Лекции по курсу «основы триботехники»

Прямая задача:
1.Определить механические характеристики контактирующих поверхностей (по справочникам или путем испытаний).
2.Найти характеристики шероховатости поверхностей трения (по профилограммам или по справочникам).
3.Определить f_М (по методике, изложенной выше, или по справочникам).
4.Определить контурное давление рс по формулам типа (2.9)
фактическое давление рг по формулам типа (2.11, 2.12, 2.13),
in пользуя справочники.
5.Определить сближение h по формулам (2.14, 2.15, 2.16).
Определить тип контакта (упругий или пластический), пользуясь формулами (2.20,2.20а).
По формулам (2.21, 2.24) определить состояние насыщен­ности контакта.
Используя для соответствующего случая одну из формул ('.'22, 2.23, 2.25 или 2.26), вычислить коэффициент трения.
Обратная задача:
1. Применительно к данным условиям работы ориентировочно (по справочнику) определить молекулярную составляющую коэффи­циента трения f_М и материалы, обеспечивающие работу узла трения.
2.Определить контурное давление рс по формулам типа (2.9) и фактическое давление рг по формулам /типа (2.11, 2.12, 2.13), пользуясь справочниками.
3.Определить сближение h по формулам (2.14, 2.15, 2.16).
4.Определить тип контакта (упругий или пластический), пользуясь формулами (2.20, 2.20а).
5.По формулам (2.21, 2.24) определить состояние насыщен­ности контакта.
6.Применительно к полученным результатам, варьируя значе­ниями параметров микрогеометрии поверхности и -контурными давлениями для данного типа контакта, добиться требуемого ко­эффициента трения, используя одну из формул (2.22, 2.23, 2.25 или 2.26).
7.На основании полученных данных уточнить контурные дав­ления р_С.
8.По уточненным контурным давлениям, пользуясь формула­ми типа (2.9, 2.10, 2.11, 2.12), а также (2.14, 2.15), определить параметры шероховатости (Ra) и волнистости поверхности (Нв, RB) и выбрать вид обработки, обеспечивающей получение этих пара­метров.
В инженерной практике для решения как прямой, так и об­ратной задач пользуются также .специально составленными но­мограммами, помещенными в справочной литературе.

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.
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, самовозникаюшего в слое жидкости (газа) три 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.

МЕХАНИЗМ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СМАЗКЕ
Механизм еамовозникновения давления в слое жидкости при относительном движении поверхностей рассмотрим на примере, изображенном на рис. 3.2. Если пластинка А₁А₂ перемещается от­носительно неподвижной пластинки В₁В₂, расположенной к ней под углом, то слои смазочного материала (находящегося в зазо­ре между пластинками), которые смачивают пластинку А₁А₂, бу­дут увлекаться ею.
Под действием сил вязкости слои смазочного материала, дви­жущиеся с пластинкой А₁А₂, передают движение слоям, лежащим глубже. Слой масла, смачивающий пластинку В₁В₂ будет оста­ваться неподвижным. Таким образом, смазочный материал будет увлекаться в зазор, и в нем возникнет и будет поддерживаться давление. Эпюра этого давления показана на рис. 3.2. По краям пластинок, где смазочный материал соприкасается с атмосферой, избыточное давление в слое смазочного материала равно нулю. Равнодействующая сила Р давления в масляном слое и опреде­ляет несущую способность этого слоя.
На рис. 3.3 показана схема возникновения давления в смазоч­ном слое пары трения вал-втулка и распределения его внутри смазочного слоя. При вращении вала смазочный материал силами вязкости увлекается в сужающийся зазор, что приводит к повы­шению давления в слое. При достаточной вязкости масла и ско­рости вращения вала в смазочном слое создается такое давление, при котором вал отделяется от .поверхности подшипника, всплы­вает «а смазочном слое. Давление в слое смазки поддерживается за счет насосного действия вращающегося вала.
Чем выше вязкость масла и больше скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей, тем больше клино­вой эффект гидродинамической смазки.



Рис. 3.2. Схема образования давления » масляном слое
плоской пары трения.

Рис. 3.3. Схема образования и распределения давления в

смазочном слое подшип­ника скольжения.

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 f_М); во-вторых, снижает сопротивление упругому или пластическому оттеснению (уменьшает механическую состав­ляющую коэффициента трения f_Д). С точки зрения фрикционных связей применение смазочного материала способствует сохранению условий внешнего трения, созданию положительного градиента механических свойств , так как прочность пленки (сма­зочного слоя) меньше прочности основного материала. Смазочная пленка уменьшает фрикционные параметры τ₀ и β (см. формулы 2.22 — 2.26), от которых зависит величина касательных напряже­ний, возникающих в результате межмолекулярного взаимодействия.
Структура граничного смазочного слоя обусловливается физи­ко-механическими свойствами образующих его молекул природой и состоянием твердой поверхности. Молекулы смазочного слоя должны ориентироваться так, чтобы их конфигурация соответство­вала устойчивому равновесию. Обычно смазочный слой имеет пластинчатое слоистое строение, с попеременной нормальной и ка­сательной ориентацией молекул в соседних молекулярных рядах.
Установлено, что при определенной температуре и давлении существует критическая толщина пленки h_кр, ниже которой сколь­жения между молекулярными рядами не будет. Слои толщиной ниже критической способны выдерживать большие нормальные давления, не выходя за пределы упругости (свойства кразитвердого тела).
Далее экспериментально установлено, что граничный слой смазочного материала изнашивается так же, как любой другой материал. Износ смазочного материала проявляется в виде воз­растания коэффициента трения, вызываемого разрушением мас­ляной пленки. Однако износостойкость смазочного материала обычно очень высокая, на три порядка выше, чем износостойкость металлов при упругом полидеформировании в условиях отсутст­вия смазки. Вязкость масла должна быть оптимальной для каж­дого сопряжения и мало изменяться при повышении температуры. С понижением вязкости масла ухудшается образование гранич­ной пленки на трущихся поверхностях, трение из граничного пе­реходит в сухое, износ увеличивается. С другой стороны, слиш­ком вязкое масло плохо проникает в зоны трения, износ увеличи­вается. Кроме того, слишком вязкое масло повышает тангенциальное сопротивление при трении.

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.
Антифрикционные присадки снижают коэффициент трения. В качестве антифрикционных присадок применяют животные или растительные жиры и жирные кислоты, а также соединения се­ры, фосфора, азота, различные соединения металлов (свинцовые мыла, сернистые соединения молибдена, вольфрама, органические соединения цинка и др.). Все эти соединения являются поверхно­стно-активными веществами, которые адсорбируются на поверх­ности металла и удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами.
Противоизносные присадки снижают изнашивание трущихся поверхностей. В качестве этих присадок используются производ­ные кислот фосфора, цинковые соли дитиофосфатных кислот, фосфорно-кислые соли бария. Механизм действия — образование адсорбционных пленок на поверхности металла.
Противозадирные присадки препятствуют, ограничивают или задерживают заедание трущихся поверхностей при высоких кон­тактных температурах и нагрузках. Заедание вызывается тем, что в процессе пластической деформации при трении возникают ювенильные поверхности и вакансии в кристаллической решетке металла. Химически активные противозадирные присадки реагируют с ювенильными поверхностями, насыщая свободные валент­ности и вакансии кристаллической решетки, тем самым препятст­вуя схватыванию. В качестве противозадирных присадок исполь­зуют органические производные серы и хлора.
Кроме трех основных типов присадок применяют также анти­коррозионные, антиокислительные, противопенные, диспергирую­щие и др. При выборе присадок обычно стремятся получить не односторонний максимальный эффект, а универсальные оптималь­ные свойства масел с присадками. С этой целью применяют мно­гофункциональные присадки и - композиции присадок.
Масла для промышленного оборудования. 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 96 сСт при 100°С.
(единица измерения вязкости: сСт – сантистокс).
Выбор смазочных масел для промышленного оборудования производится главным образом по вязкости. При выборе масла следует учитывать три критических значения вязкости:
оптимальное при нормальной рабочей температуре;
минимальное при максимальной рабочей температуре.
максимальное при самой низкой температуре, при которой должен быть обеспечен холодный запуск системы.
Изменение вязкости масла выше или ниже установленных пре­делов в процессе работы отрицательно сказывается на эксплуата­ционных показателях оборудования. В обычных гидравлических системах увеличение вязкости масла при его эксплуатации не должно превышать 25—30%, а для масел, применяемых в гидро­приводах станков с программным управлением, допускаемые пре­делы изменения вязкости составляют ±10%.
На величину вязкости масла значительное влияние оказывает давление. Вязкость масел при любых температурах с увеличением давления возрастает я тем значительнее, чем выше давление и ниже температура. Это свойство масел необходимо учитывать при выборе смазочного материала для механизмов, работающих с большими удельными нагрузками и высокими давлениями в узлах трения, при конструировании и расчетах механизмов.
Смазочное масло при эксплуатации не должно подвергаться значительным химическим и физическим изменениям, например окислению. В результате окисления масла возрастает его корро­зионная агрессивность по отношению к металлическим поверхнос­тям, и в нем образуются нерастворимые вещества в виде осадков., На ускорение процесса окисления масел действуют высокие тем­пературы, металлы и металлические соли, образующиеся при взаимодействии продуктов окисления с металлом и играющие роль катализаторов.
Несмотря на то, что образующиеся при окислении органиче­ские кислоты могут положительно действовать на масло, привозя к образованию на поверхности деталей мономолекулярного слоя металлических мыл, в целом процесс окисления масел, как отме­чалось, отрицательно действует «а смазку. Процесс окисления масел замедляют, добавляя антиокислители или ингибиторы окисления. Действие ингибиторов окисления основано на разрыве цепи при взаимодействии присадки с окисляемой молекулой мас­ла, в результате чего окисляется сама присадка. В этом процессе молекула присадки разрушается. Устойчивость масла против окис­ления зависит от способа его получения и состава.
Антиокислительная стабильность 'индустриальных масел осо­бенно важна в условиях их длительной бессменной работы.
Важным показателем, влияющим на качество смазочных масел, является зольность. Зольностью называют количество золы, ос­тавшееся после выпаривания масла, выраженное в процентах к первоначальному его количеству. Зольность масла характеризует степень его очистки и загрязненность минеральными примесями. Б процессе работы масла зольность его значительно повышается, что ведет к увеличению износа смазываемого сопряжения.
Номенклатура и свойства жидких смазочных материалов при­водятся в справочной литературе.

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.). Загустители в процессе приготовле­ния смазочного материала образуют трехмерный структурный каркас, в ячейках которого удерживается масло. При небольших нагрузках пластичные смазочные материалы ведут себя как твер­дые тела (не растекаются под действием собственного веса, удер­живаются на наклонных и даже вертикальных поверхностях); при нагрузках, превышающих прочность структурного каркаса, они текут подобно маслам.
Остановимся на основных типах пластичных смазочных материалов.
Гидротированные кальциевые смазочные материалы (пресссолидолы, солидолы жировые, солидолы синтетические и др.), наиболее распространенные, применяются в различных узлах тре­ния индустриальных, подъемных, транспортных и других машин.
Комплексные кальциевые смазочные материалы (Униол-1, Униол-3, ЦИАТИМ-221 и др.) содержат антиокислительные и другие присадки и являются многоцелевыми, используемыми для работы в условиях высоких нагрузок и температур.
Натриевые смазочные материалы (консталины и др.) обладав ют более высокими эксплуатационными качествами, чем солидо­лы, и применяются в более ответственных узлах трения и при бо­лее высоких температурах.
Литиевые смазочные материалы (ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-203, литолы, фиолы и др.) — высококачественные, имеют высокий ре­сурс и не требуют замены. Применяют их в приборах, в условиях низких температур.
Алюминиевые смазочные материалы (ротационный, AMC-L и ,пр.) находят применение в подшипниках полиграфических ма­шин, в узлах трения механизмов морских транспортных средств, соприкасающихся с морской водой.
Бариевые смазочные материалы используются в некоторых от­ветственных узлах трения (шаровых шарнирах передней подвески автомобилей, наконечниках тяг рулевого управления и т. д.).
Смазочные материалы на немыльных загустителях (ВНИИ НП-231, графитол, аэрол, сиол, силикол и др.) применяют в спе­цифических условиях трения — Для вентиляторов, подающих го­рячий воздух, шарниров тяговых цепей и т. д.
Углеводородные смазочные материалы (ГОИ-54п, ЦИАТИМ-205, ПВК, Торсиол-55) применяют при консервации ответствен­ных механизмов, для смазывания узлов артиллерийских орудий (ГОИ-54п) и др.

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.
Твердые смазочные материалы принадлежат к так называемым слоистым анизодесмическим соединениям, у которых относитель­ная прочность связей между атомами различна в разных направлениях. Они обладают высокой теплостойкостью (выдерживают температуру свыше 400°С), хорошей адгезией к металлам, малой скоростью газовыделения в вакууме, низким коэффициентом тре­ния. Твердые смазочные материалы .применяют в вакуумных, оптических, электронных системах, вакуумной металлургии, а также в общем машина- и приборостроении.
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.
Отличительным качеством дисульфида молибдена является высокая степень адгезии с поверхностью металла и исключитель­ная прочность на сжатие (при очень низкой прочности на сдвиг). Слой смазочного материала MoS2 может воспринимать статиче­ские до 3-Ю6 кПа и динамические — до 106 кПа давления, т. е. он практически применим до давлений, равных пределу текучес­ти многих металлов. MoS2 прекрасно работает в вакууме (ста­билен в вакууме до температуры +1100°С, на воздухе — до •4-450°С).
Дисульфид вольфрама по сравнению с дисульфидом молибде­на обладает большей теплостойкостью «а воздухе (до +510°С) и большей стойкостью к окислению. Он химически инертен, нераст­ворим почти во всех средах (вода, масла, щелочи, кислоты); чув­ствителен лишь к воздействию свободного газообразного фтора, горячих серной и плавиковой кислот; нетоксичен и не вызывает коррозии металлов. При работе в вакууме дисульфид вольфрама теплостоек при температуре +1320°С. Применение дисульфида вольфрама сдерживается его высокой стоимостью.
Еще более высокими эксплуатационными качествами обладают появившиеся в последнее время твердые смазочные материалы — диселенид молибдена и др.
Следует подчеркнуть, что твердые смазочные материалы явля­ются наиболее перспективными.
4-ЛЕКЦИЯ. ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ. АБРАЗИВНОЙ ИЗНОС.

1.Особенности трения качения.

2.Природа трения качения.
3.Абразивной износ.

ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ

Характер взаимодействия контактирующих тел.
Трением качения называют трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по ве­личине и напряжению. Если цилиндр (колесо) катится по неподвижной плоскости (рис. 4.1) так, что при повороте его на угол φ ось колеса сме­щается на величину Rφ (R — радиус колеса), то такой вид движения называют чистым качением, или качением без про­скальзывания. При этом точка 0₁ колеса, соприкасающаяся с плоскостью, неподвижна, а скорости вcex других точек колеса та­ковы, как если бы оно в данный момент поворачивалось относи­тельно точки О₁ с угловой скоростью со, равной
(2.57)
Здесь Vo — линейная, скорость точки О.

Рис. 4.1. Тело, катящееся по плоскости (рас­четная схема).

Ось, проходящую через точку О₁ перпен­дикулярно плоскости качения колеса, называ­ют мгновенной осью вращения. В действитель­ности при качении контакт осуществляется не по линии мгновенной оси вращения, а по не­которой поверхности, которая образуется в результате деформации контактирующих тел. Если к колесу приложена нормальная нагруз­ка N и двужущая сила F₀ (не проходящая че­рез точку O₁), то движущим моментом (чис­ленно равным моменту сопротивления каче­нию) будет произведение , а коэффициентом трения каче­ния — отношение движущего момента к нормальной нагрузке, т. е.
(2.58)
Реакция опоры N' смещена на величину эксцентриситета е от­носительно действия силы N. Реактивный момент (момент сопро­тивления качению) будет М' = N'e. Из условия М =М' и N=N' следует, что

т. е. для чистого качения по закону Кулона коэффициент трения качения численно равен эксцентриситету е и имеет размерность длины.
Наряду с коэффициентом трения качения применяют и безраз­мерную величину f — коэффициент сопротивления качению, рав­ную

Коэффициент сопротивления качению f численно равен отноше­нию работы А_φ, совершаемой движущей силой F_o на единичном пути, к нормальной нагрузке:

Изучением природы трения качения занимались после Кулона многие исследователи, эти работы продолжаются и сейчас. Име­ется ряд теорий, объясняющих природу трения качения. Так, О. Рейнольде (1876 г.) установил, что одной из причин возникновения сил сопротивления качению является наличие на площадке контакта участков с проскальзыванием, где действуют силы тре­ния скольжения. Деформация растяжения поверхности основания под действием приложенных сил не является равномерной по ду­ге контакта. В зоне контакта имеются три участка: в центре учас­ток сцепления, где проскальзывание отсутствует, и по краям — два участка с проскальзыванием. Величина проскальзывания за­висит от соотношения упругих свойств материалов и радиусов кривизны контактирующих поверхностей.
Экспериментально установлено, что проскальзывание весьма мало по величине. Если материал контактирующих тел одинаков, размер площадки контакта и распределение давлений на ней под­чиняются теории Герца, а проскальзывание на площадке контакта происходит вследствие разницы в кривизне соприкасающихся тел. При разных упругих постоянных контактирующих тел распреде­ление нормальных давлений уже не подчиняется теории Герца и является несимметричным относительно оси симметрии катящего­ся цилиндра. Возникает неравенство и тангенциальных напряже­ний, что является причиной дополнительного проскальзывания.
Для случая качения сферы в прямолинейном желобе установ­лено, что чистое качение свойственно лишь двум сечениям шара, расположенным на расстоянии 0,17 d (d — ширина желоба) от центра зоны контакта. В остальной части контакта происходит проскальзывание.
В 1837 г. французский инженер Дюпюи предложил гистерезисную теорию трения качения, согласно которой в основе сопротив­ления качению лежит явление несовершенной упругости. В 50-х годах XX в. эта теория была детально разработана Д. Тейбором. Рассмотрим основную идею этой теории.
ИЗНАШИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ТРЕНИИ КАЧЕНИЯ
Направление силы трения
При трении качения детали испытывают высокие многократно повторяющиеся контактные напряжения, в результате чего на поверхностях трения возникает усталостное изнашивание, а также абразивное, заедание и др. При повторных контактных напряже­ниях в зависимости от соотношения между нормальной и тангенсальной составляющими сил в контакте в поверхностном или под поверхностном слое детали появляются первичные микротрещины, имеющие определенную ориентировку по отношению направления сил трения (рис. 4.2).

Рисунок 4.2.

В трещины под действием ка­пиллярных сил проникает смазка. Когда такая трещина повторно наступает в контакт, под действием внеш­ней нагрузки она сжимается, и масло под высоким давлением расширяет ее. В результате многократного повторного действия этого процесса происходит разрушение микрообъемов металла, и на поверхностях трения появляются так на­зываемые осповидные сколы, приводящие в дальнейшем к разрушению поверхности. При высоких контактных поверхностных трещин
.копиях процесс усталостного изнашивание на поверхностях трения
пня быстро прогрессирует.

ВИДЫ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Абразивное 'изнашивание встречается во многих деталях до­рожных, строительных, сельскохозяйственных, горных, транспорт­ных я других машин. Все эти машины работают в средах, содержащих абразивные частицы (обычно минерального проис­хождения, высокой твердости), которые являются разрушаю­щими телами при абразивном изнашивании. Абразивные час­тицы (рис. 4.3) бывают округ­лой, полуокруглой и остро­угольной формы. Абразивны­ми частицами могут быть так­же окалина, наклепанные металлические продукты из­нашивания или твердые струк­турные составляющие одного из сопряженных тел.

Рис. 4.3. Форма абразивных частиц (х66).

Необходимое условие возможного проявления абразивного из­нашивания — большая твердость изнашивающего тела по сравне­нию с изнашиваемым.

Причиной абразивного изнашивания является либо однократ­ное воздействие, приводящее к снятию очень тонкой стружки (при микрорезании), либо многократное пластическое или упругое де­формирование микрообъемов металла, которое вызывает их уста­лостное разрушение и отделение частиц металла от поверхностно­го слоя.
Рассмотрим основные виды абразивного изнашивания (см. рис. 2.16).

ИЗНАШИВАНИЕ ПРИ ТРЕНИИ О ЗАКРЕПЛЕННЫЕ АБРАЗИВНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Этому виду изнашивания подвергаются ковши экскаваторов, горный инструмент, камнеобрабатывающий инструмент и т. д. Данному виду изнашивания близок процесс шлифования при ме­ханической обработке.
При изнашивании происходит упрочнение поверхностного слоя1 (наклеп) при механическом воздействии, однако возможно и раз­упрочнение поверхностного слоя в результате нагрева или физи­ко-химического действия жидкой среды, если она вводится для охлаждения, промывки и т. д.
Опытами М. М. Хрущава и М. А. Бабичева установлено, что относительная износостойкость е технических чистых металлов. и отожженных сталей при трении о закрепленные абразивные частицы прямо пропорциональна твердости НВ этих металлов и сталей.
Трущееся сопряжение с попавшей в него абразивной частицей представляет собой систему деталь — абразивное зерно — деталь. Эту систему можно моделировать в виде движущейся поверхности /, абразивного зерна и неподвижной поверхности // (рис. 4.4). Движения поверхности ! относительно поверхности !! может быть вращательным поступательным или сложным, равномерным или ускоренным. Од­нако на малом участке за малый промежуток времени можно счи­тать, что поверхность / движется относительно поверхности // поступательно с мгновенной относительной линейной скоростью v.
Абразивную частицу будем моделировать тремя радиусами (точнее, предельным случаем, когда одна из дуг заменена каса­тельной), а поверхности / и // — в виде чередующихся выступов и впадин (рис. 4.5). На рисунке α₁ и α₂ — углы профилей микронеровностей поверхностей I и II (углы между плоскостями ос­нования сферических выступов и касательными к их боковым поверхностям);



Рис. 4.4. Схема взаимодействия абразивной частицы с поверхностями трения.
Рис. 4.5. Положение абразивной частицы, моделированной двумя радиусами, между поверхностями трения: ρ — радиус выступа (контактирующий радиус), R — объемный радиус; а ≈ R
φ — угол между продольной осью зерна и направлением отно­сительной скорости скольжения v. Средние значения угла а, полу­чаемые при различных видах механической обработки, приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1 Средние значения угла о профиля микронеровностей.

Вид обработки	Параметр шерохова­тости Ra, мкм а	α
Шлифование плоское	1,25—0,63	8°40'
	0,63—0,32	6°40'
	0,32—0,16	4°50'
Шлифование внутреннее	1,25—0,63	7°50'
	0,63—0,32	5°25'
	0,32—0,16	3°50'
Шлифование круглое	0,63 — 0,32	4°40'
	0,32 — 0,16	5°20'
	0,16—0,08	3°20'
Полирование	0,63—0,32	2°15'
	0,32—0,16	1°15'
	0,16 — 0,08	0°40'
Доводка цилиндрических поверхностей	0,16 — 0,08	3°20'
поверхностей	0,08—0,04	2°00'

Основные расчетные зависимости
Рассмотрим модель системы деталь — абразивное зерно — де­таль с точки зрения соотношения моментов и сил, действующих на зерно, и оценим условия, при которых абразивное зерно, находя­щееся в произвольном положении, будет скользить без поворота или поворачиваться.
В общем случае на абразивную частицу действует нормальная нагрузка N (перпендикулярная направлению скорости v). Пово­роту абразивной частицы вокруг какой-то мгновенной оси способ­ствуют приложенные к ней моменты сил трения скольжения (F₁ и F₂) и моменты тангенциальных составляющих (P₁ и Р₂) реакций в точках контакта частицы и поверхностей I и II (рис. 4.6.).

Рис. 4.6. Различные по­ложения абразивной час­тицы между
поверхностя­ми трения.

Таким образом, при абразивном изнашивании в присутствии смазочного материала идентичных по свойствам поверхностей трения попавшими в сопряжение свободными абразивными час­тицами эти частицы (при отсутствии явления перекатывания) за­крепляются :на неподвижной и скользят по движущейся поверх­ности. Движущаяся поверхность изнашивается более интенсивно, чем неподвижная.

Следует помнить, что идентичность свойств поверхностей тре­ния (в первую очередь, идентичность микрогеометрии) можно обеспечить лишь в начальный период работы сопряжения, так как уже после приработки пары трения микрогеометрия поверх­ностей меняется, для каждой из них устанавливается своя устой­чивая (равновесная) микрогеометрия, как правило, отличная от первоначальной. В практике конструирования сопряжения, сос­тоящие из идентичных по свойствам поверхностей трения, встре­чаются редко.
5-ЛЕКЦИЯ. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В ТРИБОТЕХНИКЕ.

1.Материаловедение в триботехнике.

2.Металлические и полимерные материалы.
3.Антифрикционные материалы.

МЕТАЛЛЫ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ (СТАЛИ И ЧУГУНЫ)

Металлы были и являются основным материалом, который используется для узлов трения. Это объясняется тем, что они,. как правило, больше других материалов удовлетворяют разнооб­разным требованиям условий службы трущихся поверхностей. Металлы обладают такими качествами, как прочность и пластич­ность, способность образовывать различные виды соединений с одним или несколькими элементами. В зависимости от химической природы элементов и условий, в которых находится система, ме­таллы могут образовывать между собой, а также с неметаллами: твердые растворы, эвтектические смеси и химические соединения.
Износостойкость чугунов и сталей зависит от их структуры. Каждая из структурных составляющих обладает различными свойствами, которые нужно учитывать при выборе технологии обработки металлов для различных узлов трения. Ча­ще всего с увеличением содержания углерода возрастает твер­дость и износостойкость сплавов. Важной характеристикой явля­ются тип кристаллической решетки, число и характер распреде­ления ее дефектов, анизотропия свойств кристаллов.
Для повышения износостойкости сталей и чугунов применяют термическую или химико-термическую обработку (цементацию, азотирование, нитроцементацию, цианирование, сульфидирование, борирование), легирование хромом, никелем, марганцем, вольф­рамом, молибденом, ванадием, поверхностное упрочнение (наклеп,. обкатку шариками, поверхностное выглаживание, калибрование и др.).
При трении структура металла активного слоя (близко распо­ложенного к поверхности трения) меняется, а следовательно, ме­няются и свойства этого слоя, в первую очередь микротвердость.
На износостойкость оказывает значительное влияние процесс возникновения, разрушения и воспроизводства на поверхности трения вторичных образований в виде пленок окислов. Этот про­цесс осуществляется в результате многократных нагружений еди­ничных фрикционных связей.
При взаимодействии активных пластически деформированных поверхностных слоев металла с кислородом воздуха или смазоч­ного материала, адсорбирующегося на поверхности трения, обра­зуются химически адсорбированные пленки, пленки твердых раст­воров или химические соединения металла с кислородом. Удаление их с поверхности трения протекает как стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления пленок окислов, при этом отделение частиц износа наступает в результа­те многократно повторяющихся нагружений единичных фрикцион­ных связей.
В ряде случаев в зависимости от конструкции узла трения на рабочей поверхности задерживается некоторое количество частиц износа, которые влияют на ход процесса изнашивания (как абра­зивные частицы).
При конструировании новых материалов целесообразно созда­вать структуры, предусматривающие (для локализации схваты­вания) наличие твердых частиц, распределенных в сравнительно мягкой основе. Для деталей, имеющих твердость выше HRC 50, оптимальной является структура отпущенного мартенсита. При твердости ниже HRC 50 лучшей износостойкостью обладает сталь со структурой игольчатого троостита закалки. Для тяжело нагру­женных деталей, подвергающихся цементации и закалке с низким отпуском, недопустимо наличие сплошной карбидной сетки по границам зерен. В этом случае после цементации и перед закал­кой рекомендуется проведение дополнительной термообработки — нормализации. Процесс термообработки и соответственно выбор структуры стали должны (разрабатываться так, чтобы в металле наряду с прочностью обеспечивался запас пластичности, благода­ря чему повышается ее сопротивление пластической деформации и местному разрушению.
Одна из важнейших проблем современного машиностроения — повышение износостойкости чугуна, который применяется для из­готовления многих изнашивающихся деталей машин. Решающее влияние на антифрикционные свойства и износостойкость чугуна оказывают включения графита и фосфидная эвтектика чугуна, которые определяются структурой, зависящей от состава сплава, условий охлаждения литья и термической обработки. Износостой­кость чугуна зависит также от содержания перлита: при увеличе­нии содержания перлита до 30% износостойкость чугуна возрас­тает, при дальнейшем увеличении содержания перлита износо­стойкость чугуна почти не меняется. На антифрикционные свойства чугуна влияют количество, форма и характер распреде­ления графитовых включений в основной структуре. При работе чугуна в паре трения графит выполняет двоякую роль: являясь непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает его со­противление силам трения, а как продукт износа — играет роль смазки. Положительное влияние графита сказывается и в том, что в результате износа он заполняет мелкие поры на трущихся поверхностях детали, уравнивая удельные давления, действующие на поверхность. Установлено, что при одном и том же содержа­нии графита износостойкость чугуна возрастает с уменьшением размера графитовых включений.
Износостойкость чугуна зависит также от фосфидной эвтекти­ки, в которую входит соединение Fe3P, имеющее высокую твер­дость. Фосфидная эвтектика, находящаяся в виде твердого вклю­чения в перлитной или мартенситной структуре, повышает изно­состойкость чугуна (особенно при содержании фосфора в чугуне в пределах 0,3—1,0%; большее содержание фосфора в чугуне положительного влияния не оказывает). Если фосфидная эвтек­тика находится в виде включений в ферритной основе чугуна, то эти включения легко выкрашиваются из слабой ферритной основы и начинают играть роль абразивных частиц в зоне трения, что резко увеличивает износ. Неблагоприятное действие повышенного содержания фосфора на износостойкость чугуна проявляется и при повышенных температурах в зоне трения.
Исследованиями также установлено, что повышение износо­стойкости чугуна при увеличении его твердости наблюдается лишь тогда, когда это связано с повышением твердости металли­ческой основы, а не графитовых включений. При неизменном сос­таве металлической основы чугуна и его химического состава по­вышение износостойкости происходит при наличии графитовых включений шаровой (глобулярной), а не пластинчатой формы, Отрицательно влияют на антифрикционные свойства чугуна внут­ренние напряжения.

АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Баббиты
Баббитами называют мягкие антифрикционные сплавы на оло­вянной и свинцовой основе (оловянисто-медная эвтектика), в которой равномерно распределены твердые кристаллы (кристал­лы В-фазы SnSb или кристаллы сурьмы, иглы меди). Баббиты от­личаются низкой твердостью (НВ 13—32), невысокой температу­рой плавления (300—400°С), отлично прирабатываются и имеют низкий коэффициент трения со сталью, хорошо удерживают граничную масляную пленку. Мягкая и пластичная основа бабби­та при трении в подшипнике изнашивается быстрее, чем вкрап­ленные в нее твердые кристаллы других составляющих, в резуль­тате при вращении шейка вала скользит по этим твердым крис­таллам. При этом уменьшается поверхность фактического касания трущихся поверхностей, что, .в свою очередь, снижает коэффици­ент трения и облегчает поступление смазки в зону трения. Благо­даря хорошей прирабатываемости баббитов все неточности, воз­никающие при обработке или сборке поверхностей трения, в про­цессе работы быстро устраняются.
Антифрикционные свойства баббита зависят от толщины баб­битового слоя, нанесенного на подложку (основной металл вкла­дыша, обычно изготовляемый из стали).
В тонкослойных подшипниках (толщина слоя баббита менее 1 мм) баббит имеет гетерогенную (неоднородную) микрострукту­ру с крупными твердыми кубическими кристаллами химического соединения SnSb (Р-фазы), вследствие чего сопротивляемость усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок довольно низкая. В отдельных локальных объемах кристаллов. В-фазы накапливается пластическая деформация, и в слое бабби­та возникают остаточные напряжения. В тонком слое баббита внедрение в пластичную основу кристаллов твердой составляю­щей, принимающей на себя нагрузку при работе, затруднительно размеры таких кристаллов нередко соизмеримы с толщиной слоя.. В этом случае на отдельных участках скопления хрупких крис­таллов В-фазы возникает вероятность передачи давления через эти кристаллы непосредственно от шейки вала на подложку (кор­пус подшипника), минуя мягкую основу. В баббитовом слое при этом возникают микротрещины, которые при дальнейших цикли­ческих нагрузках могут стать очагами усталостных трещин.
Инженерной практикой (накоплен большой опыт в создании надежных узлов трения с применением слоя баббита. Исполь­зуемый для вкладышей баббит должен удовлетворять определен­ным требованиям:
толщина слоя 1—3 мм;
не резко выраженная неоднородность структуры;
—твердость до НВ 15—30 для улучшения прирабатываемости;
высокая сопротивляемость усталостному разрушению;
прочность соединения баббита ,с корпусом (со стальной подложкой).
Баббиты применяют для заливки .подшипников скольжения, работающих при удельных давлениях не более 10—15 МПа и температуре не выше 100—120°С.
Приведем химический состав и основные свойства некоторых марок баббитов, заливаемых в подшипники скольжения. Б-83 (оловянистый баббит: сурьма — 10—12%, медь 5 - 6%, олово — остальное); температура затвердевания t_зт = 370°C, темпе­ратура заливки t_зал = 400 — 420°С, твердость НB 30, коэффициент трения по стали со смазкой f = 0,005, без смазки f₁ = 0,28;
БН-БНМ (свинцовистый баббит: олово—10%, сурьма — 13—15%, медь— 1,5 — 2,0%, кадмий—1,25—1,55%, никель — 0,75-1,25%, мышьяк - 0,5—0,9%, свинец—остальное): t_зт =400°С, t_зал =450-460°С, ИВ 29, f = 0,006, f₁ =0,27;
БМ (свинцовисто-мышьяковый: олово— 11 — 12%, свинец — 72—75%, сурьма —10 — 12%, медь — 1,5 — 2,0%, кадмий—1,3-1,8%, мышьяк —1,2-1,7%):
t_зт =410°С, t_зал = 450-460°С, НВ 30, f = 0,005, f₁ =0,25.

Бронзы
В качестве антифрикционных сплавов широко используются сплавы на медной основе (бронзы, реже латуни). Бронзы, приме­няемые для изготовления подшипников скольжения, делят на оло­вянные (БрОЦС 5-5-5 и др.) и безоловянные (БрСуНЦСФ 3-3-3-20-0,2 и др.). Бронзовые подшипники изготавливают как мо­нометаллические (втулки, вкладыши и др.), так и биметалличе­ские (стальная деталь с нанесенным слоем бронзы). В тяжело-нагруженных трущихся деталях применяют высокопрочные алю­миниевые бронзы (БрАЖ9-4Л, БрАМц9-2Л и др.).

Бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, в парах трения со стальными, особенно закаленными, деталями. Широкое применение находят свинцовистые бронзы (БрБС-30 и др.), имеющие высокую прочность и температуростойкость (/Пл= 1050 — 1100°С).
Антифрикционные свойства свинцовистой бронзы несколько хуже, чем, например, баббитов, но она обладает повышенными прочностными показателями и более тугоплавка.
Из-за плохой пластичности и прирабатываемости по валу подшипников, изготовленных из бронз, необходима особенно тща­тельная их подгонка и сборка и повышенная твердость шеек ва­лов.
В меньшей степени, чем бронзы, в качестве антифрикционных материалов применяются латуни — сплавы меди с цинком и другими металлами. Это так называемые кремнистые (ЛКС 80-3-3 — содержание Si до 2,5—4%), марганцовистые (ЛМцС 58-2-2 — содержание Мп до 2,5%) и алюминиево-железистые ла­туни (ЛАЖ 60-1-1 Л —содержание А1 до 1,5%, Fe — до 1,5%). Из антифрикционных латуней изготавливают втулки, подшипники, арматуру.

Сплавы на алюминиевой и цинковой основе

Алюминиевые антифрикционные сплавы в последние годы получили широкое распространение. По микроструктуре они име­ют мягкую пластичную основу металла (алюминия) с включени­ем твердых структурных составляющих - (кристаллы FeAl3, Al3Ni, CuAl2, Mg2Si, AlSb и др.). Состав некоторых сплавов: АСМ (0,1 — 0,7% Mg, 3,5—6,5% Sb, остальное —Al); AO-9-2 (1,0% №. 2,25% Си, 0,5% Si, 9% Sn, остальное — Al). Из алюминиевых сплавов изготавливают как монометаллические детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические подшипники (их штам­пуют из биметаллической полосы, состоящей из стальной полосы, с нанесением при прокатке слоя алюминиевого сплава).
В последние годы для подшипников тяжело нагруженных двигателей создаяы алюминиево-оловянистые сплавы (до 30% Sn), обладающие повышенной задиростойкостью даже в услови­ях ухудшения смазки.
Цинковые сплавы, издавна используемые в качестве антифрик­ционных материалов, хотя и не получили достаточно широкого распространения, в то же время обладают рядом ценных свойств, которые позволяют использовать их во многих случаях взамен ' бронз и баббитов. Сплавы на цинковой основе (ЦАМ 9-1,5, ЦАМ. .: 10-5) характеризуются низкой температурой плавления (ж400°С), I в большей степени, чем у бронз и алюминиевых сплавов, размягчением при нагревании и, таким образом, хорошей прирабатываемостью. Благодаря эффекту снижения абразивной активности свободных абразивных частиц путем их утапливания в мягком поверхностном слое подшипники из цинковых сплавов меньше изнашивают сопряженные детали даже в условиях попадания абразивных частиц. Цинковые сплавы технологичны при изготов­лении как монометаллических, так и биметаллических трущихся деталей. Легко достигается соединение цинкового сплава со сталью как литьем, так и прокаткой. Цинковые сплавы имеют высокую пластичность и хорошую усталостную прочность. Из цинковых сплавов изготавливают цельные и штампованные из ленты втулки, которые находят применение, например, на желез­нодорожном транспорте и др.

Пористые антифрикционные материалы

Пористые антифрикционные детали 'изготавливают прессова­нием и последующим спеканием порошков на железной и медной основах. В качестве обязательных добавок к ним применяют са­мосмазывающиеся порошки графита, дисульфида молибдена, нитрида бора и др. Обычно пористые антифрикционные материа­лы перед установкой в узлы трения пропитывают смазочным ма­териалом и используют в условиях недостатка смазки или недо­пустимости применения системы смазывания. В процессе работы пары трения с повышением температуры масло автоматически выделяется из пор и поступает в зону фактического контакта. Эти детали устойчиво работают и в условиях обильной смазки. Спеченные из порошков пористые антифрикционные детали обла­дают хорошими прочностными и антифрикционными свойствами и находят широкое применение.
Железнографитовые спеченные материалы (ЖГр-1, ЖГр-3 и др.) используют при удельных давлениях до 15 МПа и темпера­туре до 150°С; меднографитовые спеченные материалы — при давлениях не более 6—8 МПа и температуре до 80°С.

Материалы на основе полимеров

Полимеры (термопласты и термореактивные материалы) мо­гут использоваться в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде композиций с различными наполните­лями. Из полимеров изготавливают зубчатые колеса, шкивы, тру­щиеся элементы подшипников скольжения, кулачковых механиз­мов, направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников, крепежные детали и т. д.
Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая технологичность, низкая себестоимость, хорошие демп­фирующие свойства. Трущиеся детали из термопластов изготавли­вают высокопроизводительными способами — литьем под давле­нием и экструзией, крупногабаритные детали — центробежным литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов, порошков, дисперсий.
Термореактивные материалы, перерабатываемые преимущест­венно методами компрессионного и литьевого прессования, более термостойки и прочны. Порошкообразные термореактивные ком­позиции наносят в виде тонкослойных покрытий.
Из термопластов в качестве антифрикционных материалов наиболее широко используют полиамиды (капрон, П-68, капролон и др.), 'Обладающие .низким коэффициентом трения и высокой из­носостойкостью, работающие при температуре от—40°С до 4-80°С. Недостатком полиамидов является их относительно высо­кое масло- и водопоглощение. Деталям из полиамидов свойствен­на хорошая сопротивляемость 'воздействию циклических и удар­ных нагрузок, возможность работы без смазки в паре с закален­ной сталью, незначительная изнашиваемость. Коэффициент трения полиамидов по стали без смазки 0,1—0,2, со смазкой маслом 0,05—0,1.
Для улучшения прочностных характеристик полиамиды арми­руют, а для повышения антифрикционных свойств — наполняют твердыми смазочными (материалами. В качестве твердых смазоч­ных материалов применяют графит, дисульфид молибдена и тальк, а в качестве армирующего наполнителя — мелконарубленное стеклянное волокно.
Температурный коэффициент линейного расширения и водо­поглощение наполненных и армированных полиамидов в 1,5—4 раза меньше, коэффициент трения без смазки в 1,2—2,0 раза боль­ше, а интенсивность изнашивания в 2—5 раз ниже, чем у ненаполненных полиамидов.
Полиамиды применяют в качестве тонкослойных покрытий. Такие покрытия получают из растворов, суспензий, паст, распла­вов и плакированием, а также из порошкообразных полиамидов (капрона и капролона В). Свойства покрытия зависят от его тол­щины, конструкции узла трения и условий эксплуатации. Толщина покрытия выбирается с учетом физико-механических свойств по­лимера и шероховатости контртела. Так, для капрона оптималь­ной считается толщина покрытия, примерно равная 0,3 мм. С уменьшением толщины покрытия снижается его демпфирующая Способность, увеличиваются нагрузки. При толщине, превышающей оптимальную, коэффициент трения возрастает, уменьшается из­носостойкость вследствие ухудшения теплоотвода и роста тепло­вой напряженности в узле трения.
В машиностроении для изготовления антифрикционных дета­лей применяют фторопласты и композиции на их основе. Фторопласты обладают высокой химической стойкостью и высокой температуростойкостью (до -К300°С). На них оказывают влияние расплавленные щелочные металлы и их комплексы, а также треххлористый и элементарный фтор при повышенных температурах и практически не действуют кислоты, окислители, щелочи, раст­ворители. При температурах свыше + 350°С фторопласты реаги­руют с некоторыми металлами и окислами. Коэффициент трения многих из них, в особенности фторопласта-4, при трении по ме­таллу очень низок: не превышает обычных коэффициентов трения смазываемых металлических пар трения.
Несмотря на низкий коэффициент трения применение фторо­пластов в чистом виде ограничено из-за низкой прочности и не­удовлетворительных технологических характеристик. Используют­ся в основном различные комбинации фторопластов с другими материалами. Введение различных наполнителей (кокс, графитизированный кокс, искусственный графит, дисульфид молибдена, стекловолокно, металлические порошки) в количестве 15—30% от объема позволяет значительно повысить износостойкость фторо­пластов. Использование фторопластов в виде лаков, паст, суспен­зий для изготовления антифрикционных материалов и в качестве антифрикционных наполнителей в различных композициях на ос­нове термопластичных и термореактивных полимеров уменьшает коэффициент трения и снижает интенсивность изнашивания мно­гих узлов трения.
В последнее время в качестве антифрикционных материалов применяют полиолефины (полиэтилен высокого давления, поли­этилен низкого давления, полиэтилен среднего давления, поли­пропилен и др.) как в чистом виде, так и в композициях с напол­нителями. Полиолефины стойки к действию большинства кислот, щелочей, при температуре 20°С не растворяются в органических растворителях. Однако сильные окислители (азотная кислота и др.), хлор, фтор их разрушают и при повышенных температурах они растворяются во многих органических (растворителях.
На основе полиолефинов получают многочисленные компози­ции, вводя различные добавки и наполнители (сажу, каучук, стекловолокно, древесные опилки и т. д.), что позволяет создавать материалы с высокой износостойкостью и коэффициентом трения 0,1—0,15.
К недостаткам полиолефинов относится низкая теплостой­кость (детали трения из полиолефинов могут длительно эксплуа­тироваться при температуре не выше 60°С, кратковременно — до 80°С). Все это снижает возможность применения полиолефинов в машиностроении.
Для изготовления ряда машиностроительных деталей повы­шенной точности (шестерен, манжет, уплотнительных колец и т. д.) применяют пентапласт. Он обладает высокой химической стойкостью, малым водопоглощением. Изделия из пентапласта можно длительно эксплуатировать при температуре 120—130°С, а кратковременно при 135—150°С. Пентапласт перерабатывают всеми методами на оборудовании, применяемом для термоплас­тов. Коэффициент трения при 20°С и давлении 5 МПа для пары трения пентапласт — пентапласт — 0,14, для пары пентапласт — сталь — 0,12. Чтобы улучшить физико-механические и антифрик­ционные свойства, в пентапласт вводят минеральные наполнители (графит, слюда, стекловолокно, окись хрома и др.).
Для изготовления ряда машиностроительных деталей (шес­терен, втулок, муфт сцепления и т. д.) применяют и полифор­мальдегид. Он имеет высокую стойкость по отношению к органи­ческим растворителям, к действию горячей воды, растворов солей, морской воды, щелочей, растворов органических кислот. Изделия из полиформальдегида обладают высокой жесткостью, стабиль­ностью размеров, высокой износостойкостью, стойкостью к старе­нию; их можно эксплуатировать при температуре до 120°С. Коэф­фициент трения незаполненного формальдегида по стали без смазки 0,30—0,35. Чтобы повысить износостойкость и снизить ко­эффициент трения, полиформальдегид наполняют стекловолокном, фторопластом, дисульфидом молибдена, сажей. Так, введение в сополимер полиформальдегида 15—20% фторопласта снижает из­нос в 3—4 раза и коэффициент трения в 1,5—2 раза.
Поликарбонат находит применение в машиностроении и при­боростроении, в радио- и электротехнической промышленности для изготовления деталей точных станков, приборов, вычисли­тельных машин и т. д. Поликарбонат стоек к атмосферным воз­действиям (пригоден для использования в тропических условиях), к действию воды, водных .растворов минеральных кислот и солей, окислителей, масел, в то же время он растворяется в ряде раст­ворителей (ацетон, толуол и др.) и набухает в бензине.
Поликарбонат перспективен для использования в условиях низких и сверхнизких температур, при работе в среде газообраз­ного и жидкого азота, водорода и гелия при температурах до —253°С. Он обладает высокой ударной прочностью и стабиль­ностью размеров изделий, малой ползучестью. Однако он плохо сопротивляется циклическим воздействиям и имеет низкую уста­лостную прочность.
Промышленностью выпускаются поликарбонаты дифлон и на­полненный 25% по массе стекловолокном дифлон СТН. Введение наполнителей повышает эксплуатационные свойства поликарбона­та. Так, в результате введения в него 15—20% фторопласта в 2—3 раза снижается коэффициент трения и в 10—30 раз возрас­тает износостойкость. Освоено производство и так называемого антифрикционного поликарбоната, представляющего собой диф­лон, модифицированный фторопластом-4. У этого материала сохраняются высокие физико-химические, физико-механические и диэлектрические свойства поликарбоната и одновременно в 1,5— 2 раза улучшаются антифрикционные свойства. Антифрикционный поликарбонат перерабатывают литьем под давлением и экструзи­ей и применяют в узлах трения без смазки.
Полиарилаты — термопластичные полимеры, из которых лить­ем под давлением или литьевым прессованием изготавливают де­тали узлов трения. Полиарилаты отличаются высокой теплостой­костью (детали из них могут работать длительное время при тем­пературе 160—180°С, а кратковременно -— при температуре 230°С), сопротивляемостью ионизирующим излучениям, имеют хо­рошие диэлектрические свойства, плавятся при температуре 255— 285°С, морозостойки (могут работать при температуре до — 100°С), достаточно химически стойки.
Для улучшения антифрикционных свойств полиарилаты напол­няют твердыми смазочными материалами.
Полиарилаты — перспективный полимерный материал. Другими сравнительно новыми и перспективными полимерны­ми материалами являются полиимиды. Это теплостойкие терморе­активные полимеры, применяющиеся в качестве связующего для изготовления антифрикционных композиций. На основе полиимидов выпускают композиции, наполненные дисульфидом молибдена и графитом, для которых характерна высокая радиационная и хи­мическая стойкость.
Детали узлов трения из полиимидных композиций могут дли­тельное время эксплуатироваться при температуре 220—260°С.
Изделия из таких 'Композиций получают в основном компрес­сионным прессованием.
Разработан новый антифрикционный полиимидный композици­онный материал, предназначенный для изготовления конструкци­онных антифрикционных деталей, подверженных значительным вибрационным нагрузкам.
Ароматические полиамиды применяют для изготовления дета­лей узлов трения в ненаполненном и наполненном (фтороплас­том, графитом, дисульфидом молибдена и другими твердыми смазочными материалами) виде. Детали из ароматических поли­амидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью; их изготавливают методами компрессионного и литьевого прессова­ния. Выпускаемые промышленностью ароматические полиамиды под названием фенилон стойки против многих химических веществ, масел, бензина. В воде фенилон ведет себя подобно полиамидам и может поглотить до 10% влаги, при этом размеры деталей из него увеличиваются до 2%.
Детали из фенилона можно эксплуатировать при температуре от — 50 до +200°С. Наполнение фенилона твердыми смазочными материалами намного улучшает его антифрикционные свойства.
Фенилон применяют для изготовления подшипников скольже­ния, уплотнений, подпятников, кулачков, зубчатых колес, сепара­торов шарикоподшипников, деталей клапанов и т. д.
Из эпоксидных и фурановых полимеров компрессионным или литьевым прессованием изготавливают антифрикционные детали только с наполнителями — графитом и дисульфидом молибдена.
Коэффициент трения композиций на основе эпоксидных и фу­рановых полимеров без смазки по стали 0,15—0,25, при смазке может достигать 0,05. Детали из этих материалов хорошо рабо­тают в вакууме; выдерживают температуру от—100 до +150°С (эпоксидные полимеры) и от —100 до +200°С (фурановые поли­меры) .
Антифрикционные пластики АМАН представляют собой много­компонентные системы, в которых в качестве связующего исполь­зованы специальные термо- и теплостойкие полимеры. Детали из этих материалов бензо-, масло- и влагостойки, вибропрочны, стой­ки к радиационному облучению. Из материалов типа АМАН, пе­реработанных методами литьевого или компрессионного прессова­ния, изготовляют детали, которые применяются в узлах сухого трения в высоком вакууме при температуре от —200°С до -}-300оС, а также сепараторы высокоскоростных подшипников, зуб­чатые колеса и другие детали.
Материалы на основе древесины применяют для изготовления деталей узлов трения (подшипников, направляющих скольжения и т. д.). Древесина — природный полимерный материал, имеющий характерное строение: высокопрочные волокна целлюлозы связа­ны лигнином в жесткую и прочную капиллярно-пористую струк­туру. Это представляет широкие возможности для улучшения свойств древесины путем направленного ее наполнения и рацио­нального сочетания с другими материалами. Среди новых путей решения этой проблемы — сочетание прессования с наполнением различными активными наполнителями (полимерами, соедине­ниями металлов и т. д.). Из наполненных древесных материалов изготавливают подшипники скольжения, работающие в условиях повышенной запыленности (в литейных цехах, на строительных и сельскохозяйственных транспортерах).
6-ЛЕКЦИЯ. ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ В СПЕЦИФИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.
1.Трения и изнашивание при высоких скоростях скольжения.
2.Трения и изнашивание в агрессивных средах.
3.Фреттинг-коррозия.
4.Водородный износ.

Трение и изнашивание при высоких скоростях скольжения

Высокие скорости скольжения (свыше 50 м/с) встречаются в авиации, ракетной технике, турбостроении, приборостроении, в огнестрельном оружии, артиллерии и т. д. В большинстве случаев высокоскоростное трение, характеризуется малой продолжитель­ностью процесса взаимодействия трущихся тел (от 10~5 дo 1 с, реже до 10—20 с).
В процессе высокоскоростного трения интенсивно выделяется тепло в зоне трения. Интенсивность тепловыделения q в единицу времени на единице номинальной площади контакта определяется по формуле
, (6.1)
где f—коэффициент трения скольжения; ρ_d — номинальное давле­ние; v — скорость скольжения.
Материалы контактирующих пар при высоких скоростях сколь­жения не успевают прогреться на всю глубину, и в теплопоглощении участвует тонкий поверхностный слой, толщина которого о определяется так:
, (6.2)
где а — температуропроводность; t — продолжительность контакта.
Интенсивность теплового потока, малая глубина слоя, участ­вующего в теплопоглощении, ведут к тепловому удару с большим температурным градиентом в зоне контакта. Высокая температу­ра на поверхности трения может вызвать оплавление поверхност­ного слоя одного из контактирующих тел. На рис. 6.1 показана модель оплавления твердого тела при высокоскоростном трении.



Рис. 6.1. Модель оплавления твердого тела в области контакта при
высоко­скоростном трении:
J—расплавленный слой; 2 — область прогревания; 3 — область с начальной температурой.

Наличие оплавленного слоя в зоне трения при высоких ско­ростях скольжения ведет к значительному уменьшению коэффици­ента трения и может явиться причиной возникновения гидродина­мического трения.

Зависимость коэффициентов трения пули в канале ружейного ство­ла f_p и снаряда в стволе орудия f₀ от скорости скольжения сле­дующая: При скорости скольжения, м/с
О 85 340 720 930