Триботехника

16.2 Абразивное изнашивание

Общие сведения

Абразивным материалом называют материал естественного или искусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (царапания). Абразивное изнашивание - это разрушение поверхности детали в результате его взаимодействия с твердыми частицами при наличии относительной скорости.



К таким частицам относятся:

а) неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной либо под небольшим углом атаки к поверхности детали (например, шаржирование посторонними твердыми частицами мягких антифрикционных материалов);

б) незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали (например, насыпные грузы при их транспортировании соответствующими устройствами, абразивные частицы в почве при работе почвообрабатывающих машин и т.д.);

в) свободные частицы в зазоре сопряженных деталей;

г) свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.

Абразивное изнашивание вызывают почва, грунт, руда, уголь и порода, зола, пыль, попавшие на поверхность трения, металлическая стружка, окисные пленки, закрепленные на поверхности трения или разрушенные, нагар и продукты изнашивания, в особенности выкрошившиеся части твердых структурных составляющих.

Изнашивание поверхностей деталей твердыми абразивными частицами

Абразивная частица вдавливается в поверхность детали, если она обладает большей твердостью, чем металлическое тело. Внедрившаяся частица при движении относительно поверхности может процарапать риску или срезать микроскопическую стружку.

При твердости металлической поверхности, превышающей 60 % твердости абразива, износостойкость резко возрастает. Такое отношение твердостей можно назвать критическим.

Абразивное изнашивание при ударе

Процесс разрушения детали при ударном взаимодействии между деталью и абразивом называют ударно-абразивным изнашиванием. Этому разрушению подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелющих агрегатов, породоразрушающий инструмент пневмо- и гидроударников, детали гусеничного хода машин и др.

Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на поверхности трения лунок в результате локальной пластической деформации металла.

Изнашивание от абразивных частиц в зазоре пары трения

Попавшие в зазоры пар трения абразивные частицы под действием нагрузки могут, в зависимости от условий, впрессовываться в поверхности трения, дробиться на более мелкие фракции, скользить или перекатываться вдоль поверхности изнашивания, упруго и пластически деформируя ее.

Наибольшее изнашивающее воздействие оказывают частицы кварца, твердость которых достигает 11.12 ГПа. Эти частицы размером 1.30 мкм могут длительно находиться в воздухе при его движении.

Воздушные фильтры двигателей автомобилей и других машин могут задерживать только крупные частицы пыли; мелкие частицы проникают в двигатель вместе с засасываемым в цилиндры воздухом. Очищающая способность фильтров 98.99 %, т.е. 1.2 % пыли, содержащейся в воздухе, попадает в цилиндры двигателя. При эксплуатации автомобилей и тракторов запыленность воздуха обычно составляет 0,5. 1 г/м3 , при этом с каждым кубометром воздуха в цилиндры засасывается 5.20 мг пыли.

Так, двигатель автомобиля, эксплуатируемого в песчаных районах, требует капитального ремонта после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапыленного воздуха он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.

Изнашивание от абразивных частиц в потоке жидкостей или газа

При допущении, что среда неагрессивна к поверхности детали, следует различать два случая взаимодействия абразивных частиц с материалом.

Прямой удар (угол атаки а = 90°). В зависимости от массы частиц, скорости их падения, свойств абразива и физико-механических свойств материала детали возникают упругая деформация, пластическая деформация, крупное разрушение, перенаклеп с отделением материала в виде чешуек.

Косой удар (0 < а < 90°). При углах атаки не больше угла трения на характер повреждений поверхности сильно влияют касательная составляющая импульса и сопротивление материала воздействию касательных сил на поверхность.

В некоторых случаях износостойкость резины в несколько раз выше, чем закаленной стали, в других случаях (при нулевом угле атаки) износостойкость резины ниже, чем стали, в связи с фрикционной природой усталостного повреждения поверхности.

Влияние влажности и агрессивности среды на абразивное изнашивание

Влажность увеличивает интенсивность абразивного изнашивания, так же, как и агрессивность среды.

Абразивное изнашивание в коррозионно-активных средах

Содержание водорода в поверхностном слое закаленной стали увеличивается в процессе трения в присутствии пресной и морской воды в 3.3,6 раза, у незакаленной стали - в 2,4.2,8 раза, а при трении в среде сока растения в 3,8 и 3,2 раза для закаленной и незакаленной стали соответственно.

Влияние мелких абразивных частей на износ

Экспериментально установлено, что если размер частиц не превышает 5 мкм, то они, имея большую развитую поверхность, абсорбируют на себе продукты окисления масла, что может снизить интенсивность изнашивания детали.

Многие исследования показывают, что частицы с размерами менее 5 мкм уменьшают износ частицы, размером более 5 мкм - увеличивают износ.



17. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ, ИЗНАШИВАНИЕ ВСЛЕДСТВИЕ ДЕФОРМАЦИИ, ДИСПЕРГИРОВАНИЯ И ВЫКРАШИВАНИЯ ВНОВЬ ОБРАЗУЮЩИХСЯ СТРУКТУР

Окислительное изнашивание

Происходит в том случае, когда на соприкасающихся поверхностях образуются пленки окислов, которые в процессе трения разрушаются и вновь образуются.

Изнашивание вследствие пластической деформации

Этот вид изнашивания (смятие) заключается в изменении размеров или формы детали в результате пластической деформации, ее микрообъемов. Смятие является характерным видом повреждения шпоночных пазов и шпонок, шлицевых соединений, штифтов и упоров, резьбовых соединений и других деталей. Пластическая деформация вызывается либо чрезмерными допускаемыми напряжениями, либо случайными значительными перегрузками.

В тихоходных зубчатых передачах с колесами из стали невысокой твердости возникают значительные пластические деформации с образованием канавок по полюсной линии у ведущих зубьев. Под действием высоких контактных напряжений разрушается масляная плёнка, и происходит течение поверхностных слоев металла в направлениях скольжения. Впрочем, не исключаются такие течения и при неповрежденной масляной пленке. Повышением вязкости масла можно уменьшить силы трения и интенсивность пластической деформации. Вообще же рекомендуется применять стали большей твердости.

Изнашивание вследствие диспергирования

Многие трущиеся детали не имеют на рабочих поверхностях следов схватывания и заметных царапин.

При этих условиях разрушение поверхностного слоя происходит в результате диспергирования (измельчения) отдельных участков контакта. Интенсивность этого вида изнашивания невысока, шероховатость поверхности детали малая.

Изнашиванию вследствие диспергирования подвергаются хорошо смазываемые шарнирно-болтовые соединения, валики различных агрегатов и сопряженные с ними подшипники, поршневые пальцы прицепных шатунов, пары трения топливной аппаратуры и др.

Изнашивание в результате выкрашивания вновь образующихся структур

При тяжелых условиях работы на поверхностях трения происходят физико-химические изменения. Они являются результатом пластического деформирования, повышения температуры слоев металла, прилегающих к зоне контакта, последующего быстрого охлаждения и химического действия окружающей среды. Эти физико-химические изменения, заключающиеся в образовании новых структур, в свою очередь изменяют взаимодействия и характер разрушения поверхности. Эти образования получили наименование белого слоя.

Гидро- и газоабразивное изнашивание

Интенсивность зависит от угла атаки частиц:

,

где а - коэффициент, зависящий от материала и угла атаки;

т - зависит только от материала (для Ст3 m = 2,3; для стали 45 зак. т = 2,5; для чугуна т = 2,8; для базальта т = 2,5); V- скорость.



18. ЭФФЕКТ БЕЗЫЗНОСНОСТИ, ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС, ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТА БЕЗЫЗНОСНОСТИ

18.1 Общие сведения

В середине 50-х годов при исследовании узлов трения узлов самолета «ИЛ» Гаркуновым и другими было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на поверхностях тяжелонагруженных деталей в парах «сталь-бронза» при спиртоглицериновой смазке. Пленка меди толщиной д = 1...2мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Резко уменьшался износ и сила трения (примерно в 10 раз); то же для пары «сталь-бронза» в смазке ЦИАТИМ 201, в парах «сталь-сталь» домашнего холодильника (компрессоры) за счет растворения медных трубок.

Ионы меди поступают в масляно - фреонную смесь и образуют на трущихся деталях защитную медную пленку, которую назвали сервовитной.

Это вещество (тонкая пленка меди) образованно потоком энергии и существуюет в процессе трения. Трение не уничтожает пленку, оно ее создает. Это новый класс явлений в неживой природе - самоорганизующиеся процессы. Их только начали изучать. Самоорганизация в природе известна - биологические системы способны к самообновлению и работают десятки лет без износа: зубы животных (простые пары трения), суставы (мягкие по твердому) живых организмов (закрытые пары трения, мягкие по мягкому).

Энтропия - беспорядок в замкнутой системе. Основной закон термодинамики Клаузиуса - рост энтропии со временем. По Дарвину - в основе отбора лежит повышение степени самоорганизованности биологических систем (рис. 11).



Рисунок 11 - Рост беспорядка в соответствии со вторым законом термодинамики (а) и рост степени организованности в соответствии с законом Дарвина (б)

В неживой природе в некоторых явлениях отсутствует самоорганизация: дрова горят и превращаются в пепел - пепел не может превратиться обратно в дрова, сахар на воздухе испарился - обратная конденсация невозможна. Но есть и другие примеры: из воздуха, из паров воды образуются снежинки правильной формы - кристаллической, это явление более высокой организации, чем пар. Изморозь на стекле - рисунки, из расплавов металлов - кристаллы. Это примеры самоорганизации .

Неустановившийся режим:

В паре «сталь-сталь» смазочный материал окисляется, и кислоты растворяют поверхности медных трубок - в смазке ионы меди.

Ионы меди из смазки осаждаются на поверхности детали только в зоне трения, образуя пленку д = 1...2мкм .

Установившийся режим:

Пара трения «сталь-сталь» стала «медь-медь». Снижается окисление смазки, прекращается растворение трубок.

Если нарушается целостность пленки, режим работы ухудшается, окисление смазки усиливается, растворение меди возобновляется, и залечиваются повреждения поверхности в зоне трения. Медная пленка не разрушается или переносится с одной поверхности на другую, удерживаясь электрическими силами.

Сервовитная пленка при деформировании не разрушается, покрывая при этом шероховатости. Мягкое работает по мягкому; нагрузка распределяется не по выступам, а по пленке - ресурс увеличивается.

18.2 Механизм образования сервовитной плёнки

Механизмы образования сервовитной пленки различны.

Сервовитная пленка в паре «бронза-сталь» образуется при смазывании глицерином. Глицерин действует как слабая кислота, растворяя элементы бронзы, олова, цинка, железа, алюминия. Поверхность бронзы насыщается атомами меди - режим избирательного переноса (ИП).

При высоких давлениях режим ИП наблюдается в паре «бронза-сталь» в смазке ЦИАТИМ 201 и минеральных маслах в узлах трения возвратно- поступательного движения (шарниры, ползуны).

В паре «сталь-сталь» ИП может наблюдаться при смазке с добавками мелких частиц бронзы, меди, свинца, серебра и др. На поверхности появляются пленки этих металлов, коэффициент трения уменьшается, сталь не изнашивается.

Разработан ряд порошковых материалов, работающих в режиме ИП. В шихту вводятся мелкодисперсные порошки ВК3, ВК6, ВК8, где связующим веществом является медь - работает в нефти, нефтепродуктах, сточных водах.

Сервовитная пленка образуется при трении политетрафторэтилена (ПТФЭ) по стали в глицерине (с добавкой закиси меди).

В ПТФЭ (очень распространенный материал подшипников скольжения) добавляют отрезки медной проволоки (для создания режима ИП по стали).

Материал сервовитной пленки - медь находится в состоянии, подобном расплаву (рис.12). Пленка не способна к наклепу, имеет малые усилия сдвига, пориста, способна к схватыванию, при трении может переходить с одной поверхности на другую без увеличения сил трения (как сталь по льду - пленка воды - пленка медь).

Рисунок 12 - Структура граничного слоя, образующегося при трении медно-фторопластового композита по стали

18.3 Избирательный перенос в условиях абразивного износа

Считалось, что избирательный перенос может быть реализован в условиях абразивного износа - пленка разрушается. Но абразивные элементы меньше 3 мкм, наоборот - ускоряют образование пленки.

Частицы более 3 мкм изнашивают сервовидную пленку, но все же коэффициент трения относительно снижается, а интенсивность изнашивания уменьшается.



19. МАТЕРИАЛЫ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПАР ТРЕНИЯ

Трущиеся детали изготавливают из материалов:

конструкционных (стали 45, 40ХН);

фрикционных (ферродо-, металлокерамика) - высокий коэффициент трения (текстолит, фибра, чугун, стали 46, 47, марганц. сталь);

антифрикционных (чугун, бронза, латунь, баббит); требования к антифрикционным материалам: достаточная статическая и динамическая прочность при повышенных температурах образования граничного слоя, низкий ѓ, прирабатываемость, технологичность, недефицитность;

износостойких (материалы в виде слоев, накладок пластин, диски фрикционных муфт) - общие требования, износостойкость обеспечивается упрочняющими технологиями (резина, пластмасса).

В одном материале все эти свойства обеспечить невозможно. Вывод: в парах трения необходимо подбирать материал; учитывать конструкцию, назначение узлов трения, условия эксплуатации, требования по прочности, сроку службы, надежности, стоимости, эксплуатационные расходы.

Примеры. Сплавы для коленчатых валов: литые дешевле кованных - из чугунов и графитизированной стали, углеродистых и легированных сталей.

Марганцовистые стали (Гатфильда) износостойкие - держат удары, наклепываются. Но при абразивном изнашивании марганцовистая сталь не имеет преимуществ перед обычными конструкционными сталями (более дешевыми), наклепывается медленнее износа, слабо сопротивляется коррозии, непригодна при эксплуатации выше 800°С.

Ретинакс (ФК-16Л), фенолформальдегидная смола, канифоль, асбест + латунная проволока - применяют при высокой нагрузке; при малой - неэффективна (повышение температуры усиливает фрикционные свойства).

Антифрикционные материалы (правило Шарля 1897 г.) - необходимо равномерно распределить в пластичной основе твердые зерна при низком коэффициенте трения с антизадирными свойствами.

Перспективны порошковые фрикционные и антифрикционные материалы. Порошковые детали выгодны при партиях 500.10000 изделий, иначе невыгодны.

Подшипники скольжения - из чугунов, применяются с остальными валами высокой твердости НRС?55, коэффициент трения возрастает при У<0,5 м/с, удельная сила р ? 1,5 МПа - низкая.

Сплавы из цветных металлов - бронзы, баббиты, сплавы серебра, кадмия, алюминиевые сплавы.

Бронзы - в виде лент для втулок и подшипников типа Бр. ОЦСЧ - 4-17, Бр. АЖН.

Сплавы алюминиевые - АЛ2, АЛ4, литейный алюминий с никелем, сурьма.

Сплавы на цинковой основе - ЦАМ 9-1,5 или ЦАМ 10-15 - 9.12 % алюминия, 1.5,5 % меди, 0,03.0,06 %о магния.

Пористые порошки из спеченной бронзы, железа, графита: меди 83.85 %, олова 9.10%, свинца 4.10%, графита 1,5 .2 %. При спекании поры заполняется маслом - втулки подшипников погружаются в разогретое масло (50.100 0С). Пористость 25.35 % для больших скоростей и малых нагрузок, 18.25% - обычные условия, 10.18 % - малые скорости, высокие и средние нагрузки.

Пластмассы для подшипников:

а) полиамиды Р=5 МПа, смазка маслом;

б) полиэтилен, винипласт, фторопласт-4, коэффициент трения 0,04 без смазки - шероховатость Rа= 0,08.0,16, но размягчается. Полинозитные материалы, металлофторопластовые ленточные антифрикционные материалы (фирма «Гласье», Англия) - материал БУ.БХ. Композиция политетрафторэтила: свинец, спеченная оловянная бронза, все прикреплено к стальной подложке - работает без смазки, коэффициент трения снижается при ростер, например ѓ=0,1 при р=3 МПа;ѓ=0,04 при р=138 МПа.



20. ПРАВИЛА СОЧЕТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения при работе. При таком сочетании металлы хорошо противостоят заеданию и характеризуются высокой надежностью. Хорошие результаты дают пары «хром-резина» при смазывании минеральным маслом и водой и «хром-бронза» при использовании пластичных смазочных материалов.

Сочетать твердый металл с твердым (сочетание пар из азотированной, хромированной и закаленной стали). 1акие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. Нанесение приработочных покрытий повышает надежность пар в наиболее опасный период работы - во время приработки. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, улучшение условий смазывания значительно расширяют область применения пар трения из твердых материалов.

Избегать сочетаний мягкого материала с мягким (медный сплав по алюминиевому сплаву), также пар из одноименных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, алюминиевый сплав по алюминиевому, хром по хрому, никель по никелю, пластмасса по пластмассе), за исключением пар из политетрафторэтилена и полиэтилена. Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. При незначительных перегрузках в парах образуются очаги схватывания, и происходит глубинное вырывание материалов с взаимным их налипанием на поверхности трения.

Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях пористые, порошковые материалы и антифрикционные сплавы.

Применять в качестве фрикционных и антифрикционных материалов пластические пластмассы. В ряде случаев они повышают надежность и срок службы узла трения, снижают массу конструкции и расход дефицитных цветных металлов, уменьшают вибрации и улучшают акустические свойства машин.

Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных материалов и присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима избирательного переноса.

Учитывать возможность при эксплуатации наводороживания поверхностей трения, что резко снижает износостойкость и надежность работы узла трения. Применять материалы, трудно поддающиеся наводороживанию.

Стальные детали узлов трения при окончательной доводке их поверхности подвергать финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО).



21. МЕТОДИКА ПОДБОРА МАТЕРИАЛОВ ПАР ТРЕНИЯ

Триботехника к настоящему времени накопила большой опыт, позволяющий сформулировать общие принципы и методику подбора материалов для пар трения. На рисунке 13 представлена схема выбора материала для трущихся деталей.

Рассмотрим подробнее отдельные этапы этой методики.

Анализ условий эксплуатации:

Условия нагружения и характеристика окружающей среды:

нагрузка и место ее приложения;

частота вращения (скорость скольжения);

режим нагружения (статический, динамический и т. д.);

ускорение;

атмосферные условия (влажность и т. д.);

температура;

вид рабочей среды и ее концентрация;

электрические воздействия;

возможность попадания инородных частиц (абразив и т.д.).



Рисунок 13 - Схема выбора материала для трущихся

Геометрические и конструктивные требования:

габариты узла;

требуемая точность;

особые требования к конструкции узла (взаимодействие с другими узлами и т.д.).



Эксплуатационные требования:

показатели надежности;

срок службы;

необходимость и возможность контроля за работой узла;

энергоемкость;

коэффициент трения;

шум;

демпфирование;

токсичность;

ионизирующие излучения;

газовыделение;

условия хранения.

Экономические и технологические требования:

объем производства;

стоимость готового изделия;

затраты энергии на производство;

производительность оборудования;

масса изделия;

внешний вид и отделка;

другие сведения.

На основе анализа условий эксплуатации составляется техническое задание на проектирование узла трения (детали).

Предварительный выбор материалов

Вначале выбирают группу материалов (черные металлы, баббиты, бронзы, полимеры и т.д.), наиболее подходящую для изготовления деталей узла трения. Затем с учетом справочных данных производят предварительный отбор материала для каждой из деталей узла трения.

Расчетно-конструктивная оценка работоспособности узла трения

Прежде всего, определяют оптимальные габариты узла трения и его конструкцию. Важным элементом геометрического расчета является установление зазоров в сопряжениях. Следует помнить, что повышенные требования к точности связаны с опасностью заклинивания при нагреве. Далее определяют нагрузочную способность детали (рассчитывают на прочность и деформацию), а затем оценивают фрикционные характеристики сопряжения (рассчитывают коэффициенты трения, определяют тепловую напряженность). И в последнюю очередь производят проверку узла трения на долговечность (рассчитывают интенсивность изнашивания). По результатам расчетов ведется конструктивная корректировка и доработка узла трения.

Окончательный выбор материала

Отобранные в результате предварительных оценок и расчетов материалы деталей пары трения необходимо экспериментально исследовать. Вначале проводят лабораторную оценку материалов на образцах, основывающуюся на применении по возможности стандартизированных методик и оборудования, выборе схем взаимодействия образцов и режимов трения, близких к эксплуатационным, в соответствии с методами моделирования. Следующий этап - испытание натурных образцов в условиях, наиболее близко имитирующих эксплуатационные. На основании испытаний натурных образцов решается вопрос о проведении опытно- промышленной проверки.

Опытно-промышленная проверка служит основным критерием окончательного выбора материала для деталей узла трения.



22. КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛИ

Прямая пара трения: пластическая деформация препятствует нормальной работе пары, возрастает сила трения. Пара быстро выходит из строя.

Обратная пара трения: при перегрузке пластическая деформация не препятствует работе пары (эксперимент - заедание в обратной паре при нагрузках в 15 раз больше, чем в прямой).

При конструировании пар эти особенности учитываются (рис.14).

Рисунок 14 - Конструктивные способы улучшения условий трения

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 - режимом гидродинамического или гидростатического трения;

уменьшение работы трения;

улучшение температурного режима трения;

защита узлов трения от абразивных частиц;

защита узлов трения от химических агентов внешней среды.

Защита узлов трения от абразивных частиц осуществляется с помощью различных систем масляных и воздушных фильтров, которые обеспечивают очистку масла и воздуха, поступающих к поверхностям трения.

Один из конструкторских способов повышения износостойкости узлов трения - применение герметизирующих устройств. Герметизирующее устройство (ГУ) - совокупность деталей, образующих конструкцию, предназначенную для герметизации узла трения (предотвращения утечки смазки и защиты от проникновения извне абразивных частиц).

Герметизирующие устройства делятся на подвижные и неподвижные, контактные и бесконтактные: манжеты, торцевые уплотнения, поршневые кольца, набивочные (сальниковые) уплотнения, лабиринтовые уплотнения, прокладочные герметизаторы различных типов и др.

На работоспособность любого ГУ оказывают влияние многочисленные и разнообразные по своей природе факторы, которые часто взаимосвязаны между собой.

Так, на работоспособность герметизирующих устройств влияют:

режим работы (ресурс, температура, нагрузка, скорость скольжения, условия хранения и транспортировки, наличие вибраций конструкции, пульсаций рабочих параметров и др.);

свойства герметизируемой среды;

свойства материалов сопряженных деталей и их покрытий;

технология изготовления и сборки уплотнений (способ и характер обработки поверхностей, точность изготовления и т.д.).



23. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Технологические способы повышения долговечности трущихся деталей приведены на рисунке 15.

Рисунок 15 - Технологические способы улучшения условий трения

Пластическое деформирование, термическая, химико-термическая и химическая обработка поверхностей, гальванического покрытия, металлизация напылением, наплавка, электроупрочнение и т.д. относятся к технологическим способам улучшения условий трения

23.1 Обработка резанием

При обработке резанием обеспечивается требуемая шероховатость поверхности, на 20.30 % увеличивается твердость обработанной поверхности за счет образования упрочненного слоя глубиной 0,05.0,5 мм, в поверхностном слое - остаточные напряжения сжатия 3.7 МПа положительно влияют на износ.

На величину шероховатости влияют следующие технологические показатели процесса резания:

Скорость резания - чем больше, тем больше шероховатость и далее снижается, увеличивается толщина наклонного слоя, но при больших скоростях - разупрочнение (200.600 н/мин), снижение наклона.

Подача - с увеличением подачи увеличивается глубина наклепа, увеличивается шероховатость.

Глубина резания - мало влияет.

23.2 Пластическое деформирование

Технологические особенности поверхностного пластического деформирования различными методами приведены в таблице 2.

Таблица 2



23.3 Термическая и химико-термическая обработка

Из возможных видов химико-термической обработки поверхности наиболее распространены следующие:

Цементация - насыщение углерода поверхностного слоя малоуглеродистых (до 0,3%С) сталей. Поверхность твердая, сердцевина мягкая, tслоя = 0,2 .0,3м, скорость 0,08.0,1 мм/час. При этом всегда применяется закалка, газы с содержанием СО2, С. Жидкость SiC, NaCN = 9000С.

Азотирование - насыщение азотом стали и титана. Температура процесса Та - 520-5600, используются нитриды азота, скорость насыщения 0,01 мм/час, для завершения процесса надо 60.70 часов, образуется слой толщиной 0,6.0,7 мм. Твердость HRС = 56 .58, износостойкость увеличивается в 8.20 раз.

Цианирование - одновременно используются азот и углерод (530.6500С - низкотемпературное, 800.9300С - высокотемпературное).

В качестве термообработки применяется поверхностная закалка:

а) пламенная ПЗ - нагрев шлаком, газом и кислородом, керосин-кислород. Охлаждение - вода, эмульсия, воздух;

б) поверхностная закалка с контактным нагревом тока от понижающего трансформатора (сварочного). В контакте - тепло, охлаждение водой, эмульсией (25.600°С). Есть незакаленный слой 0,05.0,2 мм, удаляется шлифованием (рельсы, колеса, шейки валов и т.д.);

в) ТВЧ-закалка - индуктор с охлаждением. ТВЧ-ТПЧ;

г) закалка с нагревом в электролите (раствор кальцинированной соды подключают к «+», а деталь - к «-»): деталь быстро нагревается - стержни клапанов, штифты, торцы винтов.

К химическим видам обработки поверхности относятся:

Химическое никелирование - покрытие поверхности сплавом никеля и фосфора, выделение металлов из водных растворов из солей с помощью химических препаратов - восстановителей. Подвергают сталь, чугун, бронзы, алюминий и его сплавы. Температура ванны до 950С. При нагреве до 3000С образуется соединение Ni3P - защитное (д = 0,1 мм). Термостойкое (до 600 0С).

Оксидирование - образуется искусственная оксидная пленка Fe3O4, толщина до 3 мкм - предупреждает заедание. Ведется в ваннах щелочных и кислых при t раствора 138....165 0С.

Фосфатирование - образование пленки нерастворимых фосфатных солей (в ванне до 900С) либо в струе. Пленка имеет толщину 2.50 мкм, жаростойка до 6000С, хороша для приработки.

Сульфидирование - обогащение слоев стальных изделий серой. Ведут в жидкой, твердой или газообразной среде при tра от 1500С до 9500С, образуется FeS и FeS2. Глубина слоя до 0,04 мм. Ускоряется приработка, активизируется действие смазки, шероховатости доводятся до Rа= 0,32...0,04 мкм.

Обработка паром - при t = 800...600°С, давление 0,1 МПа с выдержкой 1-2 часа - инструмент из быстрорежущей стали. Образуется окисная пленка, увеличивается износостойкость, проявляется эффект приработки.

23.4 Покрытие поверхностей трения. Гальванические покрытия

Электролитическое хромирование. Хром обладает высокой твердостью, прочностью, химической стойкостью. В ваннах с электролитом осаждается на поверхность деталей, твердость покрытия меняется (НВ 450.1000) за счет изменения плавкости тока и температуры электролита. Хром мало изнашивается сам, почти не изнашивает сопряженную с ним стальную или чугунную поверхность. Покрытие гладкое или пористое.

Электролитическое никелирование. Применяется для повышения износостойкости, восстановления размеров изношенных деталей (до 1,25 мм.). При трении без смазки износостойкость никелевого покрытия в 2.3 раза выше, чем у закаленной стали, на 10.20 % ниже, чем хромированной поверхности.

Железнение. Процесс электролитического осаждения железа из водных растворов его закисных солей. Железо осаждают на катоде (-), анодом (+) служат прутки малоуглеродистой стали. Пленка железа характеризуется высокой чистотой, коррозионная стойкость высокая. Покрытие можно цементировать или хромировать (если нужна твердость).

Серебрение. Для электропроводности и антикоррозии. Слабо сцепляется с основой.

Электролитическое родирование. Используется для покрытия рабочих поверхностей коллекторов электрических машин - продлевает срок их службы, необходима притирка щеток к покрытию.

23.5 Наплавка и металлизация поверхностей

Наплавка применяется для ремонта, повышения твердости поверхностей, снижения расхода цветного металла. Наименьшая толщина наклонного слоя - 0,25 мм, наибольшая - не ограничена. Опасность - появление трещин. Во избежание образования трещин применяют предварительный нагрев и сохранение постоянной температуры в процессе наплавки: чем выше склонность к трещинооб- разности, тем выше температура подогрева. По окончании процесса необходимо плавное охлаждение (10.30°С в сек.). Наплавленный металл имеет структуру литого металла и упрочняется накатыванием.

Металлизация напылением заключается в расплавлении металла и распылении его струей сжатого газа (воздуха) на предварительно подготовленную поверхность детали. Расплавляют проволоку стали, меди, цинка, свинца, бронзы, латуни, алюминия, кадмия, порошковые материалы. Различают газовую, электрическую и плазменную металлизацию (способ плавления). Частицы при ударе деформируются и вклиниваются в неровности поверхности. Пористость покрытия до 10% , слой имеет усадку при толщине слоя более 1,5 мм. Возможно отслаивание слоя; подогрев детали до 1500С снижает вероятность отслаивания. Повышение сцепления - металлизация в защитной среде, металлизация одновременно двумя и более металлами - псевдосплавами (например, свинцово-алюминиевым сплавом в соотношении 1:1) - хорошо прирабатывается.



24. ФИНИШНАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ БЕЗАБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА (ФАБО) ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Финишная обработка поверхности влияет на износостойкость деталей.

Пара - поршень цилиндрический и поверхность цилиндра - хонингуется. Износ цилиндров в начальный период их работы (10.12 часов) составляет 5.15% от износа при обработке всего ресурса.

ФАБО повысила износостойкость цилиндров двигателей в 1,3 раза (авторы ФАБО - Гаркунов и Лазовский) - абразив остается при обычных способах доводки поверхностей.

Сущность ФАБО - покрытие поверхности трения тонким слоем меди, латуни, бронзы. Обрабатываемую поверхность обезжиривают. Покрывают раствором (глицерин или смесь 2 частей глицерина и 1 части 10%-ного раствора соляной кислоты), который в процессе трения разрыхляет оксидную пленку на поверхности стальной детали, создает условия для схватывания медного сплава со сталью. Поверхность натирают прутками меди, латуни, бронзы с помощью приспособления на станках.

Толщина слоя латуни на стали 2.3 мкм, бронзы и меди - 1.2 мкм. Шероховатость при ФАБО уменьшается, шероховатость Rа = 0,63.0,08 мкм не меняется. Шероховатость перед ФАБО не ниже Rа= 2,5 мкм.

ФАБО - простая операция, коэффициент трения снижается в 1,5 раза. Износостойкость повышается в 2-3 раза. Эффективный способ борьбы с фреттинг-коррозией.



25. ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИЯ

25.1 Особенности фреттинг-коррозии

Фреттинг-коррозия (от английского слова fret - разъедать, подтачивать) - коррозионно-механическое изнашивание поверхностей трения при малых колебательных относительных перемещениях.

Фреттинг-коррозия имеет следующие отличия от обычного изнашивания поверхностей трения:

скорости относительных перемещений контактирующих поверхностей довольно низки (так, при амплитуде скольжения 0,025 мм и частоте колебаний 30 Гц средняя скорость скольжения 3 мм/с);

продуктами износа являются в основном окислы металлов;

повреждения поверхностей трения сильно локализованы на площадках фактического контакта;

вследствие малой амплитуды смещений удаление продуктов износа из зоны трения затруднено.

Необходимое условие возникновения фреттинг-коррозии - наличие проскальзывания между сопряженными поверхностями. Фреттинг-коррозия наблюдается при различных прессовых посадках, в шлицевых, шпоночных, болтовых и заклепочных соединениях, в канатах, муфтовых соединениях, в контактных поверхностях рессор и пружин, предохранительных клапанах и регуляторах, в кулачковых и шарнирных механизмах и т.д.

Повреждения от фреттинг-коррозии проявляются в виде натиров, налипаний металла, вырывов и раковин, часто заполненных порошкообразными продуктами износа. На поверхностях возникают схватывание, микрорезание или усталостное разрушение микрообъемов, сопровождающиеся окислением и коррозией (усталостно-коррозионные процессы). Обычно ведущим является один из перечисленных процессов разрушения поверхности, а остальные - сопутст- вующимциззультате фреттинг-коррозии у детали изменяются конструктивные размеры, нарушаются зазоры, ослабляются натяги, возникает заедание и заклинивание (что особенно опасно в случаях, когда контактирующие детали при работе должны время от времени разъединяться, например, в предохранительных клапанах и регуляторах), значительно ухудшается качество поверхности - повышается шероховатость, появляются микротрещины, значительно снижается усталостная прочность деталей.

25.2 Факторы, влияющие на развитие фреттинг-коррозии

Амплитуда относительного скольжения. Для начала процесса фреттинг-коррозии достаточна очень малая амплитуда относительного перемещения поверхностей (8-10"7 мм), при которой частицы продуктов износа начинают перекатываться между поверхностями трения. Это затрудняет схватывание поверхностей и снижает интенсивность изнашивания. С увеличением амплитуды интенсивность изнашивания возрастает. Например, для стали износ особенно возрастает при амплитуде 0,10.0,15 мм, когда начинают существенно проявляться процессы схватывания (рис. 16).

Рисунок 16 - Зависимость объемного износа Uv от амплитуды скольжения at низкоуглеродной стали по дюралюминию при нагрузке F = 190 Н и числе циклов Nц = 106



Удельная нагрузка. Оценить влияние нагрузки на развитие фреттинг-коррозии довольно сложно, поскольку в процессе работы сопряжения фактическое давление не остается постоянным, что связано с изменением исходного микрорельефа поверхностей и образованием прослойки из продуктов износа. Зависимость интенсивности изнашивания при фреттинг-коррозии от удельной нагрузки изображена на рис.17.

Рисунок 17 - Характер зависимости интенсивности изнашивания от удельного давления при фреттинг-коррозии: 1 - высокая жесткость контакта; 2 - малая жесткость контакта

Обычно интенсивность изнашивания растет с увеличением удельного давления (кривая 1). Зависимость иного типа (кривая 2) наблюдается при недостаточной жесткости контакта, когда с увеличением нагрузки уменьшается амплитуда относительного перемещения. Кроме того, с повышением нагрузки происходит перераспределение роли основных процессов, типичных для фреттинг-коррозии. При нагрузках, соответствующих восходящей ветви кривой 2, на поверхностях контакта протекают наиболее типичные для фреттинг-коррозии усталостно- коррозионные процессы, чему способствует относительно легкое поступление кислорода в зону трения. Уменьшение износа при нагрузках выше критических (нисходящая ветвь кривой 2) может быть вызвано снижением интенсивности усталостно-коррозионных процессов и интенсификацией процессов схватывания и взаимного переноса металла. Несмотря на то, что при этом общий износ уменьшается, глубина локальных повреждений увеличивается.

Частота колебаний. Обычно с повышением частоты колебаний интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии убывает до определенного значения, а затем намечается тенденция к ее стабилизации (рис.18). Объясняется это снижением усталостной долговечности металлов с уменьшением частоты нагружения.

Рисунок 18 - Влияние частоты колебаний на износ стали 15

Число циклов нагружения. С увеличением числа циклов нагружения (продолжительности испытания) износ при фреттинг-коррозии возрастает по следующему закону. Вначале (период приработки) скорость изнашивания велика, а затем она уменьшается (становится близкой к постоянной, износ изменяется линейно). Если при фреттинг-коррозии продукты износа очень твердые (например, для алюминия и его сплавов), то износ с самого начала возрастает линейно, что свидетельствует о чисто абразивном изнашивании (микрорезании).

Внешняя среда. Интенсивность фреттинг-коррозии зависит от коррозионной активности внешней среды. В кислородной среде все металлы повреждаются фреттинг-коррозией интенсивнее, чем на воздухе. Износ же на воздухе больше, чем в вакууме, азоте, водороде. В жидких средах (воде, растворе КаОН и др.) износ в несколько раз меньше, чем на воздухе. Это объясняется следующими причинами: образование защитных окисных пленок на поверхностях трения в жидкой среде происходит с большей скоростью; в жидкости продукты износа имеют меньшую твердость, а также частично вымываются из зоны контакта, что снижает интенсивность абразивного изнашивания. С увеличением влажности воздуха интенсивность фреттинг-коррозии по тем же причинам снижается.

Смазка. Для уменьшения фреттинг-коррозии применяют жидкие, консистентные и твердые смазочные материалы.

Температура поверхностей трения. При фреттинг-коррозии в результате вибрационного контактного взаимодействия в точках фактического контакта возникают высокие мгновенные температуры (до 700...800°С), могут повыситься и средние значения температур на поверхностях трения. Эти тепловые явления существенно меняют структуру поверхностного слоя и активизируют процессы схватывания. Установлено, что износ сталей при фреттинг-коррозии с увеличением температуры окружающей среды от +50°С до +150°С практически не меняется, а с ее уменьшением (до минус 1400С) - возрастает.

25.3 Фреттингостойкость различных материалов и методы защиты от коррозии

Приведем некоторые фреттингостойкие сочетания материалов пар трения:

чугун по чугуну со смазкой дисульфидом молибдена;

чугун по нержавеющей стали со смазкой дисульфидом молибдена;

закаленная инструментальная сталь по инструментальной стали;

опескоструенная сталь со свинцовым покрытием по стали;

сталь по стали с нейлоновой прокладкой толщиной 1,6 мм;

свинец по стали;

сталь с фосфатным покрытием по стали;

серебряное покрытие по стали;

серебряное покрытие по алюминию.

Очень низкой фреттингостойкостыо обладает алюминий и его сплавы в паре трения практически с любым материалом - никелем, хромом, магнием, цинком.

Защита от фреттинг-коррозии, конструктивно-технологические методы защиты от фреттинг-коррозии:

увеличение натяга в случае прессовых посадок;

создание дополнительных демпфирующих устройств для гашения вибрации в соединениях;

улучшение системы подвода смазки;

снижение концентрации напряжений;

повышение точности изготовления, уменьшение искажений геометрической формы поверхностей;

применение сферических посадочных поверхностей вместо цилиндрических;

замена подшипников скольжения подшипниками качения;

плотная пригонка шпонок;

упрочнение контактирующих поверхностей (химическая и химико- термическая обработка, пластическое деформирование).

Методы защиты от процессов изнашивания:

применение материалов и их сочетаний, устойчивых к фреттинг-коррозии;

применение жидких, пластичных и твердых смазочных материалов;

механическое, термическое и химико-термическое упрочнение поверхностей;

гальваническое покрытие поверхностей;

нанесение на поверхности полимерных пленок и покрытий;

введение анодных ингибиторов в коррозионную среду для снижения ее активности.



26. СМАЗЫВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

26.1 Виды смазки

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

По мере развития науки и техники нефтяные масла совершенствовались; затем появились синтетические смазочные материалы, твердые и, наконец, самосмазывающиеся материалы.

В настоящее время в зависимости от физического состояния смазочного материала различают газовую, жидкостную и твердую смазку (рис.19).

Рисунок 19 - Виды смазки и смазочных материалов

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

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

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

Граничная смазка - смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.

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

26.2 Механизм смазочного действия при граничной смазке

Механизм действия граничной смазки достаточно сложен, так как при малой толщине слоя смазочный материал теряет свои объемные свойства, в частности, подвижность, под влиянием молекулярного поля твердого тела. Кроме того, смазочный материал, вступая в физическое и химическое взаимодействие с поверхностями трения, резко изменяет свойства этих поверхностей.

Согласно молекулярно-механической теории трения эффективность смазочного действия обусловлена двумя явлениями: во-первых, смазка понижает силы адгезионного взаимодействия поверхностей трения (уменьшает молекулярную составляющую коэффициента трения fм); во-вторых, снижает сопротивление упругому или пластическому оттеснению (уменьшает механическую составляющую коэффициента трения fд). С точки зрения фрикционных связей применение смазочного материала способствует сохранению условий внешнего трения, созданию

положительного градиента механических свойств , так как прочность пленяйки (смазочного слоя) меньше прочности основного материала. Смазочная пленка уменьшает фрикционные параметры, от которых зависит величина касательных напряжений, возникающих в результате межмолекулярного взаимодействия.

26.3 Присадки к смазочным материалам

Присадкой называют вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или изменения существующих. Применяют в основном три вида присадок: антифрикционные, противоизносные и противозадирные (рис.20).

Рисунок 20 - Виды присадок к смазочным материалам

26.4 Жидкие смазочные материалы

Жидкие смазочные материалы, широко используемые в современных машинах, условно делятся на три группы: моторные, автотракторные трансмиссионные масла и масла для промышленного оборудования (индустриальные).

Моторные смазочные масла применяются для смазки поршневых двигателей внутреннего сгорания. Эти смазочные материалы состоят из основы базового масла, а также присадок, улучшающих природные свойства базового масла или придающих ему необходимые 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. Эффективные меры борьбы против заедания - добавление противозадирных присадок к маслам.

Назначение масел для промышленного оборудования (индустриальных масел) - способствовать снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания в трущихся узлах станков, прессов, прокатных станов и другого промышленного оборудования. Одновременно индустриальные масла должны отводить тепло от узлов трения, защищать детали от коррозии, очищать трущиеся поверхности от загрязнения, не допускать образования пены при контакте 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.



26.5 Пластичные (консистентные) смазочные материалы

Эти смазочные материалы представляют собой полутвердый или твердый продукт, состоящий из смеси минерального и синтетического масла, загустителя (твердые углеводороды, различные соли жирных кислот и др.), присадок и наполнителей (графит, дисульфид молибдена и др.).

Основные достоинства пластичных смазочных материалов:

способность удерживаться в негерметичных узлах трения;

работоспособность в широких температурных и скоростных диапазонах;

хорошая смазывающая способность;

работоспособность в контакте с водой и другими агрессивными средами;

большая экономичность применения.

Недостатки пластичных смазочных материалов;

плохая охлаждающая способность;

склонность к окислению;

сложность подачи к узлу трения.

26.6 Твердые смазочные материалы

Твердые смазочные материалы - это материалы, которые 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 состав одного или двух элементов пары трения или вноситься в виде порошка.

Основные типы твердых смазочных материалов: графит, дисульфид молибдена (MoS2), дисульфид вольфрама (WS2) и некоторые другие (MoSe2, WSe2, NbSe2, PbJ2, BN, MoT2). Графит при трении по твердой поверхности служит хорошим смазочным материалом для деталей, работающих на воздухе.

26.7 Самосмазывающиеся материалы

Чтобы обеспечить малый коэффициент трения и малую интенсивность изнашивания согласно молекулярно-механической теории трения, необходимо создать положительный градиент механических свойств, при котором прочность возникающих в зоне трения молекулярных связей должна быть меньше прочности нижележащих слоев трущихся деталей. Иными словами, прочность пленок, покрывающих поверхности раздела 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 прочность 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 обеспечивает положительный градиент механической прочности за счет архивного наполнителя или выдавливания смазочного материала, либо смолы с твердым смазочным материалом. С ростом температуры в зоне трения все эти явления усиливаются.

К технологическим достоинствам самосмазывающихся полимерных материалов относятся:

практически неограниченные запасы сырья;

меньшие капиталовложения в производство, чем для производства металла;

возможность изготовления деталей высокопроизводительными 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 эксплуатации заключаются в следующем:

упрощение конструкции узлов трения, поскольку отпадает необходимость в сложных системах смазывания;

снижение трудоемкости обслуживания (отпадает необходимость в периодической профилактической смазке, замене или доливке смазочного материала);

обеспечение надежной смазки в условиях хранения;

более широкий, чем у жидких смазочных материалов, диапазон рабочих температур.

К недостаткам самосмазывающихся полимерных материалов относятся:

более высокий, чем при гидродинамической смазке, коэффициент трения; он примерно равен коэффициенту трения при граничной 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 определяется условиями работы (режимом трения, несущей способностью, средой эксплуатации), технологичностью получения материала и экономической целесообразностью его использования.

В условиях вакуума, в которых самосмазывающиеся полимерные материалы имеют большую скорость газовыделения, применяют металлокерамические материалы или материалы с рабочим слоем твердого смазочного материала.

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

Существует особый класс теплостойких самосмазывающихся материалов, предназначенных для работы в вакууме, на поверхности трения которых создается рабочий слой твердого смазочного материала.

...