ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Виды изнашивания

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех групп факторов: 1) внутренних, определяемых свойствами материалов; 2) внешних, ха­рактеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость от­носительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура);

3) рабочей среды и смазочного мате­риала.

Детали, подвергающиеся изнашива­нию, подразделяют на две группы:

1) Детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зуб­чатые передачи и т. п.); 2) детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т. п.).

Характерные виды изнашивания де­талей первой группы - абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Для деталей вто­рой группы типично абразивное изна­шивание (например, истирание почвой),

гидро- и газоабразивное (твердыми ча­стицами, перемещаемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газо­эрозионное (потоком жидкости или га­за), кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).

Различные виды изнашивания по за­кономерностям протекания весьма раз­нообразны.

Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа

Причина изнашивания сопряженных

Деталей - работа сил трения. Под действием этих сил происходит многократ­ное деформирование участков контакт­ной поверхности, их упрочнение и раз­упрочнение, выделение теплоты, измене­ние структуры, развитие процессов уста­лости, окисления и др.

Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникно­вение различных теорий внешнего тре­ния. Наиболее полно силовое взаимо­действие твердых тел объясняет молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения. Молекулярно - механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала:

1) увеличение твердости трущейся по­верхности; 2) снижение прочности адгезионной связи.

Повышение твердости направлено на то. чтобы затруднить пластическую де­формацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по воз­можности упругое деформирование участков контакта.

Снижение прочности адгезионной свя­зи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель до­стигается разделением поверхностей трения жидким, твердым (иногда га­зовым) смазочным материалом. При ис­пользовании жидкостной смазки, когда поверхности деталей разделены несу­шим гидродинамическим слоем, коэф­фициент трения минимален (0,005-0,01), а износ практически отсутствует,

Твердая смазка обеспечивает более высокий коэффициент трения (0.02-0,15). Она незаменима для узлов трения, спо­собных работать в вакууме, при высо­ких температурах и других экстре­мальных условиях. Из твердых сма­зочных материалов наиболее широко применяют графит и дисульфид молиб­дена (МоS2), имеющих слоистое строе­ние.

Использование смазочных материалов однако, не гарантирует от схваты­вания. Твердые смазочные материалы постепенно изнашиваются. Условия жидкостной смазки нарушаются из-за неблагоприятных режимов работы ме­ханизмов. К ним относятся периоды приработки , а также пуска и остановок машин. В этих случаях возникает граничное трение, при котором поверхно­сти разделяются лишь тонкой масляной пленкой. Контактные напряжения и на­грев способны разрушать эту пленку и вызывать схватывание. В этих усло­виях решающее значение приобретает обеспечение совместимости трущейся пары. Под совместимостью понимают свойство материалов предотвращать схватывание при работе без смазочного материала или в условиях нарушения сплошности масляного слоя. Совмести­мость достигается несколькими спосо­бами.

1. Использованием защитных свойств оксидных пленок. Защитные свойства оксидных пленок зависят от их состава, толщины, а также от свойств металли­ческой подложки, увеличиваясь с ро­стом ее твердости. Если оксид тверд и прочен, а нижележащий металл мягок, то пленка легко разрушается, и схваты­вание развивается при малой нагрузке.

Примером этому служат алюминий, свинец и большинство пла­стичных металлов, в том числе и титан. Аномально высокие коэффициент тре­ния и износ титана обусловлены не только разрушением пленки, но и ее способностью растворяться в металле. Если титан подвергнуть азотированию, то оксидная пленка формируется на твердой основе, которая препятствует ее растворению. Титан становится износо­стойким.

Тонкие прочные пленки, способные деформироваться вместе с металлом при большой нагрузке, образуют хром, сталь, а также медь, хотя допустимая нагрузка (N ) для нее и ее сплавов меньше, чем у первых двух металлов

Стойкость к схватыванию закаленных сталей значительно выше, чем нормали­зованных и отожженных. По этой при­чине закаленные стали и стали, упроч­ненные химико-термической обработ­кой основной материал для одной из сопряженных деталей пары трения. Стойкость к схватыванию таких сталей повышают сульфидированием и фосфа-тированием. После этих процессов фор­мируется пленка, которая в начальный момент, легко разрушаясь, улучшает прирабатываемость и снижает коэффи­циент трения, а в тяжелых условиях тре­ния способна изменяться, образовывать вторичные структуры сложного состава и повышенной износостойкости.

В условиях теплового схватывания за­щитные свойства оксидных пленок зави­сят от способности подложки сохранять высокую твердость при нагреве. В таких случаях следует применять теплостой­кие материалы.

2. Подбором материалов пары тре­ния. Схватывание особо опасно для кон­такта из двух твердых материалов. В случае разрушения защитных ок­сидных пленок оно приводит к значи­тельному повреждению обеих поверхно­стей трения. При сочетании твердого и мягкого материалов схватывание про­является в менее опасной форме.

Для сталей и чугунов в условиях тре­ния скольжения лучшим материалом со­пряженной детали служат те цветные металлы и сплавы, которые имеют в структуре мягкую или легкоплавкую составляющую, способную проявлять защитную реакцию и предупреждать повреждение сопряженной поверхности. При усилении трения такая структурная

составляющая допускает на отдельных участках контакта легкое пластическое течение либо размягчение, в результате чего снижаются местные давления и температура и тем самым исключает­ся схватывание.

Сплавы с мягкой структурной соста­вляющей применяют для червячных передач и подшипников скольжения. Для червячных передач характерны вы­сокие скорости скольжения и неблаго­приятные условия гидродинамической смазки. Для предупреждения схватыва­ния червяк выполняют из стали с высо­кой твердостью поверхности (HRC 45-60), а червячное колесо -из оловянистой бронзы, имеющей в структуре мяг­кую составляющую.

Мягкой структурной составляющей в подшипниковых сплавах могут слу­жить включения олова или свинца. Эти металлы схватываются со сталью, но адгезионные связи разрушаются по ме­нее прочным цветным металлам, ко­торые тонким (13 мкм) слоем «намазы­ваются» на стальную поверхность, не повреждая ее. Тонкая пленка мягкого металла не только уменьшает силовое воздействие в местах контакта, но при тяжелых режимах трения из-за силь­ного размягчения может служить твердым смазочным материалом или плавиться и на некоторое время выпол­нять роль жидкого смазочного материа­ла.

Благодаря таким свойствам олово, свинец, а также медь используют в каче­стве тонкослойных покрытий одной из поверхностей трения. Их создают и в сопряжениях сталь-сталь, сталь-чу­гун, добавляя в жидкий смазочный ма­териал присадки в виде порошков этих металлов или их солей. При опреде­ленных условиях трения присадки фор­мируют на стальной поверхности плен­ку мягкого металла, которая защищает счаль от износа.

3. Разделением поверхностей трения пленками полимеров (фторопласта, полиамида и т. п.), которые отличаются низкой адгезией к металлам. Кроме то­го, под влиянием теплоты трения поли­меры способны переходить в низкомо­лекулярное состояние и образовывать пленку с низким сопротивлением сдви­гу. В силу этих особенностей полимеры имеют низкий коэффициент трения, сла­бо изменяющийся при применении сма­зочного материала.

Работоспособность многих узлов тре­ния зависит от скорости, развития по­верхностного усталостного выкрашивания (питтинга).

Поверхностное выкращивание харак­терно для материалов, используемых в узлах трения качения (зубчатые пере­дачи, шарико- и роликоподшипни­ки), которые подвержены высоким циклическим контактным нагрузкам. Эти нагрузки, действующие на малых участках поверхности, обусловливают процессы зарождения в приповерхностном слое усталостных трещин, их разви­тие в глубь слоя и отделение частиц с образованием ямок выкрашивания.

Сопротивление материала поверх­ностному выкрашиванию называют контактной выносливостью. Она харак­теризуется пределом контактной вынос­ливости , который, как и при объем­ной усталости, определяется экспери­ментально (ГОСТ 25.501-78) по кривой усгалости. Повышение контактной выносливо­сти, как и при объемной усталости, ос­новано на увеличении сопротивления поверхностного слоя деталей развитию пластической деформации.

Стали

Термическая и химико-термическая обработка

Твердость поверхности зубьев

Формула для расчета

МПа

Легированные

Цементация и нитроцементация

Азотирование

HRC > 56


HV 5500-7500

23 HRC

> 1290


1050

Углеродистые и легированные

Поверхностная закалка Объемная закалка Нормализация, улучшение

HRC 40-50 HRC 38-50

HB< 3500

17HRC +200 18HRC+ 150 0,2 HВ +70

880-1050 834-1050 « 770

Места сопряжения деталей, находя­щиеся в очень малом относительном перемещении, подвержены особому ви­ду изнашивания, называемому фреттинг-процессом или фреттинг-коррозией. Этот вид изнашивания развивает­ся на поверхности валов в местах насадки шестерен, подшипников каче­ния, а также в шлицевых, шпоночных и шарнирных соединениях, в проушинах и на поверхности рессор. Повреждения поверхности имеют вид ямок и язв, ко­торые, как и питтинг, опасны тем, что существенно снижают сопротивление усталости деталей.

Единой теории, объясняющей меха­низм этого вида изнашивания, нет. Со­гласно одной теории определяющим служит механическое взаимодействие контактирующих поверхностей. Предпо­лагают, что оно вызывает разрушение оксидных пленок, частицы которых не удаляются за пределы контакта и дей-сгвуют как абразив. По другой теории ведущим считают адгезионное взаимо­действие в сочетании с коррозией. Вследствие адгезии частицы металла сначала отделяются от поверхности, за­тем окисляются кислородом среды и превращаются в абразив. Сторонники этой теории называют такой процесс фреттипг-коррозией.

Основные методы защиты от этого вида изнашивания - повышение твердо­сти контактирующих поверхностей (це­ментацией, азотированием), применение смазочных материалов, лаков, пле­ночных покрытий из полимеров, затруд­няющих металлический контакт поверх­ностей трения и доступ к нему кисло­рода.

В зависимости от механических и фрикционных свойств износостойкие материалы подразделяют на три группы: 1) материалы с высокой твер-

достью поверхности; 2) антифрик­ционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения скольжения;

3) фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения скольже­ния.

Материалы с высокий твердостью поверхности Высокая твердость поверхности -необходимое условие обеспечения изно­состойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окисли­тельном, усталостном видах изнашива­ния наиболее износостойки стали и сплавы с высокой исходной твер­достью поверхности. При работе в ус­ловиях больших давлении и ударов на­ибольшей работоспособностью обла­дают аустенитные стали с низкой исход­ной твердостью, но способные из-за ин­тенсивного деформационного упрочне­ния (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях экс­плуатации.

Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию. Износостойкость при абразивном изнашивании чистых метал­лов пропорциональна их твер­дости: e=b-нв (E—относительная из­носостойкость, определяемая в сравне­нии с образцом-эталоном, b коэффи­циент пропорциональности). В сплавах эта зависимость может не соблюдаться.

При абразивном изнашивании веду­щими являются процессы многократно­го деформирования поверхности сколь­зящими но ней частицами и микрореза­ние. Степень развития этих процессов зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных ча­стиц. Так как твердость последних вели­ка, то наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура ко­торых состоит из твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопроч­ной матрицы. Такую структуру имеют большая группа сталей и сплавов.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материа­лов. Для наплавки на поверхность дета­лей используют прутки из этих сплавов, которые нагревают ацетиленокислородным пламенем или электродугой.

В промышленности используют более ста сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). В их структуре может быть до 50 "о спе­циальных карбидов, увеличение количе­ства которых сопровождается ростом износостойкости.

Структуру матричной фазы регули­руют введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аустенитной.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относятся сплавы тина У25Х38, УЗ0Х23Г2С2Т (цифры, стоящие после буквы У, показывают содержание угле­рода в десятых долях процента). Дета­ли, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экска­ваторов, пики отбойных молотков и др.), изготовляют из сплавов с повы­шенным содержанием марганца с аустенитно-мартснеитной (У37Х7Г7С) или аустенитной (У11Г13, УЗ0Г34) матри­цей.

Для деталей машин, работающих при средних условиях изнашивания, приме­няют спеченные твердые сплавы, структура которых состоит из специальных карбидов (WC, TiC, TaC), связанных ко­бальтом, а также высокоуглеродистые стали (структура: мартенсит + карбиды) типа XI2, Х12М, PI8, Р6М5 и другие. Эти материалы относятся к инструмен­тальным.

Низко и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения и чугуны применяют для более легких условий изнашивания. В частности, для деталей, работающих в условиях граничной смазки (гильзы цилиндров, коленчатые валы, порш­невые кольца и пр.), где абразивное из­нашивание сопутствует другим видам изнашивания, например, окислительно­му. Для сохранения работоспособности узлов трения материал детали должен хорошо противостоять истиранию ча­стицами, являющимися продуктами из­нашивания или попадающими в сма­зочный материал извне. Этим, требова­ниям удовлетворяют низко- и среднеуглеродистые стали, упрочняемые це­ментацией , азотированием или поверхностей закалкой с нагревом ТВЧ. В порядке возрастания износостойкости упрочненные поверх­ностные слои этих сталей располагают­ся в следующей последовательности: закаленные, цементованные, азо­тированные.

Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания. Эти материалы предназначены для таких изделий мас­сового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашивание на их рабочих поверхно­стях вызывают циклические контактные напряжения сжатия. Они создают в по­верхностном слое мягкое напряженное состояние, которое облегчает пластиче­ское деформирование поверхностного слоя деталей и, как следствие, развитие в нем процессов усталости. В связи с этим высокая контактная выносли­вость может быть обеспечена лишь при высокой твердости поверхности. Высо­кая твердость необходима также и для затруднения истирания контактных по­верхностен при их проскальзывании.

Подшипниковая сталь. Подшипники качения работают, как правило, при низких динамических нагрузках, что по­зволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей по­сле сквозной закалки и низкого отпуска. Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недо­рогие технологичные хромистые стали ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС, со­держащие примерно 1 % С (ГОСТ 801-78). В обозначении марок буква Ш означает шарикоподшипниковую сталь; Х- наличие хрома; цифра его массовую долю в процентах (0,4; 1,5;

2,0); СГ - легирование кремнием (до 0,85°.,) и марганцем (до 1,7%).

Прокаливаемость сталей увеличивает­ся но мере повышения концентрации хрома. Сталь ШХ15 предназначена для изготовления деталей подшипников поперечным сечением (10-20 мм): бо­лее легированные стали ШХ15СГ и ШХ20СГ – для деталей, прокаливающихся на большую глубину (свыше 30 мм).

Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой мелко­зернистого перлита (НВ 1790-2170) и повышенными требованиями к каче­ству металла. В стали строго регламен­тированы карбидная неоднородность и загрязненность неметаллическими включениями, так как, выходя на рабо­чую поверхность, они служат концен­траторами напряжений и способствуют более быстрому развитию усталостною выкрашивания.

Для изготовления высокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например, ШХ15-Ш), отличающиеся наи­более высокой однородностью строе­ния. Такие стали необходимы также для изготовления высокоточных приборных подшипников, детали которых требуют тщательного полирования с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения. Это возможно лишь при высо­кой чистоте металла по металлическим включениям.

Детали подшипников подвергают ти­пичной для заэвтектоидных сталей тер­мической обработке: неполной закалке от 820-850 °С и низкому отпуску при 150-170 °С. После закалки в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит (8-15 %), превращение которого может вызывать изменение размеров деталей подшипников. Для их стабилизации пре­цизионные подшипники обрабатывают холодом при — 70 — 80 °С. Оконча­тельно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высо­кую твердость (HRC 60—64).

Сталь ШХ4 характеризуется ограни­ченной прокаливаемостью и предназна­чена для роликовых подшипников же­лезнодорожного транспорта. При закал­ке ее подвергают сквозному индукцион­ному нагреву и охлаждению водой. Кольца из этой стали толщиной 14 мм закаливаются только с поверхности в слое 2-3 мм и благодаря сохранению вязкой сердцевины могут работать при динамической нагрузке.

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром 0,5—2 м (для прокатных станов, электрических ге­нераторов) изготовляют из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, подвергая их це­ментации на большую глубину (3— 6 мм).

Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 95Х18 (0,95% С, 18%Сг).

Стали для зубчатых колес. Основным эксплуатационным свойством смазы­ваемых колес, так же как и подшипни­ков качения, является контактная вынос­ливость. Она определяет габариты зуб­чатой передачи и ресурс ее работы. Кро­ме высокой контактной выносливости от зубчатых колес требуется сопротивле­ние усталости при изгибе, износостой­кость профилей и торцов зубьев, устой­чивость к схватыванию. Наиболее полно этим требованиям удовлетво­ряют стали, имеющие твердый поверх­ностный слой, вязкую и достаточно прочную сердцевину, способную проти­востоять действию ударных нагрузок. Сочетание твердой поверхности и вяз­кой сердцевины достигается химико-термической обработкой или поверх­ностной закалкой низко- и среднеуглеродистых сталей. Выбор стали и метода упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, требований техноло­гии и имеющегося оборудования.

Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, приме­няют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. Они имеют наиболее высокий предел кон­тактной выносливости, величина кото­рого согласно ГОСТ 21354-75 опреде­ляется пропорционально твердости по­верхности

Твердость цемеитованной поверхно­сти при концентрации углерода 0,8-1,4% и структуре, состоящей из вы­сокоуглеродистого мартенсита или его смеси с дисперсными карбидами, соста­вляет HRC 58-63. Излишне высокая твердость нежелательна из-за возмож­ности хрупкого разрушения цементован-ного слоя. При постоянной твердости поверхности контактная выносливость растет с увеличением толщины упроч­ненного слоя и твердости сердцевины. Толщина цементованного слоя при­нимается равной (0,20-0,26) т (m-мо­дуль колеса), но не более 2 мм. Твер­дость сердцевины составляет HRC 30-42.

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150-600 мм и более изгото­вляют из хромоникелевых сталей 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др. Их используют в редукторах вертолетов, судов, самолетов. Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР и др.

Предел контактной выносливости поверхностей зубьев прямозубых передач (ГОСТ 21354-75)



После цементации и последующей термической обработки зубчатые колеса имеют значительную деформацию. Для ее устранения необходимо зубошлифование, что усложняет технологию.

В условиях массового производства (авто- и тракторостроение) применяют экономно-легированные стали 18ХГТ, З0ХГТ, 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХГР и др. Их подвергают нитроцементации, кото­рая проводится при несколько меньшей температуре, чем цементация, и соче­тается с подстуживанием и непосред­ственной закалкой. Деформация умень­шается, поэтому зубчатые колеса из таких сталей не шлифуют.

В условиях серийного производства получает применение ионная нитроцементация, которая для хромоникеле­вых (12Х2Н4А, 18Х2Н4МА) и сложно-легированных (20Х3 МВФА и др.) сталей обеспечивает в 2—3 раза более высокую контактную вынос­ливость, чем обычная газовая це­ментация и нитроцементация.

Азотирование обеспечивает высокую твердость поверхности, но из-за неболь­шой толщины упрочненного слоя воз­можны подслойные разрушения. Азотирование целесообразно применять для средненагруженных зубчатых колес сложной конфигурации, шлифование ко­торых затруднено. Для азотированных колес применяют стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др.

Поверхностной и объемной индук­ционной закалке с последующим низ­ким отпуском подвергают зубчатые колеса малых и средних размеров из сталей с содержанием углерода 0,4-0,5%. Для контурной поверхностной закалки на глубину (0,20-0,25) т исполь­зуют стали 40, 45, 50Г, 40Х, 40ХН и др. Сердцевина не закаливается и остается вязкой. По нагрузочной способности они уступают цементуемым сталям.

В последнее время для изготовления зубчатых колес автомобилей и станков взамен легированных цементуемых ста­лей применяют сталь пониженной прокаливаемости 58 (55 ПП). Это качествен­ная углеродистая сталь (ГОСТ 1050-74), которая содержит 0,55-0,63 %. С и ми­нимальную концентрацию примесей (0,15% Сr, 0,20% Мn и 0,30% Si), увели­чивающих прокаливаемость. При глу­бинном индукционном нагреве и интен­сивном охлаждении водой детали из этой стали получают только поверх­ностную закалку. Закаленный слой, как и при цементации, имеет толщину 12 мм и высокую твердость (HRC 58-62) с плавным переходом к сердцевине. Сердцевина закаливается на троостит или сорбит, имеет твердость HRC 40-30 при достаточной вязкости. Применение этой дешевой стали дает большой эко­номический эффект.

Зубчатые колеса, работающие при не­высоких нагрузках, изготовляют из ста­лей 40, 50, 40Х, 40ХН и других после нормализации и улучшения. Невысокая

твердость материала (НВ< 3500) позво­ляет нарезать зубья после термической обработки, что упрощает технологию изготовления колес.

Для волновых передач и небольших зубчатых колес, работающих при малых нагрузках и скоростях, приме­няют неметаллические материалы: тек­столит ПТ и ПТК, древеснослоистые пластики, полиамиды- капрон, нейлон. Их используют для привода спидоме­тров и распределительных валов авто­мобилей, киноаппаратов, текстильных и пищевых машин. Достоинство таких колес отсутствие вибраций и шума, вы­сокая химическая стойкость.

Материалы, устойчивые к изнашива­нию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Трение с высокими давлениями и ударным нагружением ха­рактерно для работы траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. Их изготовляют из высокомар­ганцовистой аустенитной стали 110Г13Л, содержащей примерно 1,1 % С и 13 % Мn. Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационно­му упрочнению (наклепу). Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому де­тали получают литьем (буква Л в марке стали) или ковкой.

Износостойкость стали 110Г13Л мак­симальна, когда она имеет однофазную структуру аустенита. Такую структуру обеспечивают закалкой в воде от 1100°С. После закалки сталь имеет низ­кую твердость (НВ 2000) и высокую вяз­кость. Если такая сталь во время ра­боты испытывает только абразивное изнашивание, то оказывается неизносо­стойкой. В условиях же ударного воз­действия в поверхностном слое стали образуется большое количество дефек­тов -кристаллического строения (дисло­кации, дефектов упаковки). В результате твердость поверхности повышается до НВ 6000, и сталь становится износо­стойкой.

Изнашивание, связанное с ударным нагружением поверхности, наблюдается также при кавитации, которая возникает при работе гребных винтов, лопастей гидротурбин, цилиндров гидронасосов, Кавитационное изнашивание создают струи жидкости в момент захлопывания пузырьков газа или воздуха. Образую­щиеся при этом многочисленные микроудары вызывают развитие процессов усталости, которые усиливаются под влиянием коррозии.

В качестве кавитационно-стойких при­меняют стали с нестабильной структу­рой аустенита 08Х18Н10Т, З0Х10Г10 и др. При ударном воздействии аустенит этих сталей испытывает наклеп и частичное мартенситное превращение, на развитие которых расходуется энер­гия удара. Упрочнение поверхности ста­ли в условиях эксплуатации затрудняет образование трещин усталости.

Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы пред­назначены для изготовления подшипни­ков (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к ви­брациям, бесшумности работы, неболь­ших габаритов.

Основные служебные свойства под­шипникового материала антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность способность мате­риала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую ско­рость изнашивания сопряженной дета­ли стального или чугунного вала.

Антифрикционность обеспечивают сле­дующие свойства подшипникового ма­териала: 1) высокая теплопроводность;2) хорошая смачиваемость смазочным материалом; 3) способность образовы­вать на поверхности защитные плен­ки мягкого металла; 4) хорошая прирабатываемость, основанная на спо­собности материала при трении легко

пластически деформироваться и увели­чивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Критериями для оценки подшипнико­вого материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость сколь­жения v, параметр рv, определяющий удельную мощность трения. Допусти­мое значение параметра рv тем больше, чем выше способность материала сни­жать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Для подшипников скольжения ис­пользуют металлические материалы, не­металлы, комбинированные материалы и минералы (полу- и драгоценные кам­ни). Выбор материала зависит от режи­ма смазки и условий работы опор скольжения.

Металлические материалы. Они пред­назначены для работы в режиме жид­костного трения, сочетающемся в ре­альных условиях эксплуатации с режи­мом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масля­ной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его со­противляемости схватыванию. Оно наи­более высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.

Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа сплавов:

I) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями; 2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включе­ниями.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы па основе меди - бронзы и латуни. Мягкая матрица в них обеспечивает не только защитную реакцию подшипникового материала па усиление трения и хорошую прирабаты­ваемость, но и особый микрорельеф по­верхности, улучшающий снабжение смазочным материалом участков трения и теплоотвод с них. Твердые включения, на которые опирается вал, обеспечи­вают высокую износостойкость

Баббиты мягкие (HB 300) антифрик­ционные сплавы на оловянной или свин­цовой основе. В соответствии с ГОСТ 1320—74 к сплавам на оловянной основе относятся баббиты Б83 (83% Sn, 11% Sb и 6% Сu) и Б88, па свинцовой осно­ве Б16 (16% Sn, 16% Sb, 2% Сu) БС6, БН. Особую группу образуют более де­шевые свинцово-кальциевые баббиты:БКА и БК2 (ГОСТ 1209-78).

По антифрикционным свойствам баб­биты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (менее 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Наи­лучшими свойствами обладают оловянистые баббиты, у которых рv = (500-700) 105 Па-м/с. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответ­ственного назначения (дизелей, паровых турбин и т. п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов со­стоит из твердого раствора сурьмы в олове (мягкая фаза, темный фон) и твердых включений b` (SnSb) и Cu3Sn.

Бронзы относятся к лучшим анти­фрикционным материалам. Особое ме­сто среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы БрO10Ф1, БрO10Ц2, ко вторым -БрO5Ц5С5, БрО6Ц6СЗ и др. (ГОСТ 613-79). Бронзы применяют для моно­литных подшипников скольжения тур­бин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.

В последнее время бронзы широко ис­пользуют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тон­костенных пористых покрытий, пропи­танных твердыми смазочными материа­лами.

Латуни используют в качестве заме­нителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А и др. (ГОСТ 17711—80) применяют при малых скоростях скольжения (менее 2 м/с) и невысоких нагрузках. Их часто используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрСЗ0 с 30 % Рb (ГОСТ 493-79) и алюминиевые сплавы с оловом (ГОСТ 14113 78), например, сплав А09-2 (9 % Sn и 2 % Сu). Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или оло­ва. При граничном трении на поверх­ность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, за­щищая шейку стального вала от повре­ждения.

Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюми­ниевых сплавов. Из-за хорошей тепло­проводности граничный слой смазочно­го материала на этих сплавах сохра­няется при больших скоростях скольже­ния и высоком давлении (см. табл. 10.3).

Алюминиевый сплав А09-2 приме­няют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу -для наплавки на стальную ленту.

К сплавам второго типа относятся также серые чугуны, роль мягкой со­ставляющей в которых выполняют включения графита. Для работы при значительных давлениях и малых скоро­стях скольжения исполь­зуют серые чугуны СЧ 15, СЧ 20 и легированные антифрикционные чугуны:

серые АЧС-1, ЛЧС-2, АЧС-3; высоко­прочные АЧВ-1, АЧВ-2; ковкие АЧК-1, АЧК-2 (ГОСТ 1585-79). С целью умень­шения износа сопряженной детали мар­ку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости сталь­ной цапфы. Достоинство чугунов невы­сокая стоимость; недостатки - плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материа­ла и пониженная стойкость к воздей­ствию ударной нагрузки.

В настоящее время наибольшее рас­пространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие из рассмотренных выше спла­вов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение.

В качестве примера разберем строе­ние четырехслойного подшипника, применяемого в современном ав­томобильном двигателе. Он состоит из стального основания, на котором нахо­дится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрСЗ0). Этот слой покрыт тон­ким слоем (~ 10 мкм) никеля или лату­ни. На нею нанесен слой сплава PbSn толщиной 25 мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улуч­шает прирабатываемость. Когда он из­носится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющей невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости. Слой ни­келя служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в сви­нец бронзы.

Неметаллические материалы. Для из­готовления подшипников скольжения применяют пластмассы термореак­тивные и термопластичные (полимеры) более десяти видов. Из термореак­тивных пластмасс используют тексто­лит. Из него изготовляют подшипники прокатных станов, гидравлических ма­шин, гребных винтов. Такие подшипни­ки допускают тяжелые режимы работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой.

Из полимеров наиболее широко при­меняют полиамиды: ПС10, анид, капрон (ГОСТ 10589 -73) и особенно фторо­пласт (Ф4, Ф40). Достоинство полиме­ров низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Исключительно высокими антифрик­ционными свойствами обладает фторо­пласт, коэффициент трения которого без смазочного материала по стали соста­вляет 0,04-0,06. Однако фторопласт «те­чет» под нагрузкой и, как все полимеры, плохо отводит теплоту. Он может при­меняться лишь при ограниченных на­грузках и скоростях. Высокие антифрик­ционные свойства фторопласта реали­зуют в комбинации с другими материа­лами, используя его в виде тонких пленок либо как наполнитель.

Комбинированные материалы. Такие материалы состоят из нескольких ме­таллов и неметаллов, имеющих благо­приятные для работы подшипника свой­ства. Рассмотрим подшипники двух ти­пов.

1. Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой метал­лургии из материалов различной ком­бинации: железо-графит, железо-медь (2-3 %)-графит или бронза-графит. Графит вводят в количестве 1-4 %. По­сле спекания в материале сохраняют 15-35 % пор, которые затем заполняют маслом. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения под влиянием нагрева поры рас­крываются полнее, и смазочный мате­риал поступает обильнее. Тем самым осуществляется автоматическое регули­рование подачи смазочного материала (его запас находится в специальной ка­мере). Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

2. Металлофторопластовые подшип­ники изготовляют из металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде свертных втулок методом точной штамповки. Лента состоит из четырех слоев. Первый слой (приработочный) вы­полнен из фторопласта, наполненного дисульфидом молибдена (25% по мас-се). Толщина слоя 0,01-0,05 мм. В тех случаях, когда допустимая величина ли­нейного износа достаточно велика, первый слой утолщают до 0,1-0,2 мм. Второй слой ( ~ 0,3 мм) - бронзофторопластовый. Он представляет собой слой пористой бронзы БрО10Ц2, полученный спеканием частиц порошка сферической формы. Поры в этом слое заполнены смесью фторопласта с 20% РЬ (или фторопласта и дисульфида молибдена). Третий слой (0,1 мм) образован медью. Его назначение - обеспечить прочное сцепление бронзового пористою слоя с четвертым слоем - стальной основой. Толщина основы, которую изготовляют из стали 08кп, составляет 1-4 мм.

При работе такого подшипника по­ристый каркас второю слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку, а по­верхностный слой и питающая ею фто-ропластовая «губка» выполняют роль смазочного материала, уменьшая тре­ние. Если первый слой в отдельных ме­стах по какой-либо причине изнаши­вается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повыше­нием коэффициента трения и темпера­туры. При этом фтороспласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейною расширения, чем брон­за, выдавливается из пор, вновь созда­вая смазочную пленку.

При тяжелых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327 °С, происходит плавление свинца. Образую­щаяся жидкая фаза снижает коэффи­циент трения и тепловыделение.

Металлофторопластовые подшипники имеют высокие антифрикционные свойства (в диапазоне температур - 200 – 280 С ,f= 0,03 - 0,1; pv = 1500*10^5 Па-м/с). Их используют в узлах трения, работающих без смазоч­ного материала, хотя ею введение оказывает благоприятное действие. Они могут работать в вакууме, жидких сре­дах, не обладающих смазочным действием, а также при наличии абра­зивных частиц, которые легко «утапли-ваются» и мягкой составляющей мате­риала. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Минералы. Естественные (агат), искус­ственные (рубин, корунд) минералы или их заменители - сит аллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольже­ния -камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборахчасах, гироскопах, тахометрах и г. д. Главное достоинство таких опор-низ­кий и стабильный момент треиия. Низ­кое трение достигается малыми разме­рами опор, что уменьшает плечо дей­ствия силы трения, а также низким коэффициентом трения вследствие сла­бой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твердости выдерживать громадные контактные давления.

Фрикционные материалы

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент. Они ра­ботают в тяжелых условиях изнашива­ния при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастаю­щей до 1000 С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы дол­жны иметь высокий и стабильный в ши­роком интервале температур коэффи­циент трения, минимальный износ, вы­сокие теплопроводность и теплостой­кость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требо­ваниям удовлетворяют многокомпо­нентные неметаллические и металличе­ские спеченные материалы. Их произво­дят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным дета­лям, например дискам трения. Выбор материала производят по предельной поверхностной температуре нагрева и максимальному давлению, которые он выдерживает. Неметаллические материа­лы применяют при легких (tпред<200 C , pмах<0.8 МПа) и средних (tпред=400 C , pмах=1.5 МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют асбофрикционные материалы, состоящие из связующего (смолы, каучука), наполни­теля и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придаст материалу теплостойкость, по­вышает коэффициент трения и сопроти­вление схватыванию. К нему добавляют металлы (Сu, Al, Pb, латунь) в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруд­нения схватывания (этому же способ­ствует свинец, который, расплавляясь, служит как бы жидким смазочным ма­териалом), оксиды или соли металлов (оксид цинка, барит BaS04 и др.) для увеличения коэффициента трения.

Из асбофрикционных материалов наи­большей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-24А и ФК-16Л), который содержит 25 % , фенолформальдегидной смолы, 40 %, асбеста, 35 % барита, рубле­ную латунь и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффи­циент трения 0,37-0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, ав­томобилей и других машин.

Недостатком неметаллических мате­риалов является невысокая теплопровод­ность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах тре­ния (tпред<1200 C , pмах<6 МПа) Их производят па основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компо­нентов (Sn, Pb, Ni и др.), обеспечиваю­щих прочность, хорошую теплопровод­ность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки - ас­бест, графит, оксид кремния, барит. Они выполняют те же функции, что и в асбофрикционных материалах.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материа­ла, а на основе меди-при смазывании маслом.

В многодисковой тормозной системе самолетов используют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопровод­ности и малой плотности






Случайные файлы

Файл
76596-1.rtf
18626.rtf
97865.doc
34116.rtf
10421.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.