Шляхи зниження зношування.

 

Інтенсивність зношування деталей (знос за одиницю пробігу автомобіля), як уже відзначалося, залежить від трьох груп факторів: зовнішніх механічних впливів (навантаження, швидкості відносного переміщення), середовища (наявності на тертьових поверхнях мастильного матеріалу, абразивних часток; складу газів), матеріалу деталі.

Для заданих експлуатаційних умов необхідно усунути небажані види зношування (фреттінг-процес, схоплювання I роду, теплове зношування, механічну форму абразивної повреждаємості і зношування втоми), перейти до корозійно-окисного чи зношування механохімічної форми абразивного зношування і знизити його швидкість.

Зі зносом машин борють головним чином шляхом застосування різних металів, матеріалів і сплавів і спеціальних методів їхньої обробки при виготовленні тертьових деталей. У практиці найбільша кількість заходів щодо боротьби зі схоплюванням I роду зв'язано зі зменшенням пластичності тертьових поверхонь, що досягається такими способами: термічною обробкою (загартування, відпустка), що збільшує твердість, границі текучості і міцності; хіміко-термічною обробкою (цементація, азотування, дифузійне хромування); механічним зміцненням (накатка, розкочування роликами, обдування дробом і т.д.); нанесенням на поверхню нового шару з іншими властивостями шляхом гальванічного покриття та ін.

Усунення абразивних процесів зв'язано головним чином з очищенням середовища в зоні тертя від абразивних часток. Опір матеріалів абразивному зношуванню залежить в основному від їхньої твердості, межі в'язкості.

Слід зазначити, що сучасні фільтри грубого очищення олії затримують тільки 0,7–2% забруднюючих домішок утримуваних відповідно центрифугами і фільтрами тонкого очищення олії. Тому потрібне повнопотокове очищення олії, що надходить до поверхні тертя, що дозволить знизити знос деталей і двигунів. Так, використання повнопотокового паперового фільтра на двигуні ЗМЗ-24 замість фільтра тонкого очищення типу ДАСФО-2 і фільтри грубого очищення, що встановлювали на двигуні ГАЗ-21; за даними НАМИ, у 2–3 рази знизило знос гільз циліндрів, кілець, шийок колінчатого вала. Додаткове очищення олії у відцентрових пастках у порожніх шатунних шейках колінчатого вала знижують знос шатунних шийок у 1,5 рази.

Для поліпшення очищення повітря найбільш перспективними вважаються в даний час повітряоочисники з чи папера пінополіуретану, що пропускають тільки 0,1–0,4% пилу, тобто в 10 разів менше, ніж сучасні інерційно-масляні повітряоочисники.

Оскільки абразивні частки все-таки попадають у двигун, крім того, утворяться з продуктів зносу, конструктори підбирають зносостійкі матеріали для тертьових деталей: нірезісті вставки в гільзи, магнієвий чавун для колінчатого і розподільного валів. Так, зносостійкість валів з магнієвого чавуна в два рази більше чим у сталевих.

Для усунення зношування втоми необхідно, щоб навантаження при терті катання не перевищували границі текучості, що знаходяться в особливих умовах напруженого стану поверхневих шарів металу. Зносостійкість при окисному зношуванні може бути підвищена, по-перше, зміною пластичності тертьових металів у потрібному напрямку, тому що така зміна головним чином впливає на інтенсивність утворення вторинних структур. По-друге – зміною хімічної природи вторинних структур, що виникають у результаті адсорбції і дифузії в поверхневих шарах тертьових металів.

Досягнення високої антифрикційності залежить від визначеного комплексу характеристик тертьових поверхонь, при мінімальних значеннях дифузійної і механічної складових сили тертя: Властивостями, що забезпечують високу антифрикційність, володіють пари з твердої сталі і сплаву на основі Сu, Al, Sn, їхній застосовують у сполученнях вал – підшипник, поршневий палець – втулка, циліндр – поршневе кільце й в інші. При відповідному якості оброблених поверхонь і режимі експлуатації ці сполучення задовольняють умові антифрикційності.

Для фрикційних пар загальна сила зовнішнього тертя містить у собі механічні, дифузійну й адгезіону складові. Механічна складова, обумовлена субмікрошорсткостями дає велике збільшення сили тертя при контакті незмазаних поверхонь і не викликає великих зносів. Дифузійна складова також дуже впливає на силу тертя, тому що в результаті розвитку високих температур на тертьовому контакті дифузійні процеси розвиваються інтенсивно,

Усунення і локалізація схоплювання I роду. Усунення схоплювання I роду (збільшення критичних навантажень) засновано на одночасному використанні як поверхнево-активних властивостей змащень, так і їхньої здатності до хімічної взаємодії з металом.

Упавши здатні поліпшувати в значній мірі механічні властивості граничного шару (опір протискуванню) і знижувати концентрацію напруг. Це зв'язано безпосередньо з поверхневою активністю і з ефектом пластифікування й активації металу, що, у кінцевому рахунку, також приводить до посилення адсорбції.

При усуненні атермічного схоплювання особливого значення набуває не тільки кисень, але й інші хімічно активні речовини, що містять елементи, що сприяють модифікуванню поверхневих шарів (наприклад S, Р, Cl і ін.). Одержання значного сульфідірованого шаруючи можливо в результаті високого коефіцієнта дифузії сірки в залізо при незначній теплоті утворення сульфідів.

Присадки, застосовувані в комплексі, можуть чи підсилювати послабляти дія один одного. У випадку спільної дії кисню повітря й інших присадок велике значення мають такі фактори, як енергія активації і константи дифузії хімічно активних елементів середовища, структурний стан (щільність недосконалостей) з'єднання, що утвориться, з металом і ін.

Дуже істотну роль у мастильній дії грає склад газового середовища зони тертя. Головне значення при цьому має чи наявність відсутність у газовому середовищі кисню. При взаємодії з полем деформуємого металу, його каталітичному впливі, дії механічних навантажень, температур і газового середовища, олії випробують істотні зміни. Ці зміни залежать від складу олій (домішок). У результаті розчинення і хімічної взаємодії молекул змащення і продуктів її деструкції відбувається насичення змащення киснем. При оцінці загальної картини мастильної дії необхідно враховувати спільна дія УПАВШИ і ХАВ і вибір їхніх оптимальних співвідношень.

З модифікацією поверхонь металів при терті безпосередньо зв'язані питання розширення границь нормального тертя і зносу (наприклад, усунення схоплювання I і II роду) і оптимізація сил тертя і швидкості зносу в цьому діапазоні. У практиці застосування хімічно активних речовин головна увага приділялася використанню добавок, що перешкоджають виникненню і розвитку схоплювання II роду. Хімічної модифікації металу тертьових поверхонь з метою локалізації схоплювання I роду і мінімізації нормального зносу приділялося значно менше уваги. Дуже слабко розроблені методи оцінки мастильних матеріалів у зв'язку з задачами боротьби зі зносом і пошкоджуваністю деталей машин.

При експлуатації автомобілів на знижених теплових режимах, (у зимовий час у міських умовах, у зонах холодного клімату і т.д.) у двигунах виникає підвищене шлакоутворення, що також знижує їхню надійність. Тому застосовувані олії повинні перешкоджати утворенню шлаків, нагару, низькотемпературного шламу. Крім того, моторні олії повинні забезпечувати нейтралізацію продуктів окислювання, що утворяться при згорянні палива, перешкоджати піноутворенню і т.д.

Різні властивості сучасних олій для автомобільних двигунів визначаються властивостями базової олії і домішок, що підвищують функціональні якості олій і їхня стабільність. Миюче- диспергіруючі домішки перешкоджають осадженню часток сажі й укрупненню углеродистых часток в олії. У результаті застосування таких присадок олія задоволена швидко сутеніє, а деталі двигуна залишаються чистими. Тому існуюче серед практиків думка, що потемніння олії визначає погіршення його властивостей, неправомірно. Це означає, що в ньому успішно діє миюче-диспергіруюча домішка. Як такі присадки застосовують високолужні сульфати і різні інші солі карбонових і сульфокислот. Велика частина миючих і диспергуючих домішок містить чи барій кальцій.

Антиокисні й антикорозійні домішки розглядаються спільно як функціонально співпадаючі. Призначення першої з них полягає в гальмуванні процесів окислювання олії в двигуні, а другий – у запобіганні корозії антифрикційних сплавів. Розходження цих присадок в основному складається в механізмі їхнього впливу. До складу антикорозійних присадок входять сірка і фосфор, що взаємодіючи з металами, утворять на тертьових поверхнях міцні фосфатні чи сульфідні плівки.

Домішки, що поліпшують характеристику в'язкості, застосовуються для того, щоб створити положисту залежність в'язкості від температури, тобто зменшити в'язкість при низьких і збільшити її при високих температурах. У сучасних оліях це робиться шляхом згущення малощільної базової олії за допомогою присадок. Зниження в'язкості олії при низьких температурах, тобто підвищення його плинності поліпшує прокачиваємість олії. Під останньою мається на увазі здатність олії переміщатися по каналах, трубопроводам і через маслопровідні отвору під впливом насоса, і завдяки цьому вчасно надходити до тертьового деталям.

Протизносні і протизадирні домішки являють собою сірчисті, хлористі і фосфорні з'єднання різних видів і в різних сполученнях, а також високомолекулярні жирні кислоти і їхні ефіри. Особливе значення мають протизадирні домішки, що рекомендується застосовувати одночасно з миючими, іноді сприятливому виникненню схоплювання і задиров у пари кулачок – штовхальник.

Високими протизносними якостями володіють полімерні домішки, що містять, крім фосфору і сірки, барій і цинк. Збільшення міцності граничних шарів, здатність поверхні тертя від хімічної й електрохімічної корозії досягається також додаванням до мастила графіту.

Протипінні домішки призначені для запобігання аерації олії, що знижує його тиск у системі й погіршує його протизносні властивості. Звичайно миючі домішки підсилюють пенообразование, особливо при високов'язких оліях. Для зниження піноутворення використовують протипінні домішки, у якості яких і при міняються кремнійорганічні й інші з'єднання.

Прироботочні домішки вводять в олію для прискорення процесу неповного чи приробляння обкатування, здійснюваної в умовах виробництва, і ремонту двигунів. Раніше при обкатуванні застосовували малощільні олії та присадку Азнії-4 чи ЦИАТИМ-339. Згодом при обкатуванні сучасних форсованих двигунів було встановлено, що, незважаючи на гарну прокачиваємість і охолодну здатність, малощільні олії не витримують високих тисків.

Захист деталей конструкції від корозії. Захист деталей з вуглицевих і малолегірованих сталей від корозії роблять механічними, електрохімічними, хімічними методами. На деталі наносять металеві, електрохімічні, хімічні, полімерні, лакофарбові покриття, виконують їхню хіміко-термічну обробку.

При анодних металевих покриттях цинком, кадмієм, хромом, нікелем, міддю, оловом забезпечується не тільки механічна, але й електрохімічний захист. Металеві покриття наносять гальванічним, дифузійної чи методами методом напилювання.

Фосфатування деталей, що працюють у мастилі, дозволяє створити на поверхні деталі фосфатну плівку, що є дуже гарним ґрунтом для нанесення лакофарбових покрить. Перед фарбуванням рекомендується деталі додатково обробити розчином хромпіка.

Полімерні покриття захищають сталеві деталі від атмосферної корозії, значно підвищують довговічність їхньої роботи навіть у сильно агресивних середовищах. При висиханні, наприклад, лакофарбових матеріалів утвориться захисна масляна чи полімерна плівка.

Для хіміко-термічних методів обробки деталей з вуглицевої і малолегірованої сталі найчастіше застосовують антикорозійне азотування при температурі 650°С в плин 3 ч з наступним охолодженням в олії.

Деталі з алюмінієвих сплавів захищають від корозії шляхом створення щільної окісної плівки анодною обробкою (оксидуванням) чи хімічним оксидуванням, металевими покриттями за допомогою чи плакування металізації напилюванням, з'єднання їхній з більш активними металами, лакофарбовими покриттями.

У процесі експлуатації деталі від корозії захищають електрохімічним методом, обробкою корозійного середовища і покриттями. Електрохімічний захист гальмує катодні чи анодні процеси. При катодному захисті поверхні деталі поляризують за допомогою чи протекторів зовнішнього струму до потенціалу визначеної величини. Приєднаний до деталі протектор з чи металу сплаву з більш негативним потенціалом, чим у металу деталі, стає розчинним анодом, а деталь – катодом короткозамкнутого гальванічного елемента. При цьому корозія деталі різко чи знижується припиняється зовсім. Як протектори для сталевих деталей використовують сплави магнію, цинку, алюмінію.

Обробкою корозійного середовища зменшують швидкість корозії металевих деталей. Наприклад, корозійну активність великої кількості води знижують видаленням з її кисню, або нагріванням води до температур, при яких розчинність кисню різко знижується, або продувкою води корозіонно-інертними газами, або фільтрацією гарячої води через шар сталевих знежирених чи стружок через фільтр, заповнений сульфідом заліза.

При обмеженому обсязі рідини застосовують інгібітори корозії, спеціальні добавки. Інгібітори можуть бути анодними чи катодними по механізму захисної дії, органічними чи неорганічними по складу; для розчинів і летучі – за умовами застосування, для кислотних, лужних і нейтральних середовищ – по цільовому призначенню. Про ефективність інгібіторів можна судити по такому прикладі: добавка інгібіторів у моторне паливо й олію в 2–3 рази підвищує ресурс двигунів. Особливо ефективні інгібітори атмосферної корозії.

Органічні інгібітори зменшують швидкість корозії металів у розчинах кислот як за рахунок підвищення інтенсивності виділення водню, так і за рахунок адсорбції на поверхні металу. Летучі інгібітори мають високу пружність пари, тому швидко заповнюють навколишню атмосферу, адсорбуються на металевих поверхнях.

У процесі експлуатації шин у гумі протектора спостерігається зміна типу зв'язків. Так, після 45 тис. км пробігу шин 9.00–20 у протекторі з гуми на основі натурального каучуку збільшилася густота просторової сітки, зменшилося число полісульфідних зв'язків, а число моно- і дісульфідних зв'язків збільшилося. Така зміна структури сітки сприяє зниженню міцностних властивостей гуми.

Зносостійкість гуми не можна зв'язувати тільки з її механічними властивостями (твердість, модуль пружності, опір розриву) чи з опором різним видам старіння, хімічною і механохімічною стійкістю. Необхідно враховувати і зміна молекулярної структури поверхневого шару гуми при механохімічному зношуванні. Експериментальні дані говорять про те, що при стиранні на повітрі поряд з розпадом сірчистих зв'язків і деструкції молекулярних ланцюгів відбуваються сполучені процеси вторинного структурування, що можуть привести до утворення тендітної поверхневої плівки. Механічні напруги активують процес термохімічного розпаду молекулярних ланцюгів і вузлів.

Таким чином, у процесі механохімічного зношування змінюється молекулярна структура поверхневого шару і, як наслідок, погіршуються міцностні, усталостні й інші властивості гуми, а отже, зменшується їхня зносостійкість.