Проблемы подбора материалов трибосопряжений

Накопленные научные данные свидетельствуют, что  процессы трения и изнашивания представляют собой совокупность последовательных переходов материала из одного состояния в другое. При одних условиях переходы определяются процессами упругой и пластической деформаций, при других осуществляются более глубокие структурные и фазовые превращения в поверхностном и подповерхностном слоях материала.

Результаты  проведенных исследований показывают, что для обеспечения лучших показателей износостойкости необходимо совместить три основных компонента: статическую прочность, твердость и пластичность. Сочетание именно этих характеристик обеспечивает наилучшие результаты в части повышения износостойкости конструкционных материалов.

Можно утверждать, что в общей проблеме повышения износостойкости деталей ТС роль трибоматериаловедения исключительно велика; в любой конкретной задаче повышения показателей долговечности (ресурса, срока службы) составных частей машин две трети объема возможных мер всегда будут приходиться на выбор конструкционных материалов. Основными задачами этой проблемы являются отбор известных и создание новых триботехнических материалов, представляющих собой особый класс материалов, предназначенный для работы в условиях трения и изнашивания для конкретного деталей трибосопряжения и условий их оптимального функционирования.

При этом, помимо достижения необходимых эксплуатационных показателей изделий, требуется учитывать экономические требования, исходя из рыночных условий. В связи с этим трибоматериаловедение обычно решает компромиссные задачи, когда нужно достичь целесообразного соотношения между уровнем эксплуатационных характеристик и стоимостью.

Выбор материалов для изготовления деталей узла трения представляет собой весьма сложную  задачу, поскольку их выбор должен осуществляться с учетом довольно большого числа факторов. К ним, в частности, относятся:

• уровень статической и динамической нагрузок;
• скорость относительного перемещения трущихся тел;
• температура в зоне трения;
• свойства смазочного материала и сопрягаемого тела;
• вид трения;
• конструкция узла.

Материал  должен также удовлетворять требованиям  по износостойкости и коэффициенту трения, обладать хорошими прирабатываемостью, совместимостью и низкой стоимостью. Выбору материала при проектировании трибосопряжения предшествуют прочностные расчеты (на изгиб, контактную прочность, на заедание, на износостойкость и др.).

Детали узлов  трения в зависимости от их функционального  назначения изготавливают из износостойких, антифрикционных и фрикционных  конструкционных материалов. Антифрикционность – собирательная качественная характеристика совокупности свойств материала, обеспечивающих его нормальную работу в условиях трения. Антифрикционность материала определяется, главным образом, коэффициентом трения, несущей способностью, износостойкостью и теплостойкостью. При наиболее благоприятном сочетании указанных факторов достигается высокая антифрикционность материала.

Одним из главных  требований к материалу пары трения является его износостойкость применительно к заданным условиям эксплуатации. К износостойким материалам относятся такие материалы, которые при длительном трении, даже в условиях тяжелого динамического нагружения, имеют низкий коэффициент трения, малый износ и может быть оценена показателем износостойкости И, которая изменяется в пределах от 103 до 1013. Поэтому естественной для нее является логарифмическая шкала. Для отнесения изделия к определенному классу его износостойкость представляют в показательной или логарифмической форме

И = α _k ⋅ 10^K,                   lgИ = К + lgα_k,

где 1≤ α _k <10, соответственно мантисса логарифма 0 ≤ lgα_k <1,  
а характеристика логарифма К – целое число, обозначающее класс износостойкости.

Устанавливаются десять классов износостойкости  – от 3 до 12 класса включительно (таблица 1). Нижняя граница И в каждом классе не входит в его состав.                                                                      

                                                                            Таблица 1. Классы износостойкости

Для групп  каждого класса износостойкости  характерны определенные виды контактного взаимодействия поверхностей трения: для классов 12-6 – упругое взаимодействие (упругие и упругопластическое взаимодействие); для классов 5-4 – пластическое; для класса 3 –1 микрорезание. Очевидно, что при проектировании узла трения и выборе материала необходимо стремиться к обеспечению упругого взаимодействия поверхностей трения, при котором интенсивность изнашивания значительно меньше, чем при пластическом.

Следующим важным требованием к материалам деталей  узлов трения являются высокие характеристики механических свойств: предел прочности, предел упругости, предел текучести, предел выносливости (усталостная прочность), относительное удлинение и сужение.

Предел прочности  определяет несущую способность  детали, а предел упругости и предел текучести характеризует предельное значение контактных напряжений для упругих деформаций при фрикционном взаимодействии. Относительное удлинение и относительное сужение – это, как известно, показатели пластичности, играющие большую роль в механизме фрикционного взаимодействия.

Важными свойствами материалов пары трения являются твердость и микротвердость материала. Твердость – сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. При абразивном изнашивании характеристики твердости материала определяют износостойкость пары трения.

Большинство деталей машин, в том числе детали узлов трения (подшипники качения и скольжения, зубчатые зацепления и т.д.), работают при циклически действующей нагрузке. Циклическое нагружение испытывают и поверхностные слои трущихся деталей вследствие дискретности контактного взаимодействия микронеровностей поверхностей. В условиях циклического нагружения конструкционный материал разрушается после определенного числа циклов нагружения при действующих напряжениях ниже предела текучести. В материаловедении это явление называется усталостью. К материалам деталей узлов трения, рассчитываемых на большой ресурс работы, предъявляются определенные требования по пределу выносливости во избежание усталостного разрушения до выработки заданного ресурса.

Материалы деталей  узлов трения должны обладать необходимыми теплофизическими свойствами: хорошей теплопроводностью, достаточно высокой теплоемкостью и стабильными коэффициентами линейного и объемного температурного расширения. Теплофизические свойства обеспечивают отвод и рассеивание тепла, генерируемого в зоне трения, предохраняя детали узлов трения от чрезмерного нагрева, способного вызывать ухудшение механических и триботехнических свойств материалов, разрушению смазочных материалов.

Правильный  подбор материалов для деталей трибосопряжений возможен только в том случае, если проведен анализ конструкционных и триботехнических характеристик узла трения и условий его работы. Следовательно, вопрос о подборе материалов рационально решать применительно к трибосопряжениям узлов определенного функционального назначения.

Унификация  материалов может быть проведена  после специальных триботехнических исследований на износостойкость и совместимость материалов сопрягаемых тел, т.е. должна быть исключена возможность схватывания поверхностей. Следуя этому условию, материалы пары трения необходимо подбирать так, чтобы они не образовывали при трении прочных адгезионных связей, а разрушение этих связей осуществлялось по границе раздела. Один из материалов должен обладать низким сопротивлением сдвигу, в контакте должны иметь место преимущественно упругие деформации. Следовательно, нерационально использовать сочетания одноименных материалов (медь – медь, бронза – бронза, титан –титан), а также пары трения, оба элемента которых выполнены из мягких материалов (алюминиевый сплав – медь, медный сплав – свинец и т.д.). Сочетание твердого материала с мягким обеспечивает высокую долговечность узла трения при низких нагрузках и температуре. В тяжелонагруженных смазываемых низкоскоростных узлах трения скольжения и в опорах качения целесообразно сочетание твердых материалов. В узлах трения с обедненной смазкой или при ее отсутствии хороший эффект дают сопряжения твердых материалов с пористыми материалами, пропитанными маслами и самосмазывающимися композитами.

Все узлы трения скольжения делят на два вида (по Н.М. Михину):

1. узлы трения покоя, в которых сила трения используется для предотвращения относительного перемещения деталей, т.е. в этих сопряжениях имеет место сила трения покоя;
2. узлы трения, в которых происходит относительное перемещение (скольжение) деталей, т.е. в этих сопряжениях детали работают в условиях трения скольжения.

Первый вид узлов трения подразделяют на две подгруппы:

• соединение двух деталей, в которых не допускается относительное перемещение (соединение с натягом, заклепочные и др.) и передачи, в которых передаваемый момент (сила) ниже по значению момента силы трения покоя (передачи фрикционные и с гибкой связью, транспортирующие устройства, ведущие и тормозные колеса и др.);
• узлы трения, в которых реализуются силы трения покоя и допускающие кратковременные относительные скольжения деталей (сцепления тормоза).

Второй вид узлов трения также  подразделяют на две подгруппы:

• узлы трения многократного действия (подшипники скольжения, уплотнения, направляющие, кривошипно-шатунные и кулачковые механизмы, качающиеся и скользящие опоры, передачи винт-гайка);
• сопряжения однократного действия (направляющие при спуске судов, запуске ракет и др.).

При выборе материалов для узлов трения, кроме  учета конструкционных особенностей деталей трибосопряжения и условий их эксплуатации необходимо ориентироваться на параметры технологической точности, экологические и экономические требования к ним.

Многообразие  конструкций трибосопряжения, узлов трения и условий их работы в машинах и приборах не позволяет рекомендовать какие-то универсальные материалы и методы выбора, обеспечивающие высокую надежность. Основными факторами, которые должны учитываться в первую очередь при выборе материалов, являются нагрузочные характеристики (контактное давление, скорость скольжения), заданный технический ресурс (наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода объекта в предельное состояние;, температурные условия эксплуатации, условия смазки (наличие, вид и способ подачи смазочного материала), вид и состояние окружающей среды (атмосферный воздух или инертный газ, их влажность, вакуум и др.), требования к моменту (силе) и коэффициенту трения. Дополнительно могут учитываться технические и экономические возможности использования материала, ограничения по массе узла трения, коррозионная и радиационная стойкость материала.

Д.Н. Гаркуновым предложены правила применения материала фрикционных пар, которые следует выполнять после предварительного анализа условий функционирования, исходных свойств и их изменения в процессе трения. Эти правила заключаются в следующем:

1. Сочетать  твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения. Такая пара металлов хорошо противостоит заеданию и характеризуется высоким уровнем надежности. Хорошие результаты дают пары трения: хром - резина при смазывании минеральным маслом и водой; хром - бронза при использовании пластичных смазочных материалов.

2. Сочетать  твердый материал с твердым (пары трения из азотированной, хромированной и закаленных сталей). Такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения неровностей их поверхностей. Нанесение приработочных покрытий снижает износ в наиболее опасный период работы – во время приработки на стадии обкатки. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, улучшение условий смазки значительно расширяют область применения пар трения из твердых материалов.

3. Избегать сочетаний мягкого материала с мягким, а также пар трения из одинаковых материалов по физико-механическим свойствам (незакаленная сталь по незакаленной стали, медный сплав–алюминиевый сплав, хром–хром, никель–никель, пластмасса–пластмасса, за исключением политетрафторэтилена и полиэтилена). Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в эксплуатации. Даже при незначительных перегрузках в трибосопряжениях образуются очаги схватывания, задиры, глубинные вырывания материалов с взаимным их налипанием и переносом материалов деталей ТС.

4. Применять  в труднодоступных для смазывания  узлах пористые спеченые материалы и антифрикционные сплавы.

5. Применять  в качестве фрикционных и антифрикционных материалов композиционные и пластмассы. В ряде случаев они повышают износостойкость и долговечность деталей ТС и узлов трения, в других случаях снижают массу конструкции и расход дефицитных цветных материалов, уменьшают вибрации и улучшают акустические свойства машин.

6. Применять  материалы, трудно поддающиеся  наводораживанию. При выборе материалов необходимо учитывать возможность наводораживания поверхностей трения, т.к это резко снижает износостойкость и надежность ТС.

7. Поверхности  стальных деталей ТС узла трения  при окончательной доводке рекомендуется подвергать финишной безабразивной обработке.

8. При выборе  материалов конструкционных и  смазочных для ТС узлов трения создавать возможные условия, обеспечивающие условия реализации режимов избирательного переноса.