Основы трибологии

Асбокаучуковые материалы плохо проводят тепло, поэтому в парах с их участием “третье тело” образуется при трении довольно быстро. Недостатки таких материалов обусловлены невысокой теплостойкостью связующего: при повышении температуры коэффициент трения сильно уменьшается из-за размягчения каучука, а при 640-670К материал деструктирует и рассыпается. Поэтому асбокаучуковые материалы применяют при сравнительно легких режимах торможения, например, в легковых автомобилях.

Асбопластики содержат связующее на основе синтетических полимеров, преимущественно, таких , которые образуют при отверждении пространственные сетки за счет поперечных химических связей между соседними макромолекулами. При фрикционном нагреве они не плавятся, а разлагаясь при 660-680К, образуют пленку кокса, поры которой заполнены жидкими продуктами распада связующего. Коэффициент трения таких материалов проходит через минимум (670К) и повышается с ростом температуры.

Один из лучших асбопластиков -- ретинакс -- композит на основе асбеста и фенолоформальдегидной смолы. Он работает до температур Т1300К, при которых материал контртела обычно размягчается и переносится на более твердый кокс. Для преодоления этого недостатка тормозные колодки из ретинакса армируют латунной проволокой. При Т900К латунь намазывается на контртело, создавая в зоне трения промежуточный слой. Ретинаксы применяют в тяжелонагруженных тормозах буровых лебедок и авиаколес. Использование дорогостоящих ретинаксов при Т700К неэффективно.

Органические фрикционные материалы (дерево, кожа, пробка и др.) чаще всего применяют при небольших нагрузках, в основном, в приборах. К этому классу материалов относят и резину, образующуюся при вулканизации каучуков. Изделия из нее получают путем переработки так называемой резиновой смеси, содержащей кроме каучука и вулканизующих агентов наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и другие компоненты. Ременные передачи и фрикционные предохранительные устройства на основе резины имеют обширную область применения от сельхозмашин до гидропрессов. Основными недостатками этого класса материалов являются высокая стоимость и низкая теплостойкость.

Металлокерамические материалы (керметы) -- композиционные материалы, состоящие из керамических и металлических фаз. Их перерабатывают в изделия методами порошковой металлургии, преимущественно, прессованием в формах с последующим спеканием. Содержание керамических фаз (бориды, карбиды, нитриды, оксиды) в керметах фрикционного назначения превышает 40 %, остальное -- металлы (железо, кобальт, молибден, никель и др.). Иногда в порошковую композицию вводят добавки, образующие на поверхности трения защитную пленку -- графит, дисульфид молибдена, свинец. Объединяя в керметах пластичные металлы и прочные тугоплавкие соединения, удается получить фрикционные материалы, отличающиеся высокими жаростойкостью, износостойкостью, прочностью и твердостью. Теплоемкость и теплопроводность у них выше, чем у асбестовых материалов. Недостатки керметов как фрикционных материалов -- склонность к схватыванию и снижение коэффициента трения с ростом температуры. Тем не менее, они работоспособны до 900К, и объемы их применения в триботехнике ежегодно увеличиваются.

7.3 Антифрикционные материалы

Элементы пары трения, изготовленные из антифрикционных материалов, имеют положительный градиент механических свойств, который создается при трении без смазки за счет собственных компонентов материала.

Основные группы антифрикционных материалов: металлические, природные, резина, пластмассы, углеродные, металлокерамические.

Металлические материалы подразделяют на антифрикционные цветные сплавы и чугуны. Металлические сплавы -- макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже -- металлов и неметаллов). В группу сплавов входят следующие материалы.

Баббиты -- сплавы на основе олова или свинца (с добавками сурьмы, меди и других элементов). Они названы по имени изобретателя И. Баббита. Тонкий слой баббита наносят на рабочую поверхность вкладыша подшипника скольжения. Такие подшипники хорошо работают при смазке маслами. В периоды пуска-остановки (т.е. при плохой смазке) они имеют удовлетворительные триботехнические характеристики благодаря положительному градиенту механических свойств, который создают размягчающиеся при трении компоненты баббита. Использование баббитов резко сократилось после начала в 30-х годах промышленного выпуска подшипников качения. В настоящее время основной областью применения баббитов является подвижной состав железнодорожного транспорта.

Антифрикционные сплавы на основе меди -- это бронзы и латуни.

Бронза -- сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, свинцом, кадмием или хромом. Соответственно, бронза называется оловянистой, берилиевой, свинцовой и т.д. До настоящего времени бронза остается основным материалом тихоходных подшипников скольжения. Она обеспечивает работоспособность подшипников даже при неудовлетворительной смазке.

Латунь -- сплав меди с цинком. Латунь может содержать добавки (до10%) алюминия, олова, марганца и др., повышающие ее прочность, коррозионную стойкость и литейные свойства. Латунь хорошо обрабатывается давлением. В парах трения медный сплав -- сталь на поверхность стальной детали переносится пленка оксидов меди, выполняющая роль смазки.

Алюминиевые сплавы содержат тугоплавкие (хром, железо, марганец, кремний) и легкоплавкие (олово, сурьма, свинец, кадмий, магний) добавки. Оптимальная с позиций триботехники технология переработки таких сплавов в изделия состоит в следующем. Смесь компонентов плавят и методом разбрызгивания расплава получают гранулы. Последние имеют мелкокристаллическую структуру, т.к. высокая скорость охлаждения расплава препятствует росту крупных кристаллов свинца или олова. Затем из гранул изготавливают детали методом прессования в формах. Такие детали хорошо работают при жидкостной смазке, например, в подшипниках двигателей тракторов. Тугоплавкие добавки придают подшипникам прочность, легкоплавкие -- обеспечивают положительный градиент механических свойств при прорыве масляной прослойки. Достоинства алюминиевых сплавов -- дешевизна, прочность, высокая теплопроводность, недостатки -- значительное тепловое расширение и способность к схватыванию при трении без смазки.

Антифрикционные чугуны содержат графит, имеющий определенную структуру: серый чугун -- пластинчатые частицы, высокопрочный -- шаровидные, ковкий чугун -- хлопьевидные частицы графита. Чугуны дешевле других антифрикционных материалов, но уступают им по износостойкости и величине коэффициента трения. Значения последнего соответствуют области между фрикционными и антифрикционными материалами (область 3 на рис. 15.1). Чугуны применяют в малоответственных узлах трения, работающих при низких нагрузках и скоростях скольжения.

Природные антифрикционные материалы -- древесина и драгоценные камни.

Древесина -- ткань высших растений. Достоинством древесины является непрерывное и быстрое возобновление ее ресурсов в природе. В чистом виде древесину как антифрикционный материал применяют редко. Обычно ее пропитывают маслами или суспензиями, содержащими самосмазывающиеся компоненты, а затем прессуют для повышения механических свойств. Поверхность трения целесообразно располагать на торце древесины, куда выходят каналы капилярно-пористой системы. По ним смазочные материалы поступают на поверхность трения.

Различают три группы антифрикционных материалов на основе древесины. К первой относят древесину, пропитанную маслами. Ее технический ресурс ограничен временем истощения запаса масла. Материалы второй группы -- древесина, наполненная маслами, содержащими взвешенные мелкодисперсные частицы графита, дисульфида молибдена, фторопласта. При пропитке частицы неравномерно распределяются в поверхностном слое изделия, поэтому его триботехнические характеристики зависят от степени износа. Материалы третьей группы получают, пропитывая древесину смесью масел и стеаратов поливалентных металлов. Стеараты -- соли стеариновой кислоты и металлов, имеющих переменную валентность (цинк, железо, медь и т.д.).

Драгоценные камни -- минералы с особыми свойствами, используемые для ювелирных целей. Алмаз, рубин, сапфир, изумруд -- дорогостоящие антифрикционные материалы, применяемые для опор скольжения в часах, гироскопах и других приборах. В последние десятилетия налажен синтез кристаллов этих камней, что позволяет снизить их стоимость. Синтетические алмазы имеют торговые названия баллас, импрегнит, мегадаймон и др. По твердости к ним приближаются материалы на основе плотных модификаций нитрида бора -- амборит, белбор, эльбор и др. Достоинства антифрикционных материалов этого класса: слабое молекулярное взаимодействие с контртелом, малая площадь фактического касания, высокая износостойкость при граничной смазке.

Резина на основе ряда синтетических каучуков (силоксановые, фторсилоксановые, фторкаучуки и др.) является антифрикционным материалом, который используют в подвижных уплотнениях при жидкостной смазке. В государственных и ведомственных стандартах на уплотнения регламентированы группы резин (теплостойкие, масло- и бензостойкие, вакуумные и т.д.), их показатели и приемлемые условия трения.

Новый вид антифрикционной резины -- так называемая “скользкая” резина. Поверхность трения резиновой детали покрывают слоем фторопласта и обрабатывают в вакууме частицами высокой энергии. В результате на поверхности трения формируется тонкое фторопластовое покрытие, химически связанное с подложкой. Деталь, сохраняя присущую резине эластичность, приобретает характерный для фторопласта низкий коэффициент трения.

Пластмассы -- наполненные, армированные или иным образом модифицированные полимеры. В технике редко применяют полимеры в чистом виде, предпочитая пластмассы.

По признакам процессов, сопутствующих формованию изделий, пластмассы делят на термопласты и реактопласты. Переработка реактопластов сопровождается химическими реакциями образования трехмерной структуры -- отверждением, вследствие чего пластмасса утрачивает способность переходить в вязкотекучее состояние. Термопласты не теряют этого свойства при переработке, их можно подвергать многократному переплаву.

Из термопластичных антифрикционных пластмасс рассмотрим материалы на основе полиамидов, полиолефинов, фторопластов.

Полиамиды -- гетероцепные высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи азот. Торговые названия пластмасс на основе полиамидов -- капрон, найлон, капролон, анид и др. Их достоинство -- сочетание хороших технологических свойств, высокой прочности и износостойкости. Из полиамидов изготавливают втулки подшипников скольжения.

Типичным представителем полиолефинов является полиэтилен, основная цепь которого состоит из атомов углерода, а боковые звенья -- из атомов водорода. В зависимости от условий полимеризации получают полиэтилен различной молекулярной массы. Из сверх высокомолекулярного полиэтилена делают детали эндопротезов суставов. Полиэтилен имеет высокую химическую стойкость и низкую стоимость, но менее теплостоек, чем полиамиды.

Фторопласты -- состоят из макромолекул в виде углеродной цепи, к которой присоединены атомы фтора. Такие макромолекулы слабо взаимодействуют друг с другом. Поэтому фторопласты химически инертны, имеют низкий коэффициент трения, практически не сорбируют влагу. Недостатком фторопластов является склонность к ползучести -- непрерывной пластической деформации под действием постоянного напряжения. Из-за этого их редко применяют в чистом виде, предпочитая наполнять порошками кокса, графита, нитридов и т.п., армировать волокнами, проволокой, сетками и др. Фторопласты малолетучи и не теряют антифрикционности в среднем вакууме. Пластмассы на основе фторопластов незаменимы для узлов трения, работающих в агрессивных средах химической промышленности. Широко применяются подшипниковые материалы (рис. 7.5) в виде стальной ленты (1) с пористым металлическим покрытием (бронза, титан, нержавеющая сталь и др.) (2), пропитанным фторопластом (3).

Рис. 7.5 Ленточный подшипниковый материал

В номенклатуру антифрикционных термопластов входят также пластмассы на основе полиимидов, полиуретанов, пентапласта и др.

Типичными антифрикционными реактопластами являются пластмассы на основе фенолформальдегидных и эпоксидных смол, АСП-пластики и кремнийорганические полимеры.

Фенолформальдегидные смолы (ФФС) получают путем поликонденсации фенола с альдегидами в присутствии катализаторов. К материалам этого класса относится антегмит -- высоконаполненная графитом ФФС. Его достоинства -- антифрикционность, стойкость в средах и к тепловым ударам. Волокнистые фенопласты -- композиты, содержащие в матрице из ФФС армирующие волокна. Это прочные, химически стойкие антифрикционные материалы. Фаолит -- кислостойкий триботехнический материал на основе ФФС, наполненной асбестом, графитом и тальком. Текстолиты -- слоистые пластмассы с наполнителем в виде волнистых полотен. Высокая прочность текстолитов мало зависит от температуры, а антифрикционность сочетается со стойкостью в маслах, топливе, слабых растворах кислот и щелочей.

Эпоксидные смолы получили свое название по эпоксидным группам входящим в молекулу смолы. Их отверждают специальными веществами -- отвердителями, создавая пространственную сетку ковалентных связей. Они имеют хорошую адгезию к металлам, высокие прочность и химическую стойкость. Для получения антифрикционных материалов эпоксидные смолы наполняют графитом и дисульфидом молибдена. Очень популярные лет 20-25 тому назад, эти материалы сейчас утратили свое значение.

В авиации, атомной энергетике и вакуумной технике применяют АСП-пластики -- антифрикционные самосмазывающиеся пластмассы. Типичный их представитель -- АМАН -- антифрикционный материал Академии наук. Это -- многокомпонентная термореактивная пластмасса с высокой термической и радиационной стойкостью. АМАН и подобные ему ТЕСАН, ВИЛАН, ЭСТЕРАН дороги, и поэтому применяются в особых случаях: в высоком вакууме, при температурах около 600К и др.

Кремнийорганические полимеры -- высокомолекулярные соединения, содержащие атомы кремния и углерода в составе элементарного звена макромолекулы. Им присущи высокие термостойкость (до 600К), антифрикционность и износостойкость. Кремнийорганические каучуки представляют собой исходный продукт для получения морозо- и теплостойких резин.

Углеродные материалы -- совокупность композиционных материалов триботехнического назначения, содержащих компоненты на основе углерода. В нее входят углеродопласты и композиты на углеродной и графитизированной матрицах.

Углеродопласты -- полимерные материалы, содержащие в качестве упрочняющего компонента углеродные волокна в виде жгутов, матов, рубленых волокон. Их применение в качестве антифрикционных материалов обусловлено наличием графита, являющегося твердым смазочным материалом и обладающего высокой теплопроводностью. Углеродопласты сочетают высокую прочность и малую плотность.

Композиты на углеродной и графитизированной матрицах изготовляют путем прессования кокса, сажи или графита на связке из пека -- остатков перегонки дегтей и смол. Затем заготовку обжигают, превращая связку в углеродную матрицу. Графитизированная матрица образуется из углеродной после дополнительной термообработки при 1300К. В матрицах обоих типов имеются поры, которые могут служить емкостью для масел. Триботехнические характеристики материала этого класса -- химанита практически постоянны в широком интервале температур, включая криогенные.

Металлокерамические антифрикционные материалы содержат твердые смазочные компоненты. Они могут работать без смазки в условиях загрязнения зоны трения твердыми частицами. В технике используют следующие группы таких материалов.

Пористые сплавы железа и графита (железографит), бронзы и графита (бронзографит), алюминия и графита (алюмографит), а также серебра и меди с графитом применяются в подшипниках скольжения и скользящих электрических контактах. Они характеризуются высокой электро- и теплопроводностью. Вместо графита используют дисульфиды и диселениды металлов, нитрид бора и др.

Ленточные металлокерамические материалы содержат в качестве основы металлическую ленту, на которую напекают пористый слой из керамического порошка. Этот слой затем пропитывается металлическим сплавом, например баббитом.

К этой же группе можно отнести покрытия из неорганических твердых смазочных материалов, синтезируемых на поверхностях трения металлических деталей. Например, на титановую деталь наносят пленку дисульфида молибдена, нагревают в вакууме до 900К, а затем обдувают парами серы. В результате на детали формируется смазочное покрытие толщиной около 50мкм. Таким образом обеспечивают работоспособность подшипников солнечных батарей и поворотных устройств космических аппаратов.

Лекция №8 (4ч). Смазка

Смазка - действие смазочного материала, в результате которого уменьшаются износ, повреждения поверхности и (или) сила трения.

Смазывание - подведение смазочного материала к поверхности трения.

В жидкостях и газах при неодинаковой скорости течения соседних слоев возникает внутреннее трение. Силы, необходимые для его преодоления, очень невелики. Внешнее трение, возникающее при взаимном скольжении двух твердых тел, гораздо больше внутреннего трения в жидкости. Сущность смазки состоит в том, чтобы заменить внешнее трение деталей внутренним трением смазочного материала.

8.1 Механизмы смазки

Основное назначение смазочного материала - создать в контакте положительный градиент механических свойств. Это позволяет локализовать основные процессы, сопровождающие трение, в тонком слое смазочного материала, который примыкает к поверхностям трения. Смазыванием можно уменьшить как адгезионную, так и деформационную составляющие коэффициента трения. Во-первых, при достаточной толщине смазочного слоя поверхности трения не соприкасаются, т.е. f_д 0. Во-вторых, коэффициент внутреннего трения смазочных материалов гораздо ниже f_а конструкционных материалов, из которых выполняют узлы трения.

Жидкостная смазка - смазка, при которой разделение поверхностей трения осуществляется жидким смазочным материалом. Разновидностями жидкостной смазки являются гидродинамическая и гидростатическая смазки. В первом случае полное разделение поверхностей трения происходит за счет давления, возникающего в слое жидкости при относительном движении поверхностей, во втором - за счет нагнетания жидкости под внешним давлением в зазор между поверхностями трения, находящимися в движении или покое.

Газовая смазка имеет место при разделении поверхностей трения потоком газа. В зависимости от способа создания давления в газовой прослойке различают газодинамическую и газостатическую смазки. Вязкость газов примерно в 100 раз меньше, чем жидкостей. Поэтому пары трения с газовой смазкой имеют очень малые коэффициенты трения.

С увеличением нагрузки в паре трения толщина смазочного слоя уменьшается. При некоторой критической толщине воздействие силового поля поверхности трения будет столь сильным, что физические свойства смазочного слоя станут отличаться от исходных свойств смазочного материала. Граничная смазка происходит при наличии на поверхностях трения смазочного слоя, свойства которого отличаются от объемных свойств смазочного материала. Граничные слои возникают в результате адсорбции полярных молекул смазочного материала на поверхностях трения. Трение при граничной смазке может быть реализовано с помощью как жидких, так и твердых смазочных материалов.

Дальнейший рост нагрузки может привести к тому, что отдельные микровыступы на поверхностях трения вступят в контакт, в то время как остальные участки поверхностей будут разделены смазочным слоем (рис. 8.1). Такой механизм смазки наиболее часто встречается в узлах трения.

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

Наиболее прочная связь смазочного слоя с поверхностью трения имеет место при химической адсорбции. Скорость хемосрбции максимальна на "чистых", т.е. свободных от адсорбционных пленок, участках поверхности. Эта особенность хемосрбции обусловливает свойство граничных слоев "самозалечиваться" при повреждениях. Прочность адсорбционной пленки зависит от физико-химической активности смазочного материала. Для ее повышения в смазочные материалы вводят присадки - вещества, придающие смазочному материалу новые свойства или усиливающие существующие.

Рис 8.1 Схема полужидкостной смазки. 1 и 2 - поверхности трения, 3 - граничные слои, 4 - микрообъемы смазочного материала, 5 - участки контакта

Изнашивание граничных слоев происходит существенно медленнее, чем изнашивание металлических твердых тел. Смазка обусловливает охлаждение узлов трения путем отвода теплоты трения от участков касания с помощью смазочного слоя. Поэтому теплоемкость и теплопроводность являются важными параметрами смазочного материала, характеризующими его способность снижать тепловую напряженность пар трения.

8.2 Смазочные материалы

Назначение смазочных материалов - снижение трения и (или) износа.

Соотношение стоимости смазочных материалов и затрат на смазывание техники обычно составляет от 1:5 до 1:15. Поэтому применение в промышленности смазочных материалов лучшего качества, хоть и более дорогих, почти всегда экономически оправдано.

Смазочные материалы подразделяют на жидкие, пластичные и твердые.

Жидкие смазочные материалы - это прежде всего масла (нефтяные, растительные, животные и синтетические), композиции на водной основе и жидкие металлы.

Важнейшими физическими характеристиками жидких материалов являются вязкость - свойство оказывать сопротивление при течении, а также ее зависимость от температуры и давления. Иногда для характеристики масел применяют термин маслянистость основанный на ощущении степени уменьшения трения при растирании смазочного материала пальцами.

Нефтяные масла - очищенные обычным способом масла на основе нефтяного сырья. Из всех смазочных материалов они имеют наибольшее распространение. В зависимости от назначения различают следующие разновидности нефтяных масел.

Индустриальное масло используют для смазки станков и промышленного оборудования.

Трансмиссионное - для механических трансмиссий.

Моторное - для поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Цилиндровое - для поршневых паровых колец.

Турбинное - для смазки паровых и газовых турбин, турбокомпрессоров.

Авиационное - для авиационных поршневых, турбовинтовых, турбореактивных двигателей.

Это разделение носит условный характер, например, моторные масла, часто применяют для смазки промышленного оборудования.

Растительные масла получают из семян или плодов растений отжимом или экстрагированием. Они состоят из глицеридов (сложных эфиров глицерина) и жирных кислот. Смазочные характеристики растительных масел лучше, чем нефтяных. Однако, они менее стабильны из-за быстрого окисления при высоких температурах. Наличие в растительных маслах активных радикалов обусловливает их высокую адгезию к металлам. Поэтому их применяют в качестве присадок к нефтяным маслам.

Животные масла получают из жировой ткани животных. Они сыграли большую роль на заре развития техники, но после появления нефтяных масел потеряли свое значение. Их применяют как присадки и сырье для пищевой, фармацевтической, парфюмерной промышленности.

Синтетические масла изготавливают синтезом из простейших непредельных углеводородов или других соединений. Они уступают нефтяным маслам по смазочным характеристикам, но превосходят их по способности работать при особо высоких и низких температурах. Поэтому их применяют в технике Севера, энергетическом оборудовании, в реактивной авиации и космическом машиностроении, автомобилестроении.

Основные группы синтетических масел: эфиры, гликоли, силиконы, фтористые углероды.

Эфиры применяют для смазки авиационных приборов при температурах эксплуатации от -60 до +120, а с антиокислительными присадками - до +200⁰ С.

Гликоли имеют более узкий диапазон температур эксплуатации (от -60 до +100⁰С) и склонны к окислению. Их достоинством является малая зависимость вязкости от температуры.

Силиконы имеют в своей структуре атомы кремния. Их вязкость мало зависит от температуры от -60 до +250⁰С. Силиконовые масла термостойки, но имеют сравнительно невысокую смазывающую способность.

Фторуглеродные масла отличаются термостабильностью, превосходя по этому параметру другие синтетические масла. Их недостатки - сильная зависимость вязкости от температуры и высокая стоимость. Оптимальные области применения - узлы трения, эксплуатируемые при высоких нагрузках и температурах.

Присадки к маслам разделяют в зависимости от назначения на:

1) моющие - для удаления продуктов окисления масел с поверхностей трения. Представляют собой поверхностно-активные вещества, помогающие удерживать твердые частицы в масле во взвешенном состоянии;

2) противоокислительные - для замедления процессов окисления масел;

3) противозадирные - для образования на поверхностях трения прочных пленок, препятствующих схватыванию;

4) противокоррозионные - для защиты металлов от коррозии;

5) антифрикционные - для уменьшения коэффициента трения (животные и растительные масла, органические соединения серы, фосфора, металлов и др.);

6) противоизносные - для уменьшения износа (соли бария, цинка и др.);

7) противопенные - для устранения вспенивания масел в системах смазывания двигателей;

8) многофункциональные.

Особую группу составляют трибополимеризующиеся присадки. Они инициируют сшивку молекул масла или самообразуют высокомолекулярные соединения под действием трения, что приводит к формированию на поверхностях трения раздедительных пленок. Последние имеют высокую адгезию к металлам и прочность. Они оказывают противоизносное и антифрикционное действие, не растворяются в масле и регенерируются по мере истирания.

Смазочные композиции на водной основе содержат гликоли или глицерин, а также водорастворимый загуститель, придающий композиции нужную вязкость. Их стали разрабатывать из-за дефицита нефтяного сырья. Композиции имеют структуру золей - жидких коллоидных систем с частицами дисперсной фазы - мицеллами. Мицелла - в данном случае, молекула гликоля или глицерина, окруженная слоем молекул воды или ионов ее составляющих. При адсорбции мицелл на поверхностях трения формируются пленки с хорошей нагрузочной и смазочной способностью.

Концентраты смазочных композиций применяют как технологические материалы при обработке металлов давлением. Их водные растворы (5-10 %) используют в узлах трения машин и в качестве буровых растворов при проходке нефтяных и газовых скважин.

Жидкие металлы применяют как смазочные материалы главным образом в вакуумных системах, где они обеспечивают смазку и герметизацию узлов трения. Для герметизации ввода вращающихся валов в космические аппараты используют калий, ртуть, эвтектические сплавы галлия с индием и оловом. В подвижных уплотнениях вакуумного оборудования применяют плавкие вставки из сплава Вуда, олова, серебра, индия.

Пластичные смазочные материалы - полутвердые или твердые продукты, состоящие из смеси минерального или синтетического масла и мыл или других загустителей. Особенностью их структуры является наличие каркаса, образованного частицами загустителя, в ячейках которого заключено масло. Благодаря каркасу пластичные материалы в обычных условиях представляют собой твердые тела. Под нагрузкой каркас разрушается, и они текут подобно маслу. При снятии нагрузки каркас восстанавливается, материал застывает и удерживается на детали.

В качестве загустителя чаще всего применяют мыла - соли жирных кислот. В зависимости от состава мыла пластичные смазки разделяют на кальциевые, натриевые, смешанные кальциево-натриевые и др.

Кальциевые смазки (солидолы) содержат свободную и связанную воду, в воде не растворяются. Оказывают смазочное действие во влажной среде, максимальная рабочая температура +55⁰С. При плавлении теряют воду и распадаются на масло и мыло. После охлаждения исходная структура солидола не восстанавливается.

Натриевые смазки (консталины) плавятся в интервале +100 - 200⁰С. Застывая после расплавления, восстанавливают исходные смазочные параметры. Легко растворяются в воде при повышенной температуре.

Кальциево-натриевые смазки сочетают достоинства двух названных классов материалов. Их применяют при повышенной температуре и небольшой влажности.

Литиевые смазки получили широкое распространение в последние десятилетия. Литиевые мыла практически не растворимы в воде и эффективны как загустители. Литий является отходом атомной энергетики и достаточно доступен. Материал с торговым названием литол широко используется в основных узлах трения отечественных автомобилей.

В качестве загустителей находят применение также парафин, церезин, петролатум, полимеры и др. Их используют главным образом для получения консервационных (пушечная смазка, технический вазелин) и уплотнительных смазочных материалов.

Антифрикционные пластичные материалы согласно ГОСТ 23258 - 78 делят на группы: общего назначения, многоцелевые, термостойкие, морозостойкие, противоизносные и противозадирные, химически стойкие, приборные, редукторные, приработочные, узкоспециализированные, брикетные.

Твердые смазочные материалы применяют в виде порошков или тонких пленок. По составу - это органические или неорганические вещества либо их комбинации.

Неорганические материалы делят на несколько групп. Первую из них составляют графит, дисульфид молибдена MoS₂, дисульфид вольфрама WS₂, диселениды NbSe₂, TaSe₂ и др., дифториды CaF₂ и др. Они характеризуются высокой адгезией к конструкционным материалам и неодинаковой прочностью в разных направлениях, т.е. обладают анизотропией. Их кристаллическая решетка имеет слоистую структуру (рис. 8.2) с прочными связями между атомами в плоскости слоя и слабыми - между слоями.

Эти материалы добываются как полезные ископаемые или могут быть синтезированы. Они сравнительно дешевы и доступны.

Дисульфид молибдена или молибденит имеет низкий коэффициент трения в высоком вакууме (10 Па<p<0,1 Па) как при низких (от -70⁰С), так и при высоких (до +700⁰С) температурах. На его смазочное действие слабо влияют ионизирующие излучения. Поэтому молибденит входит в состав смазочных композиций, применяемых в космической, криогенной и ядерной технике.

Графит менее универсален как смазка. На межмолекулярное взаимодействие его слоев сильно влияет сорбция компонентов окружающей среды, в частности, воды. Низкомолекулярные компоненты располается между слоями и снижают их притяжение. Поэтому в высоком вакууме, когда они удаляются, смазывающая способность графита становится значительно хуже. Прочность графита увеличивается с повышением температуры. Он имеет высокую тепло- и электропроводность. Коэффициент трения графита мало зависит от скорости скольжения. Графит имеет хорошую адгезию к оксидам металлов и чугуну, образуя при трении устойчивую пленку, в которой кристаллические слои ориентированы параллельно поверхности трения. Оптимальные области применения графита - высокотемпературная смазка и скользящие электрические контакты.

Вторую группу неорганических твердых смазочных материалов составляют цветные и редкие металлы (литий, свинец, кадмий, серебро, золото и др.), которые используются в качестве покрытий. Механизм их смазочного действия напоминает механизм смазки маслами. Металлические покрытия применяются в условиях, неприемлемых для масел: при волочении проволоки, прокатке труб, при больших перепадах температур и т.д.

Органические материалы - мыла, воски, жиры, полимеры.

Мыла - соли высших жирных кислот, в частности, соли, получаемые из жирозаменителей - синтетических жирных кислот, таллового масла, нафтеновых и смоляных кислот. Воски - жироподобные вещества животного или растительного происхождения.

Рис 8.2 Схема кристаллической решетки графита

Они делятся на животные (пчелиный воск, спермацет, ланолин и др.), растительные (карнаубский воск), минеральные (озокерит). Жиры - вещества растительного (так называемые жирные масла) или животного происхождения, в основном, сложные эфиры глицерина и одноосновных жирных кислот (триглицериды).

Полимеры относят к твердым смазочным материалам на том основании, что механизм их смазочного действия заключается в формировании и непрерывном возобновлении на поверхностях трения пленок переноса, образующихся из продуктов механической деструкции макромолекул. С позиций трибологии наиболее интересны фторопласты - полимеры и сополимеры галогенопроизводных (F, Cl) этилена и пропилена. Коэффициенты трения фторопластов при трении скольжения и динамический одинаково малы, что обеспечивает плавность медленных перемещений подвижных сопряжений. Особенность фторопластов - исключительно высокая химическая инертность в большинстве рабочих сред.

8.3 Смазывание

При работе узлов трения смазочные материалы претерпевают физико-химические превращения и переходят в шлам, убывают вследствие утечек, испаряются, выгорают и т.д. Эти потери восполняют путем непрерывного или периодического смазывания поверхностей трения.

Смазывание под давлением - наиболее распространенный в машиностроении вид смазывания, когда жидкий или пластичный смазочный материал нагнетается в зазор пары трения. Если масло прокачивать через зазор между валом и подшипником под давлением, превышающем нагрузку на подшипник, реализуется гидростатическая смазка, и вал "всплывает" над опорой, уменьшая трение. У пластичного смазочного материала засоряется только слой вблизи поверхности трения. Нагнетание свежего материала перемещает отработавший слой, вытесняя его из зазора. Этот вид смазывания применяют преимущественно при малых скоростях трения.

Смазывание разбрызгиванием осуществляют при смазке жидкими смазочными материалами, используя энергию движущихся деталей узла трения.

Смазывание масляным туманом - вид смазывания, при котором на поверхность трения направляют поток газа в смеси с диспергированным маслом. Так смазывают стенки цилиндров в компрессорах и двигателях внутреннего сгорания.

Смазывание погружением имеет место, когда поверхность трения частично или полностью, постоянно или периодически погружается в ванну с жидким смазочным материалом.

Смазывание набивкой производится с помощью капиллярно-пористой детали, пропитанной смазочным материалом, которая контактирует с поверхностью трения. Примером служит буксовая система смазывания осей вагонов.

Ротапринтное смазывание - образование смазочного слоя на поверхности трения с помощью брикета твердого смазочного материала, контактирующего с истираемой деталью (рис. 8.3). Смазочная пленка образуется по механизму переноса и возобновляется при трении.

Рис 8.3 Схема ротапринтной смазки. 1- вал, 2 - подшипник, 3- ролик из твердого смазочного материала, 4 - держатель

В редких случаях смазывание осуществляют периодически во время остановки машин.

Лекция №9 (2ч). Виды изнашивания. Абразивное и эрозионное изнашивание

9.1 Классификация видов изнашивания

Элементарный акт изнашивания локализуется в малом объеме поверхностного слоя материала детали трения. Этот объем отделяется от поверхности трения и поступает в зону трения в виде частиц износа. Природа воздействий на поверхность трения обусловливает механизм изнашивания. Поэтому кинетические закономерности изнашивания определяются совокупным влиянием множества механических, физических и химических факторов.

В зависимости от вида и характера фрикционного взаимодействия различают следующие виды изнашивания:

-абразивное;

-гидроабразивное;

-газоабразивное;

-эрозионное;

-гидроэрозионное;

-газоэрозионное;

-кавитационное;

-электроэрозионное;

-адгезионное;

-усталостное;

-коррозионно-механическое;

-окислительное;

-фреттинг, фреттинг-коррозия.

Опыт исследования видов изнашивания узлов трения показывает, что в конкретных условиях эксплуатации, как правило, наблюдается проявление одновременно нескольких видов изнашивания. Однако всегда можно выделить наиболее характерный вид, который вносит превалирующий вклад в интенсивность изнашивания трибосопряжения в целом.

9.2 Абразивное изнашивание

Абразивное изнашивание относится к наиболее интенсивным видам механического разрушения поверхности, возникающим в результате режущего или царапающего действия на нее твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Необходимым условием проявления абразивного изнашивания является меньшая твердость поверхностного слоя детали по сравнению с абразивом. Наиболее распространенным абразивом является обычный кварцевый песок, который входит в состав грунтов, почв и пыли и является основным агентом, вызывающим изнашивание деталей. Абразивными частицами могут быть окалина, руда, уголь, структурные составляющие одного из сопряженных тел, продукты износа.

Основным признаком проявления абразивного изнашивания поверхности трения является наличие на ней хорошо различимых рисок, мелких царапин и углублений различной протяженности, ориентированных в направлении движения. Образование рисок и углублений на поверхности трения имеет двоякое происхождение. Риски и углубления образуются в результате отделения материала в виде микростружки, когда материал достаточно твердый и малопластичный, или это след, образованный вытеснением материала в отвалы, когда микрорезание не происходит из-за его высокой пластичности. Вытеснение абразивной частицей материала в отвалы - первый этап разрушения поверхности. При движении последующих абразивных частиц вблизи ранее образованных отвалов на их боковых поверхностях происходит повторное передеформирование и переориентация материала отвалов в сторону риски или его отделение от поверхности изнашивания.

Многочисленными исследованиями установлено, что стойкость металлов к абразивному изнашиванию металлов зависит от вида кристаллической решетки и прочности межатомных связей в решетке. М.М. Хрущевым применительно к технически чистым металлам и сталям в отожженном состоянии получена зависимость для оценки объема абразивного износа, V:

,(9.1)

где N - нормальная нагрузка; S - путь трения; Н - твердость истираемого материала; а - размер абразивного зерна; с - коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей поверхности, условий взаимодействия, контактирующих тел, кинематики движения и закрепления абразива, остроты ребер абразива.

Абразивное изнашивание наблюдается не только для металлов и сплавов, но и для неметаллических материалов, таких, как углеграфитовые, керамические, полимерные и композиционные. Полимерные материалы, у которых когезионная прочность существенно меньше, чем у большинства контактирующих с ними триботехнических материалов, в особенности подвергаются абразивному изнашиванию. Полимерным материалам, как и металлам и сплавам, свойственно увеличение интенсивности изнашивания с ростом размера абразивных частиц.

Абразивному изнашиванию в наибольшей мере подвергаются детали сельскохозяйственных, дорожно-строительных, горных, транспортных машин и транспортирующих устройств, узлы металлургического и дробильно-размольного оборудования, металлорежущих станков и т.д.

В реальных условиях эксплуатации оборудования при абразивном изнашивании реализуются различные схемы воздействия абразива. В зависимости от вида трения различают:

· абразивное изнашивание при трении скольжения;

· трении качения;

· соударение материала с абразивом.

Особо выделяется взаимодействие материала с абразивом при движении деталей и инструмента в потоке частиц абразива, несомых воздухом или жидкостью.

Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание происходят в результате действия движущихся твердых частиц, увлекаемых потоком газа или жидкости. Износ в этих случаях зависит от скорости удара частиц и угла наклона вектора скорости к поверхности изнашиваемой детали - угла атаки. На величину износа влияет также концентрация абразивных частиц в потоке, их форма, механические характеристики частиц и изнашиваемых материалов, а также температура среды и ее кислотность.

Интенсивность изнашивания J_G для этих видов абразивного изнашивания связана со скоростью частиц v зависимостью:

, (9.2)

где К - коэффициент, зависящий от угла атаки и свойств изнашиваемого и абразивного материала; m - показатель степени, зависящий от вида изнашиваемого материала. При скорости <100 м/с величина m составляет для стали Ст3 - 2,3; для закаленной стали 45- 2,5; для белого чугуна - 2,8; для базальта - 2,9.

Зависимость износостойкости от угла атаки в большинстве случаев выражается кривой с минимумом, соответствующим критическому углу атаки. Угол атаки для хрупких неметаллических материалов близок к 90⁰ , а для металлических сплавов его значение уменьшается по мере повышения их пластичности и составляет для мягкой стали - 30⁰-40⁰, для закаленной - 50⁰-70⁰.

Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание наблюдается в рабочих колесах гидравлических турбин, лопатках газовых турбин, трубах водяных экономайзеров и паровых котлов, лопастях дымососов, трубах и насосах земснарядов, подшипниках гребных валов судов и т.п.

9.3 Эрозионное изнашивание

Эрозионное изнашивание происходит при воздействии на поверхность материала потока жидкости или газа.

В зависимости от вида воздействующих сред вещества различают гидроэрозионные, газоэрозионные, электроэрозионные виды изнашивания, а также кавитацию и абляцию.

Характерной особенностью проявления эрозионного изнашивания является образование неровностей и огрубление поверхности в результате удаления локальных микрообъемов материала при воздействии потока среды.

Интенсивность эрозионного изнашивания зависит от скорости потока, угла атаки, механических свойств и концентрации воздействующих частиц, агрессивности среды, физико-механических и химических характеристик поверхностных и приповерхностных слоев материала.

Гидроэрозионное изнашивание представляет собой изнашивание в результате воздействия на твердое тело потока жидкости. Разрушение твердого тела обусловлено трением и ударами сплошного потока о поверхность. Трение вызывает расшатывание и вымывание микрообъемов материала. Скорость изнашивания в этом случае мала. Динамическое (ударное) воздействие потока или струи способно в зависимости от свойств материала вырывать объемы материала или группы зерен с неблагоприятной ориентацией в отношении к действующим силам. В пластичных материалах, обладающих способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда их способность к упрочнению исчерпается, они разрушаются и удаляются. Жидкость, внедряющаяся в образовавшиеся при ударах микротрещины, раздвигает подобно клину боковые стенки.

Гидроэрозионному изнашиванию подвержены острые кромки золотников гидравлических агрегатов, клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических систем и т.д.

Кавитационное изнашивание. При воздействии на твердое тело потока жидкости, содержащего пузырьки газа, которые схлопываются вблизи поверхности гидроэрозионное изнашивание переходит в кавитационное изнашивание.

Этот вид изнашивания происходит в потоке, движущемся с большой скоростью, при его сужении и наличии препятствий его движению. В результате этого давление в потоке может упасть до давления, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. Происходит разрыв потока и нарушение его сплошности. Образовавшаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Пузырьки с размерами порядка десятых долей миллиметра перемещаются вместе с потоком и попадают в зоны высоких давлений. Водяной пар конденсируется, газы растворяются, а в образовавшиеся микропустоты с ускорением устремляются частицы жидкости. Происходит восстановление сплошности потока, сопровождаемое ударом. Ударные волны, воздействуя на поверхность, приводят к отделению микрообъемов материала. Кавитационный износ характерен для деталей машин, эксплуатируемых в жидких средах. На поверхности трения образуются микродефекты, называемые кавернами. Частота образования каверн Н характеризуется критерием Струхаля:

,(9.3)

где Н - число каверн, возникающих в секунду; d - характерный размер тела; V - скорость потока жидкости.

При кавитационном изнашивании происходит увеличение шероховатости поверхности, подобное химической коррозии.

Этому виду изнашивания подвержены гребные винты, лопатки центробежных и пропеллерных насосов, лопасти гидравлических турбин.

Уменьшить кавитационный износ можно конструктивными решениями, проектируя гидромеханическую систему таким образом, чтобы давление во всех точках потока не опускалось ниже давления парообразования. Другим способом борьбы с кавитационным изнашиванием является введение в воду веществ, образующих или способствующих образованию эмульсий, понижающих поверхностное натяжение жидкой среды. Стойкость к кавитационному изнашиванию увеличивают также легированием сталей никелем, хромом или применяя специальные методы обработки: закалку с нагревом ТВЧ, цементацию, наплавку твердыми материалами.

Газоэрозионное изнашивание представляет разновидность эрозионного изнашивания в результате воздействия на поверхность твердого тела потока газа. Механизмы газоэрозионного и гидроэрозионного изнашивания подобны.

Газоэрозионное изнашивание, например, происходит на поршневых кольцах авиационных двигателей в результате прорыва газов. При этом наименее прочные частицы сплава в результате локального разогрева рабочей поверхности кольца отрываются и уносятся потоком газов. Более прочные структурные составляющие сплава, оказываясь изолированными, в дальнейшем также разрушаются. На поверхности трения образуются характерные продолговатые раковины с ответвлениями.

Если газовая среда имеет высокую температуру, то наблюдается абляционное изнашивание, при котором происходят химические превращения и деструкция поверхностных слоев материала изделия. Абляционному изнашиванию подвержены наружные элементы космических объектов при прохождении ими плотных слоев атмосферы, головки плазменных горелок, сопла реактивных двигателей и т.д.

Электроэрозионное изнашивание происходит при воздействии электрических разрядов на поверхности трения. Этот вид изнашивания характерен для электрических контактов, токосъемников, коллекторов электрических машин и является результатом нескольких видов изнашивания: механического и электрического.

Электрическое изнашивание зависит от механизма токопрохождения через контакт и материала контактных элементов и в основном обусловлено переносом ионов материала одного элемента на другой, фриттингом оксидных пленок, приводящим к увеличению молекулярных сил сцепления между чистыми металлами и последующим микросхватыванием и вырыванием; искрением и дугообразованием, приводящим к выделению в зазоре между контактами большой тепловой энергии и испарению или разбрызгиванию металла в контактный зазор с резким ухудшением гладкости поверхности, что в свою очередь увеличивает механический износ пары трения.

Механическое изнашивание в электрических контактах происходит по механизмам, аналогичным для пар трения, работающих с небольшими нагрузками. Уменьшение величины электроэрозионного изнашивания электрических контактов достигается применением специальных смазочных составов.

Лекция №10 (2ч). Виды изнашивания. Адгезионное и усталостное изнашивание

10.1 Адгезионное изнашивание

Адгезионное изнашивание возникает в результате взаимодействия поверхностей трения, с образованием адгезионных связей между ними. В локальных зонах фактического контакта под действием нормальных, тангенциальных сил и температуры разрушаются смазочные слои, пленки адсорбированных на поверхности веществ и оксидов. Молекулярное (адгезионное) взаимодействие на локальных участках чистых поверхностей превосходит прочность связи между отдельными элементами материала. Образовавшееся адгезионное соединение прочнее менее прочного материала пары и происходит когезионное разрушение его поверхностного слоя.

Результатом адгезионного взаимодействия трущихся тел является разрушение подповерхностных слоев материалов, фрикционный перенос частиц износа. При некоторой интенсивности адгезионного взаимодействия возможно заедание, возникновение "холодной сварки".

Величина адгезионного взаимодействия зависит от особенностей электронного строения контактирующих тел, концентрации валентных электронов, плотности свободных электронов на поверхности раздела, количества дефектов кристаллической решетки, наличия полярных групп в полимерных материалах и других факторов.

В настоящее время не существует теории адгезии, позволяющей расчетным путем с достаточной точностью прогнозировать силу адгезионного взаимодействия. Поэтому для оценки величины адгезионного износа пользуются приближенными расчетными зависимостями.

Согласно модели Арчарда величина адгезионного износа V зависит от нормальной нагрузки N, определяющей площадь фактического контакта, на которую действуют упругие напряжения и деформации:

,(10.1)

где К - коэффициент адгезионного износа; Н - твердость более мягкого материала; S - путь трения; N - нормальная нагрузка.

Величина износа зависит не только от нагрузки, твердости материалов и пути трения, но и от топографии поверхности, действующих температур, физико-механических свойств приповерхностных слоев, состава смазочных материалов и окружающей среды.

Адгезионное изнашивание возникает при недостатке или отсутствии смазочного материала в узлах трения и проявляется в опорах скольжения или качения, зубчатых передачах, кулачковых механизмах, при механической обработке материалов.

Адгезионному изнашиванию наиболее подвержены фрикционные узлы космической техники, вакуумного оборудования, атомной техники и высоконагруженные сопряжения, работающие в вакууме, газовых и жидких агрессивных средах.

...