Классификация износостойких материалов

Раздел I

«ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

Лекция № 1

Тема: «ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЯХ»

Введение

Характеристика износа

Виды изнашивания

Совместимость трущейся пары

Классификация износостойких материалов

ВВЕДЕНИЕ

Проблема контактного взаимодействия твердых тел в современной технике имеет очень важное значение. В первую очередь это связано с долговечностью и надежностью машин, которые, как показала практика, в основном определяются выходом из строя подвижных сопряжений, меняющих свои размеры под воздействием сил трения. Это приводит к потере точности, к вибрации, уменьшению герметичности сочленений, понижению КПД машин, а также к отказам в их работе по причинам задиров и заедания подвижных сопряжений.

Более 80% мирового парка машин выходит из строя в результате износа узлов трения, а интенсивность изнашивания находиться в прямой зависимости от материалов, скоростей нагрузки, мощностей и режимов эксплуатации подвижных сопряжений.

Важная роль в надежных и высокоэффективных машинах и механизмах принадлежит различным триботехническим материалам, работающим в узлах трения, способных обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженных деталей.

 

ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗНОСА

Трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения их поверхностей по касательному к ним направлению.

Усилие, необходимое для преодоления этого сопротивления называется силой трения.

Отношение силы трения между двумя телами к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу, представляет собой коэффициент трения.

Износостойкость – свойство материала оказывать, в определенных условиях трения, сопротивление изнашиванию.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материалов путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Различают линейный, массовый или объемный износ. Линейный объем определяют по изменению размеров, массовый и объемный износ определяют по уменьшению массы или объема. Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. Скорость или интенсивность изнашивания представляет собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. Различают линейную I_h, массовую I_m и энергетическую I_w интенсивности изнашивания и определяют по формулам:

 

I_h = Dh/L, I_m = Dm/rA_aL, I_w = Dv/FL,

где Dh, Dm, Dv – толщина, масса и объем изношенного материала; L – путь трения; F – сила трения; A_a – нормальная площадь поверхности трения; r - плотность материала.

Скорость изнашивания и износ зависят от времени. Существует три периода износа (рис. 1)

Схема интенсивности износа Dh во времени

 

Рис. 1

I – начальный, или период приработки, когда изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью;

II – период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания;

III – период катастрофического износа.

 

Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скоростей начального и установившегося изнашивания. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки.

 

ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ

Различают следующие виды изнашивания:

– абразивное – образуется твердыми частицами, попадающими в зону контакта;

– адгезионное – связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки, за счет того, что на одной поверхности трения образуются углубления, на другой – вырванные частицы повторно схватываются и бороздят трущиеся поверхности, вызывая их интенсивное разрушение и, из-за большого тепловыделения, сваривание (заедание);

– гидро – и газоабразивное – образуется твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом;

– эрозионное, гидро – и газоэрозионное – образуется за счет потока жидкости или газа;

– кавитационное – образуется от гидравлических ударов жидкости;

– фреттинг-процесс – при механическом способе воздействия;

– фреттинг-коррозия – при коррозионно-механическом воздействии;

– окислительное – разрушение поверхности путем среза оксидных пленок, которыми всегда покрыты трущиеся поверхности, это наиболее благоприятный вид изнашивания.

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.).

СОВМЕСТИМОСТЬ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ

Под совместимостью трущейся пары понимают свойство материалов предотвращать схватывание при работе без смазочного материала или в условиях нарушения сплошности масляного слоя. Совместимость достигается несколькими способами.

1. Использование защитных свойств оксидных пленок.

Большинство пластичных металлов (алюминий, свинец и др.), в том числе и титан имеют аномально высокий коэффициент трения и износ. Это обусловлено тем, что оксидная пленка имеет высокую твердость и прочность, а нижележащий металл мягок, поэтому пленка легко разрушается, и схватывание развивается даже при малой нагрузке. Если титан подвергнуть азотированию, то он станет износостойким, т.к. оксидная пленка сформируется на твердой основе.

Хром, сталь, а также медь образуют тонкие прочные пленки. Закаленные стали и стали, упрочненные химико-термической обработкой имеют высокую стойкость к схватыванию, которая повышается при сульфидировании и фосфатировании. При этом 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.

2. Подбор материалов пары трения.

Схватывание особо опасно для контакта двух твердых материалов. 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 и легкоплавкую составляющую. Например, в червячных передачах, червяк выполняют из стали с высокой твердостью (HRC 45-60), а червячное колесо – из оловянистой бронзы, имеющей в структуре мягкую составляющую. Мягкой составляющей в подшипниковых сплавах могут служить включения олова или свинца. Они как бы «намазываются» на стальную поверхность, не повреждая ее. Могут служить твердым смазочным материалом или плавиться и 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 в сопряжениях сталь - сталь, сталь – чугун, добавляя в жидкий смазочный материал присадки в виде порошков этих металлов или солей. При трении присадки формируют на стальной поверхности пленку мягкого металла, которая защищает сталь от износа.

3. Разделение поверхностей трения пленками полимеров (фторопласта, полиамидов 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. Поэтому полимеры имеют низкий коэффициент трения и без смазочных материалов.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ

В зависимости от механических и фрикционных свойств износостойкие материалы подразделяют на три труппы:

1. Материалы с высокой твердостью поверхности.

2. Антифрикционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения скольжения.

3. Фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения скольжения.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. М.А. Броновец. Теория трения, износа и проблемы стандартизации / М.А. Броновец и др. Брянск: Приокское книжное издательство, 1978. – 397 с.

2. В.А. Гольгаде. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем / В.А. Гольгаде, В.А. Струк, С.С. Песецкий. – М.: Химия, 1993. – 240 с.

3. Б.Н.. Арзамасов. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2004. – 648 с.

 

 

Лекция № 2

Тема «АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ»

Введение.