Випробування на знос деталей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

І.Шляхи підвищення зносостійкості

Молекулярно-механічна теорія визначає два основних шляхи підвищення зносостійкості матеріалу:

1) підвищення твердості поверхні, що треться;

2) зниження міцності адгезійного зв'язку.

Підвищення твердості направлено на те, щоб ускладнити пластичну

деформацію та виключити мікрорізання поверхонь тертя, таким чином забезпечується, по можливості, пружне деформування ділянок контакту. Зниження міцності адгезійного зв'язку необхідно для попередження схоплювання металевих поверхонь. Нійбільш ефективно ця ціль досягається розділенням поверхонь тертя рідким, твердим змащувальним матеріалом. При використанні рідкого змащувального матеріалу, коли поверхні деталей розділені несучим гідродинамічним шаром, коефіцієнт тертя мінімальний (0,005-0,01), а знос практично відсутній.

Тверде змащення забезпечує більш високий коефіцієнт тертя (0,02-0,15).

Воно незамінне для вузлів тертя, які здатні працювати у вакуумі, при високих температурах та інших екстремальних умовах. Із твердих змащувальних матеріалів найбільш широко застосовують графіт та дисульфід молібдену (МоБ), які мають шарувату будову.

Використання змащувальних матеріалів, однак, не гарантує від схоплювання.

Тверді змащувальні матеріали поступово зношуються. Умови рідкого змащування порушуються із-за несприятливих режимів роботи механізмів.

До них відносяться періоди припрацювання, а також пуску та зупинок машин. У цих випадках виникає граничне тертя, при якому поверхні розділені лише тонкою масляною плівкою. Контактні напруження та нагрів здатні руйнувати цю плівку та викликати схоплювання. В цих умовах вирішальне значення набуває забезпечення сумісності пари, що треться. Під сумісництвом розуміють властивість матеріалів запобігати схоплюванню при роботі без змащувального матеріалу або в умовах порушення суцільності масляного шару.

Сумісність досягається декількома способами:

1) Використанням захисних властивостей окисних плівок. Захисні властивості окисних плівок залежать від їх складу, товщини, а також від властивостей металевої підкладки, яка збільшується з ростом її твердості.

Якщо окисел твердий та міцний, а метал, що знаходиться знизу, мякий, то плівка легко руйнується, і схоплювання розвивається при малих навантаженнях.

Прикладом цьому може бути алюміній, свинець (рис.1) та більшість

пластичних металів, в тому числі і титан. Аномально високі коефіцієнт тертя та знос титану обумовлені не тільки руйнуванням плівки, але і її здатністю

розчинятися в металі. Якщо титан піддати азотуванню, то окисна плівка формується на твердій основі, яка запобігає її розчиненню. Титан стає зносостійким.

Тонкі міцні плівки, які здатні деформуватися разом з металом при великих навантаженнях, утворюють хром, сталь, а також мідь, хоча допустиме навантаження () для неї та її сплавів менше, ніж у перших двох металів, (рис.1).

Рис.1. Вплив навантаження N на інтенсивність зношування І- різних матеріалів (контакт з однойменних матерілів): І - окислювальне зношування; II - схоплювання 1 роду



Стійкість до схоплювання загартованих сталей значно вище, ніж нормалізованих та відпалених. З цієї причини загартовані сталі і сталі, зміцнені хіміко-термічною обробкою - основний матеріал для однієї із спряжених деталей пари тертя. Стійкість до схоплювання таких сталей підвищують сульфідуванням та фосфатуванням. Після цих процесів формується плівка, яка в початковий період, легко руйнуючись, покращує припрацьовуваність та знижує коефіцієнт тертя, а у важких умовах тертя Здатна змінюватися, утворювати вторинні структури складного складу та підвищеної зносостійкості.

В умовах теплового схоплювання захисні властивості окисних плівок залежать від здатності підкладки зберігати високу твердість при нагріванні. В таких випадках слід застосовувати теплостійкі матеріали.

2) Підбором матеріалів пари тертя. Схоплювання особливо небезпечне для контакту з двох твердих матеріалів. У випадку руйнування захисних окисних плівок воно приводить до значного пошкодження обох поверхонь тертя. При сполученні твердого та м'якого матеріалів схоплювання проявляється в менш небезпечній формі.

Для сталей та чавунів в умовах тертя ковзання кращим матеріалом спряженої деталі є ті кольорові метали та сплави, які мають в структурі м'яку або легкоплавку складову, яка здатна проявляти захисну реакцію та попереджати пошкодження спряженої поверхні. При посиленні тертя така структурна складова допускає на окремих ділянках контакту легке пластичне течение або розм'якшення, в результаті чого знижуються тиск та температура і тим самим виключається схоплювання.

Сплави з м'якою структурною складовою застосовують для черв'ячних передач та підшипників ковзання. Для черв'ячних передач характерними є високі швидкості ковзання та несприятливі умови гідородинамічного мащення. Для попередження схоплювання черв'як виконують із сталі з високою твердістю поверхні (НRС 45-60), а черв'ячне колесо з олов'янистої бронзи, яка має в структурі м'яку складову.

М'якою структурною складовою в підшипникових сплавах можуть бути включення олова або свинцю. Ці метали схоплюються зі сталлю, але адгезій ні зв'язки руйнуються по менш міцним кольоровим металам, які тонким, (1-З мкм) шаром «намазуюються» на сталеву поверхню, не пошкоджуючи її. Тонка плівка м'якого металу не тільки зменшує силову дію в місцях контакту, але при важких умовах тертя із-за сильного розм'якшення може слугувати твердим змащувальним матеріалом або плавитися і на деякий час виконувати роль рідкого змащувального матеріалу. Завдяки таким властивостям олово, свинець, а також мідь використовують в якості тонкошарових покриттів однієї з поверхонь, що труться. їх створюють і в спряженнях сталь-сталь. сталь-чавун, додаючи в рідкий змащувальний матеріал, присадки у вигляді порошків цих металів або їх солей. При визначених умовах тертя присадки формують на сталевій поверхні плівку м'якого металу, яка захищає сталь від зносу.

3) Розділенням поверхні тертя плівками полімерів (фторопласта, поліаміда), які відрізняються низькою адгезією до металів. Крім того, під впливом теплоти тертя полімери здатні переходити в низькомолекулярний стан і утворювати плівку з низьким опором зсуву. В силу цих особливостей полімери мають низький коефіцієнт тертя, який слабо змінюється при використанні змащувального матеріалу.

Роботоздатність багатьох вузлів тертя залежить від швидкості розвитку поверхневого втомлсносного викришування (пітінгу).

Поверхневе викришування характерне для матеріалів, які використовуються у вузлах тертя кочення (зубчасті передачі, шарико- та роликопідшипники), які піддаються високим циклічним контактним навантаженням. Ці навантаження, що діють на малих ділянках поверхні, обумовлюють процеси зародження у при поверхневому шарі втомленосних тріщин, їх розвиток у глибину шару та відокремлення часток з утворенням ямок викришування.

Опір матеріалу поверхневому викришуванню називають: контактною витривалістю. Вона характеризується межею контактної витривалості он. яка, як і при об'ємній втомленості визначається експериментально.

Підвищення контактної витривалості, як і при об'ємній втомленості, засноване на збільшенні опору поверхневого шару деталей розвитку пластичної деформації.

Місця спряження деталей, які знаходяться в дуже малому відносному переміщенні, можуть піддаватися особливому виду зношування, який має назву фретинг процесом або фретинг-корозія. Цей вид зношування розвивається на поверхні валів в місцях насадки шестерень, підшипників кочення, а також у шліцьових, шпонкових та шарнірних з'єднаннях, у провушинах та на поверхні ресор. Пошкодження поверхні мають вид ямок або язв, які, як і пітінг, небезпечні тим, що суттєво знижують опір втомленості деталей.

Однак, єдиної теорії, яка б пояснювала механізм цього виду зношування, немає. Відповідно однієї теорії визначальною є механічна дія поверхонь, що контактують. Припускають, що вона викликає руйнування окисних плівок, частинки, яких не видаляються за межі контакту та діють як абразив. За іншою теорією ведучою є адгезійна взаємодія в сполученні з корозією. Внаслідок адгезії частинки металу спочатку відокремлюються віл поверхні, потім окислюються киснем середовища та перетворюються у абразив. Прихильники цієї теорії називають цей процес фретинг-корозією.

Основні методи захисту від цього виду зношування - підвищення твердості поверхонь, що контактують (цементуванням, азотуванням), застосування змащувальних матеріалів, лаку, плів очних покриттів з полімерів, які ускладнюють металевий контакт поверхонь тертя та доступ до нього кисню.



II. Зносостійкі матеріали

В залежності віл механічних та фрикційних властивостей зносостійкі матеріали поділяють на три групи: 1) матеріали з високою поверхневою твердістю; 2) антифрикційні матеріали, які мають низький коефіцієнт тертя ковзання; 3) фрикційні матеріали, які мають високий коефіцієнт тертя ковзання.

Матеріали з високою твердістю поверхні.

Висока твердість поверхні - необхідна умова забезпечення зносостійкості - при багатьох видах зношування. При абразивному, окислювальному. втомленостному видах зношування найбільш зносостійкими с сталі та сплави з високою вихідною твердістю поверхні. При роботі в умовах великих тисків та ударів найбільшу роботоздатність. мають аустенітні сталі з низькою вихідною твердістю, але здатні із-за інтенсивного деформаційного зміцнення (наклеп) формувати високу твердість поверхні в умовах експлуатації.

Матеріали, які мають стійкість до абразивного зношування. Зносостійкість при абразивному зношуванні чистих металів (рис.2) пропорційна їх твердості: (є - відносна зносостійкість, яка визначається у порівнянні із зразком-еталоном. Ь - коефіцієнт пропорційності). В сплавах ця залежність може не дотримуватися.

При абразивному зношуванні ведучим с процеси багатократного деформування поверхні частинками, що ковзають по ній та мікрорізання.

Рис.2 Відносна зносостійкість металів з різною твердістю.



Ступінь розвитку цих процесів залежить від тиску і співвідношення твердості матеріалу та абразивних часток. Так як твердість останніх велика, то найбільшу зносостійкість мають матеріали, структура яких складається з твердої карбідної фази та високоміцної матриці, яка їх утримує. Таку структуру має велика група деталей та сплавів.

Карбідні сплави застосовують при більш важких умовах роботи у виді литих та наплавлюючих матеріалів. Для наплавки на поверхню деталей використовують прутки з цих сплавів, які нагрівають ацетиленокисневим полум'ям або електродугою. В промисловості використовують більше ста складних за хімічним складом литих матеріалів та для наплавлення. Вони представляють собою сплави з високим вмістом вуглецю (до 4%) та карбідоутворюючих елементів (Сr, W, Ті). В їх структурі може бути до 50% спеціальних карбідів, збільшення кількості яких супроводжується ростом зносостійкості.

Структуру матричної фази регулюють додаванням марганцю або нікелю. Вона може бути мартенситною, аустенітно-мартснситною або аустенітною.

Для деталей, які працюють без ударних навантажень, застосовують сплави з мартенситною структурою. До них відносяться сплави типу 25X38. 30Х23Г2С2Т. Деталі, які працюють при значних ударних навантаженнях. Виготовляють із сплавів з підвищеним вмістом марганцю з аустенітно- мартенситною (37Х7Г7С) або аустенітною (11ОГІ3.30Г34) матрицею.

Для деталей машин, що працюють при середніх умовах зношування, застосовують спечені тверді сплави, структура яких складається із спеціальних карбідів (WС. ТіС, ТаС), що зв'язані кобальтом, а також високо вуглецеві сталі (структура: мартснсиг-карбіди) типа Х12, ХІ2М, Р6М5 та інші. Ці матеріали відносяться до інструментальних. Низько- та середньовуглецеві сталі з різними видами поверхневого зміцнення та чавуни застосовують для більш легких умов зношування. Зокрема, для деталей, що працюють в умовах граничною змащування (гільзи циліндрів, колінчасті вали, поршневі кільця), де абразивне зношування сприяє іншим видам зношування, наприклад, окислювальному. Для збереження робото здатності вузлів тертя матеріал деталі повинен добре протистояти зтиранню частками, які є продуктами зношування або які потрапляють у змащу вальний матеріал ззовні. Цим вимогам задовольняють низько- та середньовуглеиеві сталі, зміцнені цементацією, азотуванням або поверхневим гартуванням з нагрівом СВЧ, в порядку зростання зносостійкості зміцнені поверхневі шари цих статей розташовуються в наступній послідовності: загартовані, цементовані, азотовані.

Матеріти стійкі до втомленотсного виду зношування. Ці матеріали призначені для таких виробів масового виробництва, як підшипники кочення та зубчасті колеса. Втомленостне викришування па їх робочих поверхнях визивають циклічні контактні напруги стискання. Вони утворюють в поверхневому шарі м'який напружений стан, який полегшує пластичне деформування поверхневого шару деталі і, як наслідок, розвиток в ньому процесів втомленості. У зв'язку з цим висока контактна витривалість може бути забезпечена лише при високій твердості поверхні. Висока твердість необхідна також і для утруднення стирання контактних поверхонь при їх проковзуванні.

Підшипникова сталь. Підшипники кочення працюють, як правило, при низьких динамічних навантаженнях, що дозволяє виготовляти їх з відносно крихких високо вуглецевих сталей після наскрізного гартування та низького відпуску. Для виїшовлення шариків, роликів та кілець підшипників застосовують недорогі технологічні хромисті сталі ШХ4. ШХ15, ШХ15ГС та ШХ20ГС, які містять приблизно 1% вуглецю. Сталь постачають після сфероідизуючого відпалу зі структурою дрібнозернистого перліту НВ 1790- 2170 та підвищеними вимогами до якості металу. В сталі строго регламентовані карбідна неоднорідність та забрудненість неметалевими включеннями, так як. виходячи на робочу поверхню, вони с концентраторами напруг та сприяють більш швидкому розвитку втомленосного викришування.

Для виготовлення високошвидкісних підшипників застосовують сталі після електрошлакового переплаву, які відрізняються найбільш високою однорідністю будови. Такі статі необхідні також для виготовлення високоточних підшипників для приладів, деталі яких потребують чистого полірування з тим, щоб забезпечити мінімальний коефіцієнт тертя. Це можливо лише при високій чистоті металу за металічними включеннями.

Сталь 111X4 характеризується обмеженою прогартованістю і призначена для роликових підшипників залізнодорожнього транспорту. При гартуванні її піддають наскрізному індукційному нагріву та охолодженню у йоді (Сіпни з такої сталі товщиною 14 мм загартовуються тільки з поверхні у шарі 2-3 мм і завдяки збереженню в'язкої серцевини можуть працювати при динамічних навантаженнях.

Деталі крупногарбаритних роликових підшипників діаметром 0,5-2 м (для прокатних станів, електричних генераторів) виготовляють із сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, їх піддають цементації на глибину 3-6 мм.

Для підшипників, які працюють в агресивних середовищах, застосовують корозійностійку хромисту сталь 95X18.

Сталі для зубчастих коліс. Основною експлуатаційною властивістю коліс, що змащуються, а також і підшипників кочення, с контактна витривалість. Вона визначає габарити зубчастої передачі та ресурс її роботи. Крім високої контактної витривалості від зубчастих коліс вимагається опір втомі при згині, зносостійкість профітів та торців зубів, стійкість до схоплювання. Найбільш повно цим вимогам задовольняють сталі, які мають твердий поверхневий шар. в'язку і достатньо міцну серцевину, що здатна протидіяти дії ударних навантажень. Поєднання твердої та в'язкої серцевини можна досягти хіміко-термічною обробкою або поверхневим гартуванням низько- та середньовуглецевих сталей.

Для зубчастих коліс, що працюють при високих контактних навантаженнях, застосовують леговані сталі для цементації (нітроцементаци). Вони мають найбільш високу межу контактної витривалості, величина якої визначається пропорційно твердості поверхні. Твердість цементованої поверхні при концентрації вуглецю 0,8-1,4% та структурі з високо вуглецевого мартенситу або його суміші з дисперсними карбідами, складає НЛС 58-63. Дуже висока твердість небажана із-за можливості крихкого руйнування цементованого шару. При постійній твердості поверхні контактна витривалість зростає із збільшенням товщини шару, шо зміцнюється та твердості серцевини.

Сильно навантажені зубчасті колеса діаметром 150-600 мм та більше виготовляють із хромонікелевих сталей 20ХНЗА, 12X2 Ж А, І8Х2Н4-МА. їх використовують у редукторах гелікоптерів, судів, літаків. Для дрібних та середніх коліс приладів, сільськогосподарських машин застосовують хромисті сталі 15Х. 15ХФ. 20ХР.

Після цементації та наступної термічної обробки зубчасті колеса мають значну деформацію. Для її усунення необхідно зубошліфування, що ускладнює технологію. В умовах масового виробництва (авто- та танкобудування) застосовують економно-леговані сталі 18ХГТ, 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХГР та інші. їх піддають нітроцементації, яку проводять при меншій температурі, ніж цементацію, поєднуючи з підстужуванням та безпосереднім гартуванням. Деформація зменшується, тому зубчасті колеса з таких сталей не шліфують.

В умовах серійного виробництва отримує застосування іонна нітроцементація, яка для хромонікелевих (12Х2Н4А, 12Х2Н4МА) та складнолегованих (20ХЗМВФА) сталей забезпечує в 2-3 рази більш високу контактну витривалість, ніж звичайна газова цементація та нітроцементація.

Азотування забезпечує високу твердість поверхні, але із-за невеликої товщини зміцненого шару можливі підшарові руйнування. Азотування доцільно використовувати для середньо навантажених зубчастих коліс складної конфігурації, шліфування яких ускладнене. Для коліс, що азотуються, застосовують сталі 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА та ін.

Поверхневому та об'ємному індукційному гартуванню з наступним низьким відпуском піддають зубчасті колеса малих та середніх розмірів із сталей з вмістом вуглецю 0,4-0,5%. Для контурного поверхневого гартування використовують сталі 40, 45, 50Г, 40Х, 40ХН та ін. Серцевина не загартовується і залишається в'язкою.

Для виготовлення зубчастих коліс автомобілів та верстатів на заміну легованих сталей для цементації, застосовують сталь пониженої прогартовуваності 58 (55ПП). Це якісна вуглецева сталь, яка містить 0,55- 0,63% С та мінімальну концентрацію домішок, що збільшують прогартовуваність. При глибинному індукційному нагріванні та інтенсивному охолодженні водою деталі з цієї сталі отримують тільки поверхневе гартування. Загартований шар, як і при цементації, має товщину 1,2 мм та високу твердість (НЛС 58-62) з плавним переходом до серцевини. Серцевина загартовується на тростит або сорбіт, має твердість НЛС 40-30 при достатній в'язкості.

Зубчасті колеса, які працюють при невисоких навантаженнях, виготовляють із сталей 40, 50, 40Х, 40ХН та ін. після нормалізації та покращення. Невисока твердість матеріалу (НВ < 3500) дозволяє нарізувати зуб'я після термічної обробки, що спрощує технологію виготовлення коліс.

Для хвильових передач та невеликих зубчастих коліс, які працюють при малих навантаженнях та швидкостях, застосовують неметалеві матеріали: текстоліт, деревошарові пластики, поліаміди, капрон, нейлон. їх використовують для приводу спідометрів та розподільчих валів автомобілів, текстильних та харчових машин. Перевага таких коліс - відсутність вібрацій та шуму, висока хімічна стійкість.

Матеріали стійкі до зношування в умовах великих тисків та ударних навантажень.

Тертя з високими тисками та ударними навантаженнями характерне для роботи траків гусеничних машин, хрестовин залізнодорожніх рейок, ковшів екскаваторів та інших деталей. їх виготовляють з високомарганцевистої аустенітної сталі 110Г13Л. висока зносостійкість цієї сталі обумовлена здатністю аустеніту до сильного деформаційного зміцнення (наклепу). Сталь погано оброблюється різанням, тому деталі отримують литтям або куванням. Зносостійкість сталі 110Г13Л максимальна, коли вона має однофазну структуру аустеніту. Таку структуру забезпечують гартуванням у воді від 1100°С. Після гартування сталь має низьку твердість (НВ 2000) та високу в'язкість. Якщо така сталь під час роботи піддається тільки абразивному зношуванню, то стає не зносостійкою. В умовах же ударної дії в поверхневому шарі сталі утворюється велика кількість дефектів кристалічної будови (дислокацій). В результаті твердість поверхні підвищується до НВ 6000, і сталь стає зносостійкою.

Зношування, яке пов'язано з ударними навантаженнями поверхні, спостерігається також при кавітації, яка виникає при роботі лопатей гідротурбін, циліндрів гідронасосів та інших деталей. Кавітаційне зношування утворюють струмені рідини в момент захлопування бульбашок газу або повітря. Багаточисельні мікроудари, що утворюються при цьому, визивають розвиток процесів втомленості, які посилюються під впливом корозії.

В якості кавітаційностійких застосовують сталі з нестабільною структурою аустеніту 08Х18Н10Т, 30Х10П0 та ін. При ударній дії аустеніт цих сталей піддається наклепу та частковому мартенситному перетворенню, на розвиток яких витрачається енергію удару. Зміцнення поверхні сталі в умовах експлуатації ускладнює утворення втомленосних тріщин

III. Антифрикційні матеріали

Антифрикційні матеріали призначені для виготовлення підшипників (опор) ковзання, які широко застосовуються в сучасних машинах та приладах із-за їх стійкості до вібрації, безшумності роботи, невеликих габаритів.

Основні службові властивості підшипникового матеріалу - антифрикційність та опір втомленості. Антифрикійність -- здатність матеріалу забезпечувати низький коефіцієнт тертя ковзання і тим самим низькі втрати на тертя та малу швидкість зношування спряженої деталі - сталевого або чавунного валу.

Антифрикційність забезпечується наступними властивостями підшипникового матеріалу: висока теплопровідність; добра змочуваність змащувальним матеріалом; здатність утворювати на поверхні захисні плівки м'якого металу; добра припрацьовуваність, що заснована на здатності матеріалу при терті легко пластично деформуватися та збільшувати площу фактичного контакту, що приводить до зниження місцевого тиску та температури на поверхні підшипника.

Критеріями для оцінки підшипникового матеріалу є коефіцієнт тертя та допустимі навантажувально-швидкісні характеристики: тиск Р, що діє на опору; швидкість ковзання V; параметр ру, який визначає питому потужність тертя. Допустиме значення параметра ру тим більше, чим вище здатність матеріалу знижувати температуру нагріву та навантаженість контакту, зберігати граничне мащення.

Для підшипників ковзання використовують металеві матеріали, неметали, комбіновані матеріали і мінерали. Вибір матеріалу залежить від режиму мащення та умов роботи опор ковзання.

Металеві матеріали. Вони призначені для роботи в режимі рідкого тертя, що поєднується в реальних умовах експлуатації з режимом граничного мащення. Із-за перегріву можливе руйнування граничної масляної плівки. Поведінка матеріалу в цей період роботи залежить від його опору схоплюванню. Найбільший опір у сплавів, що мають в структурі м'яку складову.

Металеві матеріали за своєю структурою поділяють на два типи сплавів:

- сплави з м'якою матрицею та твердими включеннями;

- сплави з твердою матрицею та м'якими включеннями.

До сплавів першого типу відносять бабіти та сплави на основі міді: бронзи та латуні. М'яка матриця в них забезпечує не тільки захисну реакцію підшипникового матеріалу на посилення тертя та добру припрацьовуваність, але і особливий мікрорельєф поверхні, який покращує постачання змащувальним матеріалом ділянок тертя і тепловідвід з них. Тверді включення, на які опирається вал, забезпечують високу зносостійкість.

Бабіти - м'які (НВ 300) антифрикційні сплави на олов'яній або свинцевій основі. До сплавів на олов'яній основі відносять бабіти Б83 та Б88, на свинцевій - Біб, БС6, БН. Особливу групу утворюють більш дешеві свинцево-кальцієві бабіти: БКА та БК2.

За антифрикційними властивостями бабіти перевершують всі інші сплави, але значно поступаються їм за опором втомленості. У зв'язку з цим бабіти застосовують тільки для тонкого (менше 1 мм) покриття робочої поверхні опори ковзання. Найкращими властивостями володіють олов'янисті бабіти, у яких рv=500-700 Пам/с. Із-за високого вмісту дорогого олова їх використовують для підшипників відповідального призначення (дизелів, парових турбін і т.п.), які працюють при високих швидкостях та навантаженнях. Структура цих сплавів складається з твердого розчину сурми в олові (м'яка фаза) та твердих включень (SnSЬ) та Cu3Sn.

Таблиця1.

Характеристики антифрикційних матеріалів
		Коефіцієнт тертя	Допустимий режим	роботи
Матеріал	НВ	без змащувального матеріалу	зі змащувальним матеріалом	р Па	V, м/с	pv, Пам/с
Бабіти:
Б83	300	0,07-0.12	0,004-0.006	150	50	750
Б1б	1000			150	20	100
БК2	320			150	15	60
Бронзи:
БрО10Ф1	1000	ОД-0,2	0,004-0,009	150	10	150
Бр05Ц5С5	600			80	3	120
БрС30	250			250	12	300
Латуні:
ЛЦ16К4	1000	0,15-0,24	0,009-0,016	120	2	100
ЛЦ38Мц2С2	800			106	1	100
Алюмінієвий сплав Ал09-2	310	0,1-0,15	0,008	250	20	1000
Антифрикційні сірі чавуни:
АЧС-1	2200	0,12-0,23	0,008	25	5	100
АЧС-3	1600		0,016	60	075	45
Пластмаси:
капрон	100	0,15-0,21	-	120	5	200
текстоліт	350	0,15-0,25	-	150	8	250
Комбіновані матеріали:
залізо-графіт	800	0,08-0,12	-	80	1	-
бронза-графіт	560	0,04-0,1	-	60	1	-
Метало фторопластова стрічка (МФПл)	-	0,03	-	-	-	1500

Бронзи відносять до найкращих антифрикційних матеріалів. Особливе місце серед них займають олов'янисті та олов'яно-цинково-свинцеві бронзи. До перших відносять бронзи БрО10Ф1, Бр10Ц2, до других БрО5Ц5С5. Бронзи застосовують для монолітних підшипників ковзання турбін, електродвигунів, компресорів, які працюють при значних тисках та середніх швидкостях ковзання.

В останній час бронзи широко використовують як компоненти порошкових антифрикційних матеріалів або тонкостінних пористих покриттів, що пропитуються твердими змащувальними матеріалами.

Латуні використовують в якості замінника брондз для опор тертя. Однак за антифрикційними властивостями вони поступаються бронзам. Двофазні латуні ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А застосовують при малих швидкостях ковзання (менш 2 м/с) та невисоких навантаженнях. їх часто застосовують для опор тертя приладів.

До сплавів другого типу відносяться свинцевиста бронза БРСЗО та алюмінієві сплави з оловом, наприклад, АО9-2. Функцію м'якої складової в цих сплавах виконують включення свинцю або олова. При граничному терті на поверхню валу переноситься тонка плівка цих м'яких легкоплавких металів, захищаючи шийку вала від пошкоджень. Антифрикційні властивості сплавів досить високі, особливо у алюмінієвих сплавів. Із-за доброї теплопровідності граничний шар змащувального матеріалу на цих сплавах зберігається при високих швидкостях ковзання та високому тиску. Алюмінієвий сплав АО9-2 застосовують для відливок монометалевих вкладишів, бронзу - для наплавлення на сталеву стрічку.

До сплавів другого типу відносять також сірі чавуни, роль м'якої складової в яких виконують включення графіту. Для роботи при значних тисках та малих швидкостях ковзання використовують сірі чавуни СЧ15, СЧ20 та леговані антифрикційні чавуни: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧВ-1. АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2. З метою зменшення зносу спряженої деталі марку чавуну вибирають так, щоб його твердість була нижче твердості сталевої цапфи.

Перевага чавунів - невисока вартість; недолік - незначна припрацьовуваність, чутливість недостатності змащувального матеріалу та знижена стійкість до дії ударних навантажень.

Найбільш розповсюдженими є багатошарові підшипники, до складу яких входить багато різних сплавів. Сплави або чисті метали в них викладені

шарами.

Рис.З Схема будови чотирьохшарового металевого підшипника ковзання: 1 -- сплав свинцю та олова; 2 - нікель; 3 -- свинцевиста бронза; 4

сталь

Підшипник складається із сталевої основи (рис.З) на якій знаходиться шар (250 мкм) свинцевистої бронзи (БрСЗО). Цей шар покритий тонким шаром (~ 10 мкм) нікелю або латуні. На нього нанесений шар сплаву РЬ-Sn товщиною 25 мкм. Сталева основа забезпечує міцність та жорсткість підшипнику; верхній м'який шар покращує припрацьовуваність. Коли він зношується, робочим шаром стає свинцевиста бронза. Шар бронзи, що має невисоку твердість, також забезпечує добре прилягання шийки валу, високу теплопровідність та опір втомленості. Шар нікелю є бар'єром, який не допускає дифузії олова з верхнього шару в свинець бронзи.

Неметалеві матеріали. Для виготовлення підшипників ковзання застосовують пластмаси - термореактивні та термопластичні (полімери). Із термореактивних пластмас використовують текстоліт. Із нього виготовляють підшипники прокатних станів, гідравлічних машин. Такі підшипники допускають важкі режими роботи, змащуються водою, яка добре їх охолоджує та розм'якшує поверхневий шар.

Із полімерів найбільш широко застосовують поліаміди: ПС 1, анід, капрон і особливо фторопласт (Ф4, Ф40). Перевагою полімерів є низький коефіцієнт тертя, висока зносостійкість та корозійна стійкість. Виключно високими антифрикційними властивостями володіє фторопласт, коефіцієнт тертя якого без змащувального матеріалу по сталі складає 0,04-0,06. Однак фторопласт тече під навантаженням і, як всі полімери, погано відводить теплоту. Він може застосовуватися лише при визначених навантаженнях та швидкостях. Високі антифрикційні властивості фторопласту реалізують комбінації з іншими матеріалами, використовуючи його у вигляді тонких плівок або як наповнювач.

Комбіновані матеріали. Такі матеріали складаються з декількох металів та неметалів, що мають позитивні властивості для роботи підшипника, розглянемо підшипники двох типів.

Самозмащувальні підшипники отримують методом порошкової металургії із матеріалів різної комбінації: залізо-графіт, залізо-мідь (2-3%)- графіт або бронза-графіт. Графіт вводять в кількості 1-4%. Після спікання в матеріалі зберігають 15-35% пор, які потім заповнюють мастилом. Мастило та графіт змащують поверхні тертя. При збільшенні тертя під впливом нагрівання пори розкриваються повніше, і змащувальний матеріал поступає сильніше. Тим самим здійснюється автоматичне регулювання подачі змащувального матеріалу (його запас знаходиться в спеціальній камері). Такі підшипники працюють при невеликих швидкостях ковзання (до 3 м/с), відсутності ударних навантажень і встановлюються у важкодоступних для мащення місцях.

Металофторопластові підшипники виготовляють із метало фторопластової стрічки (МФПл) у вигляді звернутих втулок методом точної штамповки. Стрічка складається з чотирьох шарів (рис.4). Перший шар (припрацювальний) виконано із фторопласта, наповненого дисульфідом молібдену (25% за масою).

Рис.4 Схема будови метало фторопластової стрічки: 1 - фторопласт із дисульфідом молібдену; 2 - бронза в шарі фторопласту; 3 - мідь; 4 - сталь

Товщина шару 0,01-0,05 мм. В тих випадках, коли допустима величина лінійного зносу досить велика, перший шар потовщують до 0,1-0,2 мм. Другий шар (0,3 мм), бронзо фторопластовий. Він представляє собою шар пористої бронзи БрОЮЦ2, який отримують спіканням частинок порошку сферичної форми. Пори в цьому шарі заповнені сумішшю фторопласту з 20% свинцю (або фторопласту з дисульфідом молібдену). Третій шар (0,1 мм) утворений міддю. Його призначення - забезпечити міцне охоплення бронзового пористого шару з четвертим шаром - сталевою основою. Товщина основи, яку виготовляють із сталі 08кп, складає 1-4 мм.

При роботі такого підшипника пористий каркас другого шару відводить теплоту та сприймає навантаження, а поверхневий шар виконує роль змащувального матеріалу, зменшуючи тертя. Якщо перший шар в окремих місцях зношується, то починається тертя сталі по бронзі, що супроводжується підвищенням коефіцієнта тертя та температури. При цьому фторопласт, що має більш високий температурний коефіцієнт лінійного розширення, ніж бронза, видавлюється із пор, знову утворюючи змащувальну плівку. При важких режимах тертя, коли температура нагрівання вище 327°С відбувається плавлення свинцю. Рідка фаза, що утворилася, знижує коефіцієнт тертя та тепловідведення. Металофторопластові підшипники мають високі антифрикційні властивості (в діапазоні температур -200+280°С; f = 0,03+0,1; pv = 1500-105 Пам/с). їх використовують у вузлах тертя, що працюють без змащувального матеріалу, хоча його введення має позитивний вплив. Вони можуть працювати у вакуумі, рідких середовищах, а також при наявності абразивних часток, які легко «втoплюються» у м'яку складову матеріалу. Такі підшипники застосовують в автомобілебудуванні, авіаційній та інших галузях промисловості.

Мінерали. Природні (агат), штучні (рубін, корунд) мінерали або їх замінники - ситали (скло, кристалічні матеріали) застосовують для мініатюрних підшипників ковзання - каменевих опорах. Каменеві опори використовую в прецизійних приладах - годинниках, гіроскопах, тахометрах і т.д. Головною перевагою таких опор є низький та стабільний момент тертя. Низьке тертя досягається малими розмірами опор, що зменшує плече дії сили тертя, а також низьким коефіцієнтом тертя внаслідок слабої адгезії мінералів до металу цапфи. Постійність моменту тертя обумовлена високою зносостійкістю мінералів, здатних із-за високої твердості витримувати великі контактні тиски.



IV. Фрикційні матеріали

Фрикційні матеріали застосовують у гальмівних пристроях та механізмах, що передають круглий момент. Вони працюють у важких умовах зношування при високих тисках (до 6 МПа), швидкостях ковзання (до 40 м/с) та температурі, до 1000°С. Для виконання своїх функцій фрикційні матеріали повинні мати високий та стабільний в широкому інтервалі температур коефіцієнт тертя, мінімальний знос, високі теплопровідність та теплостійкість, добру припрацьовуваність та достатню міцність. Цим вимогам задовольняють багатокомпонентні неметалеві та металеві спечені матеріали. їх виготовляють у вигляді пластин або накладок, які кріпляться до сталевих деталей, наприклад дискам тертя. Вибір матеріалу проводять за граничною поверхневою температурою нагрівання та максимальному тиску, який вони витримують. Неметалеві матеріали застосовують при легких (температура не вище 200°С, тиск не вище 0,8 МПа) середніх (температура не вище 400°С, тиск не вище 1,5 МПа) режимах тертя. З них переважно використовують азбофрикційні матеріали, що складаються із зв'язуючого (смоли, каучуку), наповнювача та спеціальних домішок. Основним наповнювачем є азбест, який надає матеріалу теплостійкість, підвищує коефіцієнт тертя та опір схоплюванню. До нього додають метали (мідь, алюміній, свинець, латунь) у вигляді стружки або дроту для підвищення теплопровідності; графіт для утруднення схоплювання; окисли або солі металів (окисел цинку, барит ВаS04) для підвищення коефіцієнта тертя.

З азбофрикційних матеріалів найбільшою робото здатністю володіє гетинакс (ФК-24А та ФК-16Л), який містить 25% фенолформальдегідної смоли, 40% азбесту, 35% бариту, рублену латунь та пластифікатор. У парі зі сталлю гетинакс забезпечує коефіцієнт тертя 0,37-0,40. Його використовують у гальмівних механізмах літаків, автомобілів та інших машин.

Недоліком неметалевих матеріалів є невисока теплопровідність, із-за чого можливі перегріви та руйнування матеріалу. Металеві спечені матеріали застосовують при важких режимах тертя (температура не вище 1200°С, тиск не вище 6 МПа). їх виготовляють на основі заліза (ФМК-8 та ФМК-11) та міді (МК-5). зносостійкість матеріал підшипник

Крім основи та металевих компонентів (свинець, олово, нікель та ін.), що забезпечують міцність, добру теплопровідність та зносостійкість, ці матеріали містять неметалеві домішки - азбест, графіт, окисел кремнію, барит. Вони виконують ту ж функцію, що і в азбофрикційних матеріалах.

Матеріали на основі заліза із-за високої теплостійкості використовують у вузлах тертя без змащувального матеріалу, а на основі міді - при мащенні

мастилом.

V. Розрахункова частина

Послідовність виконання

1. Визначаємо питому кінетичну енергію при гальмуванні автомобіля та еквівалентну кінетичну енергію на стенді.

а) Кінетична енергія гальмування по обороту на одне колесо визначається за формулою:

, мм.

де - швидкість руху автомобіля,

G - зусилля на одне колесо, Н;



б) Повна енергія гальмування () визначається за формулою:

,

де - площина гальмівних накладок,

в) Питома енергія стенда, енергія обертальних мас повинна дорівнювати питомій енергії гальмування на барабані:

г) Повна кінетична енергія обертальних мас стенда () дорівнює:

де - робоча площа нерухомого диска, .

2.Визначаємо еквівалентну частоту обертання дисків на стенді при випробуванні () у такій послідовності:

а) Необхідно урахувати, що важливою умовою моделювання є рівність:

де - частота обертання,

б) Визначаємо швидкості тертя на гальмівному барабані () при гальмуванні за формулою:

де - радіус гальмівного барабана (диска), м ;

- радіус колеса, м;

в)Визначаємо частоту обертання барабана () за формулою:

Визначаємо еквівалентну частоту обертання дисків () за формулою:

де - діаметр рухомого диска стенда, м

Визначаємо еквівалентний момент інерції маховика стенду () за формулою:

Де - коефіцієнт геометричної подібності

Визначаємо осьове навантаження () та питомий тиск гальмування ()

де - тривалість гальмування, с;



де - коефіцієнт контакту;

Визначення коефіцієнта тертя фрикційної пари , що забезпечує реальні умови гальмування в зазначеному режимі.

Коефіцієнт тертя може бути визначений за формулою:

де М - момент сили тертя для кожного гальмування.

Розрахунок моменту сили тертя слід проводити за формулою:

де - момент інерції махових мас, ;

- кутова швидкість махових мас, ;

- гальмівний шлях по диску, рад.

- кількість обертів рухомого диску за час одного гальмування.

Послідовність визначення характеристик для розрахунку моменту тертя (М):

а) Визначаємо кутову швидкість махових мас:

б) Визначаємо шлях гальмування автомобіля () по колесу, м:

де А - коефіцієнт, що дорівнює 0,11 для легкових, та 0,15 для вантажних автомобілів;

- швидкість руху автомобіля,

- уповільнення при гальмуванні автомобіля,

в) визначаємо шлях гальмування по барабану () за формулою:

г) Визначаємо шлях гальмування по диску стенда ()за формулою:

д) Визначаємо кількість обертів рухомого диску за час гальмування ()

обертів.

е) Визначаємо шлях гальмування по диску стенда(:

є) Визначаємо момент тертя при випробуванні:

ж) Коефіцієнт тертя пари:



Висновок

На основі характеристик f, , підбираємо оптимальну пару випробування на стенді з метою уточнення експлуатаційних характеристик, а саме фрикційна пара МК-5-35ХС.

Випробування на машині показали, що інтенсивність зношування при заданому режимі не виходить за рамки норм.

Фрикційна пара МК-5-35ХС - металокерамічний (спечений) матеріал - сталь (контртіло), металокерамічний матеріал на основі міді МК-5 .

Матеріал типу МК-5 (робоча температура 300 ?С, миттєва 600 ?С), коефіцієнт тертя f=0,16…0,32 (сухе тертя).

Склад матеріалу: основа - Cu; Sn - 8-10%; Pb - 7…9%; C - 6…8%; антифрикційні домішки та азбест по 4,5% кожного.

Такі матеріали призначені для сухого тертя та тертя у мастилі.

Найбільш поширені матеріали для контр тіл фрикційних пар є сталі та чавуни .

Найбільш поширені сталі 20, 30, 40, 45 та інші…

35ХС - хром кремнієва сталь (жаростійка)

Переваги - простота виготовлення деталей методом обробки тиском (штамповка), високі теплофізичні властивості та технологічна міцність і надійність.

Недоліки матеріалу - під гартування в процесі роботи і зниження коефіцієнта тертя (f).

Такі матеріали застосовуються для роботи в парі з фрикційними матеріалами на основі міді.

Размещено на Allbest.ru

...