приве-денными числами зубьев конической шестерни и колеса.

Для правильного смазывания зубчатых передач очень важно выбрать масло такого сорта, чтобы оно при рабочей температуре ванны с жидким смазочным материалом хорошо прилипало бы к зубьям. Короче говоря, правильно выбранное масло хорошо удер-живается на поверхности зубьев, образуя вокруг зубчатой передачи масляную оболочку. В то же время следует напомнить, что высоко-вязкие смазочные масла при низких температурах теряют текучесть, в результате чего окунающиеся колеса перестают захватывать их зубьями. Масловязкие масла же с повышением температуры разжи-

146

жаются настолько, что при погружении колеса в ванну с жидким смазочным материалом разбрызгиваются в стороны и очень слабо задерживаются на зубьях. Естественно, что как одни, так и другие масла не мот обеспечить качественного смазывания зубчатых пере-дач. При перекатывании зубьев одного по другому их контактные площадки изменяются по величине и работают в условиях гранич-ной или в лучшем случае полужидкостной смазки.

При правильно выбранном режиме смазывания для всех ти-пов зубчатых колес можно достичь такой их работы, при которой устраняются все причины для разрыва или повреждении смазочной пленки в местах контакта зубьев даже при предельно большой на-грузке на зубчатую передачу.

Влияние различных смазочных масел на повышение допус-тимой нагрузки и предохранения зубьев от изнашивания зависит главным образом от их вязкости: чем выше вязкость, тем благопри-ятнее его влияние на уменьшение изнашивании. Одним и тем же смазочным материалом не рекомендуется смазывать зубчатые пере-дачи редуктора и его подшипники. Эксплуатировать передачи при использовании масла П-28 и авиационных масел также не рекомен-дуется, поскольку малейшие удары или вибрация могут интенсивное их заедание. Повышение вязкости масла путем уменьшения темпе-ратуры в зоне контакта при одном и том же сорте масла всегда при-водит к предупреждению и снижению появления питтингования зу-ба.

На выкрашивание металла большое влияние оказывают сма-зочные свойства масла (или маслянистость). При одинаковой вязко-сти двух масел лучшим является то, которое обладает большей мас-лянистостью. Приведем конкретный пример. Масло марки П-28 и цилиндровое 24, обладая почти одинаковой вязкостью, по-разному влияют на работу тяжелонагруженных передач. В частности, на ме-таллургических предприятиях в шестеренных клетях предпочитают применять менее вязкое масло (цилиндровое 24), но обладающее большей маслянистостью, чем масло П-28. Явление начинающегося питтинга наблюдали на зубьях шестерен шестеренной клети средне-листового стана 2300, которые смазывали маслом П-28. В частности,

147

питтинг прекратился после замены масла П-28 цилиндровым маслом 24, которое по маслянистости превосходит масло П-28.

Мощность, которую в состоянии безопасно (с точки зрения излома) передать одна и та же зубчатая передача, может колебаться в зависимости от качества смазочного материала, существенно из-меняясь (почти в два раза). Большое влияние на работу зубчатых передач оказывает добавление присадок к смазочным маслам. При-менение, например, противозадирных присадок позволяет повысить предельную допустимую нагрузку на передачу в несколько раз. Ус-тановлено, что если обкатку колес осуществляют на маслах с при-садками, а затем эти масла заменяют базовыми маслами, то нагруз-ка, при которой возможно заедание, увеличивается на 25-30% по сравнению с нагрузкой при применении масла без противоизносной и противозадирной присадок. В отдельных случаях наличие проти-возадирной присадки в масле позволяет увеличить нагрузку заеда-ния до 200-240%. В качестве легирующих присадок могут служить следующие соединения: дисульфид молибдена, титана, урана, цир-кония, оксид свинца, диселент вольфрама, пластмассовые покрытия и др. Хорошими смазочными свойствами обладает графит.

Эффективность влияния присадок на изменение нагрузки за-едания во многом зависит от материала зубчатых колес. При прочих равных условиях сопротивляемость заеданию возрастает с увеличе-нием содержания в стали хрома и молибдена и снижается при по-вышении содержания никеля.

Материал, имеющий после закалки грубую мартенситную структуру, оказывает большую сопротивляемость заеданию при ис-пользовании масла средней вязкости, а передачи, изготовленные из более мелкозернистого материала большей твердости, требуют при-менения масел малой вязкости с добавлением противоизносных и прогивозадирных присадок. Азотирование повышает сопротивляе-мость, но увеличивает возможность отслаивания. После цианирова-ния наблюдают заедание трущихся поверхностей. Сопротивление заеданию увеличивается вдвое, если зубья покрыты фосфатами же-леза и марганца, а также серебром, оловом или бронзой.

Наилучшими противозадирными свойствами обладают наф-теновые масла, несколько худшими - парафиновые, а светлые масла

148

высокой очистки (при соответствующей вязкости) воспринимают еще меньшую нагрузку заедания. Хорошими противозадирными свойствами в маслах обладает сера.

Так, более высокую вязкость масел принимают в следующих случаях: при изготовлении обеих зацепляющихся шестерен из стали одной марки или хотя бы одной из шестерен из никелевой или хро-моникелевой стали со сквозной закалкой; при работе зубчатой пере-дачи с ударными нагрузками; при температуре окружающей среды более 25°С. Меньшую вязкость принимают: при высокой разности обработки шестерен; при температуре окружающей среды ниже 10°С; при фосфатированных или сульфидированных шестернях (по-ка покрытие не износилось); при смазывании шестерен под давлени-ем (если параметр Х > 100).

Чисто граничная смазка на значительных участках контакт-ных поверхностей зубьев может возникать главным образом в гипо-идных и цилиндрических винтовых передачах. Эти передачи обла-дают особой склонностью к задирам. Поэтому их следует смазывать маслами, содержащими противозадирные присадки. К таким маслам для гипоидных передач относится масло, изготовляемое по ТУ 38 101270—78. Оно вырабатывается на основе базового масла марки ТС-14,5 с добавлением к нему присадок; 2,2% противозадирной; не более 0,35% моющей присадки MACK и 0,007% антипенной ПМС-200А.

Для гипоидных передач используется масло ТС (ОСТ 38 01260-82).

Для смазывания открытых зубчатых передач рекомендуют применять пластичный смазочный материал (графитную смазку) УСсА (ГОСТ 3333-80); применяют также для этой цели полугудрон и шестеренную мазь (80% полугудрона + 20% нефтебитума IV). Пе-ред приготовлением этой мази битум разогревают до жидкого со-стояния.

Уплотнение - это устройство, предназначенное для предот-вращения утечки смазки или рабочей среды через разъемное соеди-нение или между деталями, движущимися друг относительно друга. Уплотнения защищают детали машин от загрязнений, включая твер-дые абразивные частицы (например, пыль» грязь). Эксплуатацион-

149

ные характеристики уплотнений значительно влияют на качество работы машин и механизмов в целом (мощность, производитель-ность, к.п.д.). Износостойкость и долговечность трущихся деталей (элементы трансмиссий, подшипники, направляющие и т.п.) в боль-шой степени определяются работой уплотнений. Уплотнения долж-ны надежно и эффективно работать в различных условиях, включая высокие давления и температуры, присутствие химически вредных веществ, высокую скорость скольжения уплотняемых деталей, виб-рации и т.д. Это обстоятельство объясняет разнообразие конструк-ций уплотнений.

Уплотнения разделяются по типам движения на два основ-ных класса: статические и динамические. К статическим уплотнени-ям относятся прокладки, сальники, кольцевые уплотнения и герме-тики.

Прокладки обычно изготавливают из деформируемого мате-риала. Выбор материала базируется на условиях работы, таких как температурный диапазон, химическая совместимость и разность давлений.

Наиболее широко применяемым материалом является рези-на, однако не исключается использование и других материалов, от пробки до меди. Формы прокладок разнообразны. Они включают плоские металлические, твердые эластомерные прокладки и резино-вые кольца. В качестве примера применения прокладок можно при-вести соединения головки и блока цилиндров двигателей внутренне-го сгорания и верхнего и нижнего корпусов паровой турбины. Саль-ники особо выделяются среди статических уплотнений благодаря их доступности, дешевизне и простоте конструирования и применения. Их можно применять для работы при высоких давлениях.

Герметики широко используются для уплотнения резьбовых соединений, фланцевых разъемов, корпусов и других конструкций, не предназначенных для разборки.

Уплотнение движущихся частей машин (например, вра-щающихся валов, поршней и плунжеров, совершающих возвратно-поступательное движение) является гораздо более сложной задачей. Иногда уплотнения для подвижных соединений классифицируют по типам реализуемого в них движения - вращательное, возвратно-

150

поступательное движение или их сочетание. Существует два типа таких уплотнений: бесконтактные и контактные уплотнения.

Бесконтактные уплотнения оставляют зазор между уплот-няемыми поверхностями, а герметизация осуществляется жидким, газообразным или композиционным уплотнителем, заполняющим зазор.

Простым вариантом такого уплотнения является щелевое уп-лотнение в котором между уплотняемыми поверхностями поддер-живается зазор. Этот зазор заполнен пластичной или графитовой смазкой. Щелевое уплотнение применяют при скоростях v = 5 м/с. Степень герметизации уплотнения зависит от величины зазора и длины щели. Зазор определяется прогибом вала в месте установки уплотнения, эксцентриситетом поверхностей вала и корпуса по от-ношению к оси вращения, зазором в подшипниках и т. п. Уменьше-ние зазора достигают нанесением на неподвижную деталь мастики, приготовленной на порошкообразном графите.

Уплотнение подшипниковых узлов, работающих на пла-стичном и жидком смазочном материале при температурах Т = 80...400°С и скоростях v = 30 м/с можно обеспечить жировыми ка-навками, которые при сборке заполняют пластичным смазочным материалом. Размеры канавок и величину зазора назначают в зави-симости от диаметра вала.

Лабиринтное уплотнение состоит из чередующихся зазоров и камер расширения, которые снижают расход через лабиринт за счет расширения газа и его турбулентного движения. Действие вяз-костных уплотнений основано на возникновении давления за счет вязкого сопротивления в узком кольцевом зазоре или щели с канав-ками на вращающемся валу или пластине. Лабиринтное уплотнение применяют при скоростях v > 30 м/с. В зависимости от числа щелей они могут быть одно- и многоступенчатыми. Радиальное уплотнение допускает относительное смещение втулки относительно крышки опоры, поэтому его применяют для плавающих опор подшипников. В аксиальном лабиринтном уплотнении при неразъемном корпусе используют составную лабиринтную втулку. Это уплотнение уста-навливают при осевых смещениях вала.

151

Магнитожидкостные уплотнения используют ферромаг-нитную жидкость, помещенную в зазор между подвижной и непод-вижной поверхностями. Магнитная жидкость (коллоидная суспензия ферромагнитных частиц в жидкости-носителе) удерживается маг-нитным полем, предотвращая утечку.

Бесконтактные уплотнения обеспечивают высокую износо-стойкость, однако их уплотняющее действие ниже, чем у контакт-ных уплотнений.

Наиболее распространены контактные уплотнения. При оп-тимальной конструкции и правильной установке уплотнения утечка очень мала, однако в этом случае возникают трибологические про-блемы.

Кольцевые резиновые уплотнения круговой или другой фор-мы сечения успешно используются в незагрязненных средах при низких скоростях скольжения (v < 3-5 м/с), однако они могут вызы-вать повышенный износ вала.

Радиальные манжетные уплотнения широко используются в механизмах для уплотнения вращающихся валов при низком дав-лении масла. Такие уплотнения обычно состоят из металлического корпуса, гибкой детали и фланца, прижимаемого к валу за счет раз-ности давлений или стопорной пружиной, охватывающей фланец. Фланцы часто выполняют из масло- и бензостойкой резины, однако для применения в уплотнениях пригодны и некоторые полимеры, например силикон, полиакрил, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и др.

Поршневые кольца применяют для уплотнения поршней дви-гателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров и других машин. Эти уплотнения обычно выполняют из металлов, работаю-щих при высоких температурах, которые достигаются, например, в двигателях внутреннего сгорания. Если температура невысока, мож-но использовать самосмазывающиеся полимеры. Кольца разрезают и устанавливают в кольцевых канавках.

Сальниковые уплотнения подразделяются на сальники в виде эластичных втулок, торцовые сальники и сальники с вязкой набив-кой. Их разрабатывают для возвратно-поступательного, колебатель-ного и вращательного движения. Например, сальники в виде эла-стичных втулок применяются для уплотнения плунжеров поршне-

152

вых насосов, а торцовые сальники - в гидравлических и пневмати-ческих системах высокого давления. Сальники с вязкой набивкой надежно работают в разнообразных промышленных, авиакосмиче-ских и военных применениях. Уплотнения войлочными кольцами применяют для герметизации полостей подшипников, работающих на пластичном смазочном материале до окружных скоростей v = 8 м/с и Т = 90°С. Контакт кольца с валом обеспечивают за счет пред-варительного натяга. Перед установкой в проточку в корпусной де-тали войлочные кольца пропитывают разогретой смесью из смазоч-ного материала (85%) и графита. Не рекомендуется применять эти уплотнения при избыточном давлении и повышенной запыленности окружающей среды. Эффективность и долговечность сальниковых уплотнений повышается при установке их в комбинации с другими уплотнениями (щелевыми и лабиринтными).

Механические торцовые уплотнения включают три основ-ных компонента (уплотнительное и сопряженное кольца, образую-щие уплотняемый контакт, и вторичное уплотнение) и предназначе-ны для предотвращения утечки жидкостей вдоль вращающегося ва-ла.

Такие уплотнения способны работать при высоком (до 20 МПа) давлении, высокой скорости (до 800 с-1) и в широком диапазо-не температур (-200…+650°С); условия трения на уплотняемой гра-нице раздела изменяются в широких пределах от непосредственного контакта тел (этот режим нежелателен) до гидродинамического ре-жима (для эффективного уплотняющего действия смазочная пленка должна быть очень тонкой, порядка 0,25-5 мкм).

С трибологической точки зрения уплотнения очень напоми-нают подшипники, хотя уплотнения и предназначены для предот-вращения утечки жидкостей. Выбор наилучшей конструкции уп-лотнения сводится к поиску оптимального сочетания утечки и по-терь на трение и повреждения поверхности.

По существу, в уплотнениях реализуются все режимы трения от скольжения до трения в условиях гидродинамической смазки, а также все виды изнашивания. Сухое трение является нежелатель-ным режимом, однако оно неизбежно сопровождает пуски и остано-вы.

153

Чтобы в данных обстоятельствах избежать сухого трения, необходимо использовать самосмазывающиеся материалы (напри-мер, полмеры или композиты на их основе) или предусмотреть на-личие резервуара для хранения масла, связанного с уплотнением.

Как и в случае подшипников со смазкой, режим трения уп-лотнения определяется безразмерным эксплуатационным парамет-ром G=ηv/P, являющимся аналогом числа Зоммерфельда. Много-численные экcперименты, выполненные с механическими уплотне-ниями, показывают, что зависимость коэффициента трения от экс-плуатационного параметра описывается типичной кривой, подобной кривой Герси-Штрибека. То есть, коэффициент трения проходит через минимум в окрестности некоторого значения эксплуатацион-ного параметра G. Было установлено, что это значение находится в пределах 10-8-10-7 для уплотнений, работающих в поршневых насо-сах, т.е. в переходном режиме между жидкостной и граничной смаз-кой. Это означает, что существует смазочная пленка, которая почти полностью разделяет уплотняемые поверхности и может нести кон-тактную нагрузку. В то же время неровности сопрягаемых поверх-ностей вступают в контакт. Этот смешанный режим смазки опреде-ляется многими факторами, включающими гидродинамические свойства, свойства материалов и тепловые эффекты.

Смазочная пленка не должна быть ни слишком толстой, так как повышается утечка, ни слишком тонкой, иначе происходит ин-тенсивный износ и разрушение уплотнения.

Аналогично и влияние шероховатости поверхности. Слиш-ком большая шероховатость чревата нежелательными последствия-ми: высоким трением, ускоренным износом и малой долговечно-стью. Тем не менее, если поверхности слишком гладкие и плоские, возникновение гидродинамического давления в жидкости невоз-можно, что влечет за собой упомянутые выше последствия. Опти-мальное значение шероховатости составляет не менее 0,25 мкм.

Трибологические свойства смазочной пленки в большой сте-пени зависят от температуры контакта. Вследствие трения темпера-тура может на несколько сотен градусов превышать температуру окружающей среды. При повышении температуры смазочная пленка становится тоньше и может разрушаться, что приводит к развитию

154

режима сухого трения и в конечном итоге к разрушению уплотне-ния. Типичным примером является торцовое уплотнение, работаю-щее на стальном валу.

При работе уплотнений могут иметь место различные тер-мические эффекты. Так возможны ситуации, когда определенное сочетание упругих и термических свойств контактирующих мате-риалов приводит к концентрации нагрузки на малых участках номи-нального контакта. В результате, происходит локальный фрикцион-ный нагрев, и эти участки за счет термического расширения распо-лагаются выше уровня окружающей поверхности и уменьшают площадь фактического контакта. Тем самым давление на этих уча-стках и температура вновь повышаются. Этот процесс, известный как термоупругая неустойчивость может привести к неэффективно-му функционированию и даже разрушению уплотнений.

Как и для подшипников, для уплотнений подвижных сопря-жений существует эксплуатационный предел, определяемый как произведение контактного давления на скорость скольжения. Этот фактор представляет собой энергию, рассеянную с единицы площа-ди проекции торца уплотнения при единичном коэффициенте тре-ния. Предельное значение этой энергии соответствует разрушению жидкостной пленки, что приводит к возникновению сухого трения между торцами уплотнения.

При достаточном давлении и тепловыделении материал на вершинах, образующих контакт неровностей, может расплавиться, и возникает адгезионный износ.

Если твердость сопрягаемых материалов различается, то не-ровности более твердого материала могут царапать поверхность контртела, вызывая абразивное изнашивание (изнашивание части-цами закрепленного абразива). Похожим образом могут действовать твердые наполнители композитов, например армирующее стеклово-локно, используемое во фторопластовых уплотнениях. Существует много других причин абразивного изнашивания. К ним относятся посторонние абразивные частицы, такие как песок, грязь, оксиды. Если они удерживаются между трущимися поверхностями, проис-ходит изнашивание свободным абразивом.

155

Другой проблемой является коррозия. Она возникает благо-даря химическому взаимодействию между торцом уплотнения и со-пряженными поверхностями, уплотняемой жидкостью и окружаю-щей средой.

Коррозия представляет угрозу долговечности уплотнения, она также вызывает образование абразивных частиц (оксидов), при-сутствие которых ускоряет изнашивание и снижает ресурс уплотне-ния. Важную роль в коррозионном износе играет температура. Опыт показывает, что при увеличении температуры на 17 градусов ско-рость коррозии почти удваивается, а вязкость большинства масел уменьшается вдвое.

Кавитационное изнашивание проявляется в уплотнениях, в которых жидкость содержит воздушные или газовые пузырьки. Схлопывание пузырьков вызывает отрыв частиц материала с по-верхности и может в итоге приводить к утечке жидкости и выходу из строя уплотнения.

Эрозионное изнашивание часто встречается в уплотнениях. Оно может быть вызвано кавитацией (кавитационная эрозия) или потоком жидкости с вовлеченными в него твердыми частицами.

Статические уплотнения склонны к фреттингу и фреттинг-коррозии. Эти виды изнашивания могут быть вызваны вибрацией узла машины при работе уплотнений, например, в седле клапана. Для снижения такого износа эффективно применение дополнитель-ной прокладки или замена материалов сопряжения.

Контрольные вопросы

1. Режимы трения в подшипнике скольжения. 2. Способы смазывания подшипников скольжения и устройства, в

которых они работают. 3. Способы смазывания подшипников качения и устройства, в ко-

торых они работают. 4. Смазывание зубчатых передач: способы подачи смазочного ма-

териала и устройства для их реализации. 5. Что такое уплотнение? 6. Разделение уплотнений по типам движения.

156

Раздел 8. Повышение износостойкости деталей машин

В прямой паре трения пластическая деформация препятству-ет нормальной работе пары, возрастает сила трения, поэтому пара быстро выходит из строя.

В обратной пара трения при перегрузке пластическая дефор-мация не препятствует работе пары (эксперимент - заедание в об-ратной паре при нагрузках в 15 раз больше, чем в прямой). При кон-струировании пар эти особенности учитываются (рис. 20).

К числу наиболее эффективных конструктивных способов улучшения условий трения можно отнести следующие:

- снижение контактной нагруженности; - устранение возможности схватывания поверхностей; - замена сухого трения граничным, граничного трения - ре-

жимом гидродинамического или гидростатического трения; - уменьшение работы трения; - улучшение температурного режима трения; - защита узлов трения от абразивных частиц; - защита узлов трения от химических агентов внешней сре-

ды. Защита узлов трения от абразивных частиц осуществляется с

помощью различных систем масляных и воздушных фильтров, ко-торые обеспечивают очистку масла и воздуха, поступающих к по-верхностям трения.

Один из конструкторских способов повышения износостой-кости узлов трения - применение герметизирующих устройств. Гер-метизирующее устройство (ГУ) - совокупность деталей, образую-щих конструкцию, предназначенную для герметизации узла трения (предотвращения утечки смазки и защиты от проникновения извне абразивных частиц).

Технологические способы повышения долговечности тру-щихся деталей приведены на рис. 21.

Качество, надежность, долговечность узлов трения обеспе-чиваются применением износостойких и антифрикционных покры-тий. Толщина покрытий изменяется от долей до нескольких милли-метров в зависимости от их назначения и условий применения. За-

157

щита тонкого поверхностного слоя массивной детали позволяет сэ-кономить дорогостоящие легированные стали, цветные металлы, дефицитные сплавы, успешно решать проблемы восстановления из-ношенных деталей. Поверхностные свойства обеспечиваются как нанесением защитного слоя (покрытия), так и преобразованием по-верхностного слоя металла при помощи химических, физических, механических методов, диффузионным насыщением, химико-термической обработкой. Химико-термические методы изменения поверхности трения за счет увеличения твердости (цементация, азо-тирование, цианирование, борирование и т. п.) весьма эффективны для повышения сопротивления абразивному изнашиванию.

Рис.20. Конструктивные способы улучшения условий трения

158

Рис. 21. Технологические способы улучшения условий трения

Для улучшения противозадирных свойств посредством

сульфидирования, сульфоцианирования, селенирования, карбонит-рации, азотирования создаются тонкие поверхностные слои, обога-щенные химическими соединениями, предотвращающими схваты-вание и задир. Часть задач решается с использованием методов ме-таллизации напылением, включающих газопламенную металлиза-цию, электродуговую, плазменную, высокочастотную индукцион-ную металлизацию, детонационное напыление покрытий из метал-лов, сплавов, оксидов, карбидов, боридов, стекла, фосфора, органи-ческих материалов.

Поверхностное упрочнение пластической деформацией, взрывом, электроискровое упрочнение, электролитические, газотер-мические методы, химико-термическое модифицирование, осажде-ние покрытий из газовой фазы, нанесение покрытий вакуумными ионно-плазменными методами, лазерная обработка, ионно-лучевые и электронно-лучевые методы, наплавка, приварка износостойких

159

материалов позволяют конструктору существенно улучшить надеж-ность триботехнических систем.

В новых методах упрочнения используются воздействия на поверхностные слои деталей высокоэнергетических потоков атомов, ионов, кластеров, квантов с высокой энергией, при этом глубокое термическое воздействие на объем материала не происходит.

Вакуумные ионно-плазменные методы. Методы включают: ионно-диффузионные, осуществляемые в разряде катодного распы-ления, в разряде постоянного тока и в высокочастотном разряде; ионное осаждение; ионное легирование и внедрение (имплантация). Формируются покрытия из различных материалов, многослойные и с переменными по толщине составу.

Методы нанесения алмазоподобных пленок. На поверхность детали наносится пленка с высокой твердостью из чистых металлов, нитридов, карбидов, халькогенидов, силицидов, оксидов и других.

Методы прививки фторуглеродных соединений. Эти методы применяют к поверхностям молекул каучуков и других полимеров. Высокие антифрикционные свойства достигаются в результате соче-тания высокой эластичности каучуков и низкой адгезионной спо-собности фторполимеров.

Ионное азотирование. Данный метод значительно повышает технические характеристики.

Лазерные и электронно-лучевые методы. Характеристики технологических процессов зависят от мощности и длительности воздействия лазерного луча. Высокая плотность энергии в луче ла-зера (до 109 Вт/см2) вызывает нагрев тонкого поверхностного слоя металла (со скоростью до 108°С·с-1), его расплавление (и даже испа-рение). Быстрый отвод теплоты в объем металла приводит к закалке поверхностного слоя, высокой твердости, повышению износостой-кости.

Электронно-лучевой нагрев. Метод обеспечивает высокие скорости нагрева (до 105°С·с1), поверхностную плотность энергии от 103 до 5·108 Вт/см2, охлаждение нагретого слоя со скоростью (5·105°С·с1). Высокие скорости нагрева и охлаждения приводят к фазовым и структурным превращениям. Микротвердость поверхно-стного слоя конструкционных сталей увеличивается более, чем в 3

160

раза, предварительно закаленных до 30 %. Износостойкость инстру-мента из быстрорежущих сталей повышается в 2,0-4,5 раза. Метод применяется для упрочнения сплавов из цветных металлов на осно-ве алюминия, меди, титана.

Электроискровые покрытия. Метод электроискрового леги-рования основан на переносе материала при импульсном искровом разряде в газовой среде на обрабатываемую поверхность. Во время нанесения покрытия деталь нагревается незначительно. Использу-ются вибрирующие электроды, порошковые материалы (50-100 мкм), подаваемые из питателя в межэлектродный зазор, образован-ный анодом и обрабатываемой деталью (катодом). Преимущество метода заключается в возможности проведения локальной обработ-ки поверхностей и обеспечении высокой прочности сцепления нане-сенного материала с основой.

Методы химического осаждения из газовой фазы (газофаз-ные методы) основаны на осаждении покрытий на нагретую под-ложку. Большое распространение получил метод осаждения покры-тий из карбида титана, на деталях и инструментах, нагретых до вы-сокой температуры (1000-1100°С).

Термовакуумные методы. Методы нанесения покрытий ос-нованы на конденсации на поверхностях деталей пленки металла или химического соединения, переведенного в парообразное состоя-ние нагревом наносимого вещества.

Газотермические методы. Методы нанесения износостой-ких и антифрикционных покрытий включают: нагрев распыляемого материала или порошка высокотемпературным источником до тем-пературы плавления (полного или частичного расплавления); обра-зования направленного двухфазного газопорошкового потока; фор-мирования покрытия на поверхности изделия. К ним относятся ду-говая металлизация и газопламенное напыление, плазменное напы-ление и детонационный метод нанесения покрытий.

Гальванические методы можно использовать при нанесении покрытия из металлов, сплавов и композиционных материалов. Применение в составе покрытий на основе хрома, железа и никеля частиц карбидов, оксидов, боридов, твердых металлов позволяет

161

существенно повысить их износостойкость, а введение халькогени-дов, графита, полимеров - антифрикционность покрытий.

Химико-термические методы модифицирования поверхно-стных слоев, сочетают термическое и химическое воздействия, при-меняют с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя. Повышение износостойкости деталей из сталей достигается применением цементации (науглероживания), нитроцементации (цианирования, карбонитрации), азотирования, насыщением бором и кремнием, а также металлами (А1, Сr и др.)

Многокомпонентные диффузионные покрытия с одновре-менным и последовательным насыщением. Этим методом получают:

1. Алюмохромирование (или хромалитирование); 2. Алюмосилицирование, алюмоборирование (или бороали-

тирование); 3. Хромсилицирование, алюмохромосилицирование, алюмо-

цирконосилицирование, хромотитаноалитирование, алюмохромо-ниобирование и др.

Методы сульфидирования и сульфоцианирования применя-ют для повышения противозадирных свойств сталей. Снижается ко-эффициент трения, увеличивается противозадирная стойкость, изно-состойкость в 2-5 раза.

Комбинированные методы. Комбинированные методы уп-рочнения используют при сочетании с применением концентриро-ванных потоков энергии.

Контрольные вопросы

1. Что такое прямая и обратная пары трения? 2. В чем сущность повышения износостойкости технологическими

методами? 3. Химико-термические методы изменения поверхности трения. 4. Перечислите виды поверхностного упрочнение деталей. 5. Выбор материалов и правила сочетания материалов пар трения.

162

Заключение

В настоящем опорном конспекте содержатся основы знаний, которыми должны обладать современные конструкторы и инжене-ры, занимающиеся проектированием, эксплуатацией и ремонтом машин. Материал изложен с учетом современных представлений о природе трения и изнашивания твердых тел. Однако из-за сложно-сти механических, физических и химических явлений, импульсно протекающих в малых объемах контактирующих выступов, и отсут-ствия необходимой информации эти представления содержат ряд допущений и ограничений. Впоследствии они могут трансформиро-ваться и углубляться по мере появления новых данных, полученных с применением методов тонкого физического и химического анали-зов.

К важнейшим эксплуатационным проблемам в настоящее время относятся:

1) повышение ресурса машин и оборудования; 2) сокращение расхода топлива и смазочных материалов; 3) защита окружающей среды при работе автомобилей, трак-

торов и экскаваторов; 4) замена капитальных ремонтов машин и оборудования на

ремонты без разборки деталей. Этапы развития триботехники связаны с развитием горно-

рудной промышленности, транспорта, станкостроения. Резко воз-росло потребление нефтепродуктов, высоколегированных сталей, дефицитных цветных металлов, что обострило эксплуатационные проблемы оборудования.

Конечные результаты исследований и разработок на основе триботехники должны обеспечивать снижение затрат труда на тех-ническое обслуживание и текущий ремонт машин, снижение стои-мости капитальных ремонтов, уменьшение расхода запасных частей, экономию горюче-смазочных материалов, снижение металлоемко-сти конструкций узлов трения и повышение производительности машин. В целом, триботехника решает такие национальные пробле-мы, как экономия энергии, сокращение расхода материалов, а также повышение надежности и безопасности механических систем.

163

4. БЛОК КОНТРОЛЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Общие указания

Блок контроля освоения дисциплины включает: 1. Блок итогового контроля Приводятся темы для подготовки к дифференцированному

зачету.

4.2. Итоговый контроль Темы для подготовки к дифференцированному зачету

1. Что изучают наука «трибология» и ее составная часть

«триботехника»? 2. В чем отличие «узла трения» от «пары трения»? 3. Какая существует связь между интенсивностью изнашива-

ния и износостойкостью? 4. Чем отличается трение скольжения от трения качения? 5. Дайте определение силе трения движения, наибольшей и

неполной силе трения покоя. 6. В чем сущность молекулярно-механической теории трения

И.В. Крагельского? 7. Что включает в себя понятие «качество поверхности»?

Приведите примеры геометрических и физико-механических харак-теристик качества поверхности.

8. Чем отличается волнистость от шероховатости? 9. Что собой представляет шероховатость поверхности? По-

кажите на примере как определяются основные показатели шерохо-ватости: Ra, Rz, Rmax, S, Sm, tp.

10. Чем вызваны наклеп и остаточные напряжения в поверх-ностном слое?

11. Что собой представляют явления адсорбции и хемосорб-ции на поверхности трущихся тел?

12. В чем сущность адсорбционного эффекта понижения прочности (эффект Ребиндера)? При каких условиях он протекает?

164

13. Чем отличаются номинальная, фактическая и контурная площадь контакта трущихся поверхностей?

14. Какой из режимов трения – при граничной смазке, жид-костное и полужидкостное – является наиболее неблагоприятным?

15. Что показывает диаграмма Герси (Герси–Штрибека)? Ка-кой параметр называют «характеристикой режима подшипника»?

16. В чем состоят изменения на поверхностях трения, вы-званные пластической деформацией, повышением температуры и химическим действием окружающей среды?

17. Приведите примеры элементарных видов разрушения по-верхностей трения.

18. Какие три участка выделяют на кривой изнашивания (в общем случае), соответствующие трем стадиям изнашивания? Дать характеристику каждой из стадий.

19. В чем состоит разница между предельным и допустимым износом?

20. В чем сущность, виды и область проявления водородного изнашивания?

21. Что представляет собой абразивное изнашивание, при ка-ких условиях оно образуется?

22. В чем отличия коррозионно-механического, кавитацион-ного и эрозионного изнашивания?

23. В чем состоит сущность процесса схватывания и что яв-ляется предпосылкой для его возникновения?

24. В каких случаях развивается фреттинг-коррозия? В чем особенности механизма фреттинг-коррозии в сравнении с другими видами изнашивания?

25. Что представляет собой «ложное бринелирование» и в каких деталях оно проявляется?

26. Как проявляется влияние усталости металлов на их изна-шивание?

27. В чем сущность явления избирательного переноса? 28. Какие правила сочетания материалов Вам известны? Ка-

кое сочетание (твердое-мягкое, твердое-твердое, мягкое-мягкое) не рекомендовано при выборе материалов для пар трения?

165

29. Приведите примеры использования черных сплавов, применяемых в узлах трения горных машин.

30. Приведите примеры использования антифрикционных цветных сплавов в узлах трения.

31. Для изготовления каких изделий используется сплав Б83? 32. Что собой представляют «трибопласты» и в каких случа-

ях они применяются? 33. Что называется прямой и обратной парами трения? Какая

из пар обладает большей стойкостью к заеданию? 34. Какие конструктивные и технологические способы по-

вышения износостойкости Вам известны? 35. В чем состоит принцип взаимного дополнения качества

при выборе конструкции узлов трения? 36. Смазочные материалы какого вида (жидкостные, твер-

дые, газовые) наиболее эффективно снижают коэффициент трения? 37. С какой целью применяются присадки к смазочным ма-

териалам? 38. Какой вид химико-термической обработки (цементация,

азотирование, борирование) вызывает наряду с повышением изно-состойкости повышение коррозионной стойкости?

39. Как влияет нанесение гальванических покрытий на уста-лостную прочность металла?

40. В чем состоит эффект обработки поверхностно-пластическим деформированием (ППД) для повышения износостой-кости?

166

СОДЕРЖАНИЕ

Введе-

ние····················································································

··············13

Раздел 1. Основные поня-

тия·································································14

Раздел 2. Контактирование поверхностей твердых тел при трении и

их свойст-

ва······················································································

········23

Раздел 3. Молекулярно-механическая теория тре-

ния························35

Раздел 4. Механизм изнашивания деталей пар трения и рабочих ор-

ганов ма-

шин···················································································

·········41

Раздел 5. Материалы деталей трибосопряжений и узлов трения и их

примене-

ние····················································································

·········60

Раздел 6. Смазывание деталей ма-

шин················································119

Раздел 7. Триботехнический анализ работы антифрикционных пар

тре-

167

ния····················································································

················130

Раздел 8. Повышение износостойкости деталей ма-

шин··················156

Заключе-

ние····················································································

·······162

ТЕОРИЯ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ

Учебно-методический комплекс

для студентов специальности 21.05.04

Составители: А.В. Михайлов, И.А. Королев, В.А. Красный

Печатается с оригинал-макета, подготовленного кафедрой машиностроения

Ответственный за выпуск И.А. Королев

Лицензия ИД № 06517 от 09.01.2002

Подписано к печати 20.05.2016. Формат 6084/16.

Усл. печ. л. 9,7. Усл.кр.-отт. 9,7. Уч.-изд.л. 8,2. Тираж 75 экз. Заказ 564. С 182.

Санкт-Петербургский горный университет РИЦ Санкт-Петербургского горного университета

Адрес университета и РИЦ: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, 2