Проблемы подбора материалов трибосопряжений

Содержание

Введение  ………………………………………………………………..3

1. Трение и изнашивание в трибосопряжениях……………………...5
2. Проблемы подбора материалов трибосопряжений……………….9
3. Антифрикционные сплавы цветных металлов…………………..16

1. Сплавы на медной основе………………………………………..17

2. Сплавы на алюминиевой основе………………………………...20
3. Цинковые антифрикционные сплавы…………………………...21
4. Легкоплавкие подшипниковые сплавы (баббиты)……………..21
5. Комбинированные материалы …………………………………..22

4. Технологические способы повышения надежности  
   и долговечности машин с использованием цветных металлов ..23

Заключение …………………………………………………………...25

Литература  ……………………………………………………………26

Введение

При открытой рыночной экономике расширение промышленного  производства невозможно без решения  проблем повышения качества и  конкурентоспособности выпускаемых  машин. Одной из важных задач при  обеспечении качества машины является повышение эксплуатационных показателей  их деталей. Известно, что до 70% причин выхода из строя машин и механизмов связано с износом узлов трения. С трением мы сталкиваемся так часто, что просто не замечаем. Как говорил швейцарский физик Шарль Гильом: «Нам за редким исключением не приходится призвать его на помощь – оно приходит к нам само». На трение расходуется 30-40% всей вырабатываемой в мире энергии, а потери средств в промышленности развитых стран вследствие трения и сопутствующего износа машин и механизмов составляют 4-5 и более процентов национального дохода. Большинство машин (85-90%) выходят 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 металлорежущих станков до 8 раз. На ремонт тракторов задействовано в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление. Легковой автомобиль, имеющий массу 1000 кг, становится непригодным для ремонта, если потеря его массы от износа составит 1 кг, а также подсчитано, что до списания трактора Т-130 на запасные части для ремонта и технического обслуживания нужно израсходовать столько же металла, сколько он весит сам – 12.103 кг.

Следовательно, одним из направлений обеспечения  качества машин является повышение  износостойкости этих деталей. Износ  зависит от многих параметров качества поверхностного слоя, поэтому важно  знать возможности управления комплексом этих параметров в процессе обработки, включая геометрические, механические, физические и структурные свойства.

Проблемы  трения и изнашивания привлекают большое внимание специалистов различных  областей науки и техники не только в силу их многообразия, но и огромного  практического значения во всех сферах материального производства.

Проблемы  трения, износа и смазки в машинах  изучает наука трибология. Современная  наука трибология изучает трение, износ, смазку в процессе взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических, химических, биологических и др. явлений, связанных с трением. Одной из важнейших проблем трибологии является проблема повышения износостойкости конструкционных материалов, составляющих трибосопряжения и узлы трения, именно поэтому наряду с улучшением антифрикционных характеристик cнижение износа относится к приоритетным инженерным задачам.

Трибология  является одной из самых молодых  наук. «Трибология, – писал голландский исследователь Г.Саламон, – это образ мышления и искусство, интеллектуальный подход к гибкой кооперации специалистов в различных областях науки и техники. Это решение задачи огромного экономического значения – повышения надежности технических устройств, от космических кораблей до бытовых приборов».

Трибология, как наука, имеет научно-технические  разделы: триботехнику, трибохимию, трибофизику, триботехническое материаловедение, трибомеханику, триботехнологию, трибомониторинг (трибометрия и трибодиагностика), трибоинформатику и др. Триботехника – прикладной раздел трибологии, который охватывает конечную стадию процесса создания трибосопряжений (ТС) и триботехнических систем (ТТС), с учетом достижений науки трибологии. Принципы триботехники реализуются в методах расчета и конструирования, технологиях формообразования деталей и триботехнологий, испытаний, смазывания, эксплуатации, диагностирования и ремонта изнашивающихся поверхностей деталей ТС, узлов трения, механизмов и ТТС.

1. Трение и изнашивание в трибосопряжениях

Различают три основных вида трения: сухое, граничное и жидкостное.

Сухое трение проявляется при взаимном относительном движении двух очищенных и высушенных твердых тел, находящихся в естественном контакте друг с другом при минимальной загрязненности их поверхностей. Для выявления сухого трения сначала путем обработки с применением моющих средств и растворителей удаляют все масляные загрязнения. Затем наждачной бумагой наименьшей зернистости снимают немасляные загрязнения. После прополаскивания в дважды перегнанном спирте или эфире образцы высушиваются в инертной атмосфере или чистом воздухе. Считается, что очищенные и высушенные таким образом поверхности отвечают условиям сухого трения.

Граничное трение происходит, когда детали разделены тонким слоем смазки. Самой тонкой пленкой применительно к смазке является пленка толщиной в одну молекулу. Толщина пленки определяется в первую очередь общей формой поверхности и ее шероховатостью. Даже самые совершенные из существующих методов механической обработки не дают абсолютно ровной и гладкой поверхности. На практике вес образца, лежащего на плоскости, не распределяется равномерно по всей площади основания образца, а передается и воспринимается многочисленными отдельными микро выступами, имеющимися на обеих поверхностях. Истинная площадь контакта может быть в тысячу раз меньше площади основания образца. Смазочная пленка между исследуемым образцом и плоскостью, толщина которой несколько больше максимальной высоты выступов, будет полностью разделять две трущиеся поверхности. Однако в режиме граничного трения смазочная пленка слишком тонка, чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей. Самые высокие выступы обеих поверхностей при движении задевают друг за друга. При этом локальное контактное давление может быть столь большим, что возможна деформация материала. Интенсивность выделения энергии на микроучастках деформации нередко бывает такой, что происходят высокотемпературные вспышки частиц материала.

В режиме сухого или граничного трения противолежащие выступы контактирующих поверхностей трутся друг о друга и изнашиваются. По степени и характеру фрикционный износ может варьироваться в широких пределах от желательного до истирания, заедания и разрушения. В точках локального контакта возникают напряжения сдвига, превышающие предел упругости, а температура материала повышается. Происходит срыв материала с верхушек выступов, а из-за своей ограниченной подвижности соседние молекулы смазки не успевают закрыть обнажившиеся участки контактной поверхности; они остаются чистыми и химически активными. В результате образуются и при дальнейшем движении тут же разрушаются многочисленные мостики микросварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением температуры поверхности. Разрыв мостиков микросварки дополнительно приводит к локальному резкому и значительному повышению температуры. В результате начинается химическое разложение смазки с образованием окисидов, карбидов и смолистых отложений и медленно, но неуклонно снижается качество смазки. Ухудшение состояния поверхностей трения ускоряется из-за абразивного действия множества оторвавшихся частичек материала контактной пары. Все эти эффекты приводят к общему усилению трения, увеличению энергетических затрат и интенсификации износа.

Для эффективной  работы системы (с небольшим трением  и без износа) необходимо, чтобы трущиеся элементы были всегда и полностью разделены слоем смазки при их движении и полностью разделены в период отсутствия движения. Первое из этих требований выполняется путем оптимизации проектирования.

Химическое  влияние смазки. От химических свойств смазочного материала существенно зависит развитие таких нежелательных явлений, как коррозия, образование смолистого остатка и углеродистых отложений. Установлено также, что некоторые химические компоненты смазки весьма способствуют уменьшению трения и износа. В условиях граничного трения химические свойства смазки гораздо важнее физических (вязкости, плотности, температуры вспышки и затвердевания). В условиях же жидкостного трения картина обратная. Так, например, вязкость смазки, не играющая большой роли при граничном трении, крайне важна в режиме жидкостного трения. Основным фактором в условиях граничного трения (тонкой пленки) является химическая структура молекул смазочного материала.

Роль  молекулярных сил в граничном  трении. На свободной поверхности чистого твердого тела действуют молекулярные силы притяжения. Внутри тела такие силы уравновешиваются, а на поверхности остаются неуравновешенными и могут образовывать прочные связи с активными молекулами, если последние приблизятся на достаточное расстояние. Радиус действия этих сил порядка долей нанометра. Свободные силы, действующие на поверхности, могут быть почти полностью нейтрализованы одним слоем нанесенных на нее активных молекул.

Жидкостное трение. О режиме жидкостного трения можно говорить, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует. Трение в этом случае сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно поверхностей. вязкость, как внутреннее трение, является причиной выделения тепла и потерь энергии, а с другой – она позволяет жидкой пленке смазочного материала удерживать нагрузку.

Основной  причиной нарушения работоспособности  трущихся деталей является изменение их размеров вследствие изнашивания. Изнашивание может сопровождаться коррозионными процессами, происходящими в материалах деталей под воздействием химически активных составляющих среды, и является сложным физико-химическим процессом. В соответствии с ГОСТ 27.674-88 изнашивание делится на три основные группы: механическое, происходящее в результате только механического взаимодействия материалов трущихся поверхностей, коррозионно-механическое, характеризующееся процессом трения материалов при химическом и (или) электрическом взаимодействии со средой, и изнашивание при действии электрического тока.

Рис. 1 Виды изнашивания

Наиболее  распространенными разновидностями  механического изнашивания являются абразивное и усталостное.

Абразивное  изнашивание — процесс разрушения поверхности резанием и царапанием твердыми абразивными частицами среды, в которой происходит работа деталей. Твердость абразивных частиц выше, чем металла, что способствует разрушению поверхности деталей и резко увеличивает их износ.

Усталостное изнашивание — процесс разрушения деталей, характеризующийся усталостными явлениями в поверхностных слоях металла. Оно наблюдается в условиях высоких контактных нагрузок циклического действия. Развитие прогрессирующего усталостного изнашивания начинается с появления усталостных трещин. Смазочный материал, попадая в трещины, способствует их расклиниванию и выкрашиванию частиц металла. Этот вид изнашивания является основным для зубьев тяжело нагруженных шестерен. Интенсивность усталостного изнашивания зависит от нагрузки и температуры, твердости материала и шероховатости поверхности, применяемых смазочных материалов.

При трении металлических пар иногда происходит заедание вследствие схватывания контактирующих участков, что приводит к глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности на другую. Этот вид изнашивания обладает высокой интенсивностью и приводит к отказу сопряжения.

2. Проблемы подбора материалов трибосопряжений

Исследование  и разработка эффективных триботехнических материалов являются одним из основных путей решения технических проблем, связанных со снижением потерь на трение и износа в машинах. Применение разнообразных материалов в трибологии имеет очень давнюю историю. Еще в Римской империи применялись бронзовые подшипники. В средневековой технике для подшипников скольжения, направляющих, зубчатых колес и других деталей, рассматриваемых сейчас как элементы трибосистем, широко применялись сплавы на основе железа и меди, древесина, кожа и другие материалы. Вероятно, впервые научный подход к трибоматериаловедению начал применяться в XIX веке, когда Исаак Баббит изобрел мягкие подшипниковые сплавы, которые применяются и в наше время. Развитие техники требовало появления новых эффективных материалов для машин и ее составных частей. В XX веке произошел значительный прогресс в создании новых классов фрикционных и антифрикционных материалов.

Надежность (ее основные свойства – безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость) работы узла трения машин зависят от правильного выбора материалов пары трения и соответствующего смазочного материала. Многообразие конструкций ТС узлов трения и условий их работы в машинах, приборах не позволяет рекомендовать какой-либо универсальный материал. Процессы, протекающие на фрикционном контакте, мало изучены. В зоне трения двух деталей ТС возникают высокие температуры, большие давления, имеются различные ингредиенты окружающей среды и смазочных материалов, т.е. материал трущегося тела, по существу, подвергается интенсивной технологической обработке, и часто его поверхностный слой по своим свойствам значительно отличается от исходного материала. Исследование этих процессов в современной науке о трении является главной задачей, так как небольшое изменение свойств поверхностного слоя резко изменяет характер изнашивания.