9.2 Трение и изнашивание

По характеру движения различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида проявляются совместно, например при качении с проскальзыванием.

В зависимости от режима смазывания различают трение без смазочного материала и со смазочным материалом, причем механизм влияния смазочного материала бывает разным.

Трение без смазочного материала — режим, при котором необходимо создание большой силы трения (например, в тормозах, в передачах трением и т. д.) или смазочный материал не пригоден (например, в чистом производстве). В точках фактического контакта действуют силы молекулярного притяжения, вызывающие адгезию (прилипание). При этом относительное смещение контактирующих поверхностей сопровождается деформацией сдвига, а следовательно, затратой энергии. Еще более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей (соединение в результате деформирования). Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей, вызывающим рывки и вибрацию в начале и в конце движения. На коэффициент трения сильно влияют пленки окислов, влага, загрязнения.

Трение при граничной смазке — режим трения, при котором поверхности разделены слоем смазочного материала толщиной от одной молекулы до 0,1 мкм. На поверхности твердого тела адсорбируются (концентрируются) и прикрепляются поляризованные молекулы смазочного материала в виде ворса. Эта связь наиболее прочна в одно молекулярном слое и ослабевает по мере удаления от поверхности. Форма граничной пленки повторяет микрорельеф поверхности. Под нагрузкой происходит деформация площадок фактического контакта, но без нарушения целостности пленки, так

как она обладает высоким сопротивлением сжатию по нормали к твердой поверхности (свыше 103 Н/мм2). При скольжении нагруженных поверхностей «ворсинки» изгибаются и молекулярные слои скользят один относительного другого. На площадях со значительной пластической деформацией и в точках с высокой температурой происходит разрушение пленки со схватыванием обнажившихся участков. Но лавинного схватывания не происходит, так как пленка «самозалечивается» за счет большой скорости адсорбции смазочного материала на поверхности трения. Со временем граничная пленка изнашивается, смазочный материал из нее уносится на продуктах износа, а также разрушается от окисления. Особенность граничной смазки заключается в том, что на процесс не влияет вязкость смазочного материала.

Введено понятие маслянистости. Это комплекс свойств, оценивающихся по величине коэффициента трения и зависящих от состава основы смазочного материала и наличия определенных присадок в нем для данного сочетания материалов пары трения. Требования к смазочному материалу состоят в том, что пленка должна противостоять большим сжимающим усилиям и в то же время не оказывать большого сопротивления сдвигу.

Трение при жидкостной смазке — это режим трения, при котором происходит полное разделение пар трения слоем смазочного материала. Он является наиболее благоприятным по потерям энергии и износу. Если толщина слоя смазочного материала, разделяющего поверхности трения, больше толщины граничной пленки (0,1 мкм), то с увеличением этого слоя уменьшается влияние твердой поверхности на отстоящие молекулы смазочного материала, а слои на расстоянии более 0,5 мкм от поверхности могут свободно смещаться один относительно другого. Это относится к идеально гладким поверхностям. Для шероховатых поверхностей минимальная толщина смазочного слоя для получения жидкостного трения должна быть не менее суммы максимальных высот выступов шероховатости, а с учетом отклонений формы и волнистости поверхностей и возможных деформаций под нагрузкой максимальная толщина слоя должна в 2 раза превышать указанную сумму.

В условиях внешнего нагружения полное разделение поверхностей может быть получено только при определенном давлении в слое смазочного материала, которое и уравновесит нагрузку. Существует два способа создания давления в несущем слое: гидростатический и гидродинамический.

При гидростатическом способе подача смазочного материала к паре трения осуществляется от внешнего источника под давлением. При гидродинамическом способе давление в жидкости возникает непосредственно между поверхностями трения. Необходимыми условиями для этого является наличие клинового зазора и взаимного перемещения, а размер зазора и скорость перемещения находятся в зависимости от нагрузки на поверхностях трения и вязкости смазочного материала.

Вязкость, или внутреннее трение, — это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкости Ньютона

где F — сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости; S — площадь сдвигаемого слоя; dV/dh — градиент скорости жидкости по толщине слоя; μ - коэффициент динамической вязкости. Он количественно характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев и имеет размерность Н·с/м2.

Трение при полужидкостной смазке — это режим трения, при котором на одной части поверхности трения осуществляется жидкостная смазка, а на другой части — граничная смазка. Нормальная нагрузка уравновешивается суммой сил молекулярного взаимодействия в граничной пленке на площадках контакта и сил гидродинамического давления в смазочном слое между площадками контакта. Сила трения состоит из сил взаимодействия поверхностей, покрытых граничной пленкой, и сил сопротивления вязкому сдвигу в слое смазки. Относительная доля каждой из этих составляющих зависит от нагрузки, скорости взаимного перемещения, геометрии поверхностей трения, количества и вязкости смазочного материала.

Гидродинамическое действие смазочного материала при полужидкостной смазке возникает, когда поверхности трения располагаются под углом, образуя клиновой зазор, и когда между неровностями в направлении движения образуются клиновые микро-зазоры в виде сужений и расширений по высоте. Трение при полужидкостной смазке имеет место в подшипниках скольжения, в парах винт—гайка, в парах с возвратно-поступательным движением. Этот режим сопровождается износом поверхностей трения. Для предотвращения интенсивного изнашивания контактное давление на поверхностях трения р не должно превышать определенной величины. Величина допускаемого контактного давления [р] зависит от материалов пары трения, шероховатости поверхностей, характеристик смазочного материала и в конкретных случаях отражает опыт применения трущихся пар.

Ориентировочно можно принимать [р] = 10 МПа.

Трение при эластогидродинамической смазке — это режим трения, при котором характеристики трения и толщина пленки смазочного материала определяются упругими свойствами материалов контактирующих тел и свойствами, характеризующими текучесть смазочного материала. При качении или качении со скольжением смазочный материал не успевает покинуть зону контакта. Большое контактное давление деформирует тела качения, увеличивает область малого зазора, делая его почти постоянным.

При высоком давлении вязкость смазочного материала возрастает и жидкость с большим трудом вытекает из узкой щели. Образуется пленка смазочного вещества в виде линзы толщиной 0,1... 10 мкм.

Трение при твердой смазке — режим трения, при котором поверхности трения разделяются твердым смазочным материалом. Условия смазки промежуточные между несмазанными и смазанными поверхностями, так как поверхности контакта сухие, а твердый смазочный материал придает им такие свойства, как будто они смочены (эквивалент смазочного эффекта).

Режим смазки напоминает граничное трение, поскольку твердый смазочный материал образует слой с необходимыми качествами по сжатию и сдвигу, но без строго ориентированной структуры.

Изнашивание — процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к изменению размеров, формы и состояния поверхности детали.

Результатом изнашивания является износ, выражаемый в единицах длины, объема, массы. Например, износ оценивают толщиной слоя h, снятой в результате изнашивания. Отношение толщины износа детали к пути трения Jh= h/s называется интенсивностью изнашивания. Отношение толщины слоя износа детали к времени, в течение которого происходит изнашивание, Jt = h/t называется скоростью изнашивания. Износостойкость, т. е. способность детали оказывать сопротивление изнашиванию, оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания.

Интенсивное изнашивание приводит к потере точности, понижению КПД, дополнительным динамическим нагрузкам, вибрациям и увеличению шума, к уменьшению прочности и потере работоспособности. Около 80% деталей механизмов и машин выходят из строя из-за изнашивания.

Изнашивание представляет собой разнообразное, многофакторное и очень сложное явление. Вид изнашивания зависит от геометрии и физико-химических свойств поверхностей, нагрузки, условий смазывания и окружающей среды.

Согласно стандарту различают 13 видов изнашивания. В механизмах и машинах представляют интерес механические виды изнашивания. Чаще всего в механизмах возникает усталостное изнашивание, которое проявляется в виде выкрашивания. Выкрашивание происходит при длительной эксплуатации. При повторном деформировании микрообъемов материала возникают усталостные трещины, развитие которых приводит к выходу их на поверхность, чему способствует наклонное ориентирование трещин к поверхности из-за пластического сдвига поверхностного слоя при трении. Наличие на поверхности смазочного материала способствует росту трещин. При контактировании в смазочном материале, попадающем в трещины, возникает давление, и он, будучи несжимаемым, действует подобно клину. Трещины в процессе развития выходят на поверхность, и материал отслаивается. Ямки, возникающие в результате отслаивания материала, приводят к уменьшению фактической площади контакта и росту напряжений, а в результате — к ускорению разрушения. Абразивное изнашивание проявляется в виде царапающего действия твердых частиц, находящихся в зоне контакта. Эти частицы в открытых передачах попадают извне, а в закрытых могут являться продуктами износа (из-за наклепа их твердость выше, чем у основного материала). Внедряясь в менее твердую поверхность, эти частицы, двигаясь с ней, при скольжении по другой поверхности действуют на нее как микро-резцы. Изнашивание при заедании проявляется при высоких нагрузках и в вакууме, когда контакт чистых участков материала приводит к схватыванию (местному свариванию) и последующему разрушению мостиков сварки. В результате происходит задирание (вырывание приварившихся частиц), перенос материала с одной поверхности трения на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженную поверхность, приводящие к повреждениям. Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в результате колебательных микро-смещений одной поверхности относительно другой. При этом разрушаются, возникают снова и опять разрушаются окисные пленки, а также происходит схватывание на участках чистого материала и разрушение очагов схватывания. Механическое изнашивание пластическим деформированием состоит в сглаживании и разрушении неровностей за счет среза и смятия микрообъемов, что особенно проявляется при качении со скольжением.

Следует отметить, что разные виды изнашивания часто действуют

одновременно и каждый конкретный вид, как правило, стимулирует другие

виды изнашивания.

11  Конструкционные и смазочные материалы 

11.1 Требования к конструкционным материалам

Качество детали и механизма в значительной мере зависит от правильного выбора материала. При выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали. Эксплуатационные требования к материалу определяются условиями работы детали в механизме. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала: прочность — способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций — характеризуется пределом прочности σи, пределом текучести σу, условным пределом текучести σ0,2, пределом выносливости σя, твердостью по Бринеллю НВ или Роквеллу HRC; износостойкость — способность материала сопротивляться износу — характеризуется твердостью НВ, HRC или допустимым удельным давлением qadm; жесткость — способность материала сопротивляться упругим деформациям — характеризуется при растяжении (сжатии) и изгибе модулем упругости Е, при кручении — модулем упругости G; упругость, характеризуемая пределом упругости σе и модулем упругости Е; антифрикционность, характеризуемая коэффициентом трения скольжения f; плотность; удельные характеристики — характеристики, приходящиеся на единицу массы; электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость, жаропрочность.

Технологические требования к материалу определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами. При изготовлении деталей методами обработки давлением (штамповка, прессование и т.д.) учитывают пластичность — свойство материала получать без разрушения значительные остаточные деформации; при изготовлении литьем учитывают легкоплавкость и жидкотекучесть — заполняемость без пустот узких полостей различных форм; при изготовлении методами механической обработки учитывают обрабатываемость резанием. К технологическим требованиям относят также термообрабатываемость — способность материала изменять механические свойства при термической (закалка, отпуск, отжиг) и термохимической (цементация, азотирование и т.д.) обработке и свариваемость — способность материала образовывать прочные соединения при сварке.

Экономические требования к материалу определяются его стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали. Например, при массовом и крупносерийном производстве дешевле изготавливать детали штамповкой, прессованием, с помощью литья, а при единичном или мелкосерийном производстве эти технологии из-за высокой стоимости оснастки (штампы, пресс-формы, литейные формы) очень дороги; в таких случаях выгоднее применять детали, полученные с помощью механической обработки. Выбор технологии изготовления детали влияет и на выбор материала.

При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы и неметаллические материалы.

11.2 Черные металлы

11.2.1 Чугуны

К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали (до 2,14 % углерода) и чугуны (свыше 2,14 % углерода).

Чугуны — это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения (конструкционные и со специальными свойствами) и химического состава (легированные и нелегированные).

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств — высоких хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием — белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30... 100 % дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что обусловливает высокие механические свойства. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами. Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств (износостойкость, немагнитность, коррозионная стойкость и т.д.) в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.).

Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2 %) и кремний (более 4 %).

Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ — серый чугун, ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают предел прочности (кгс/мм2) при растяжении. Например, марка СЧ 18 показывает, что чугун имеет σut =18 кгс/мм2 = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм2) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 — высокопрочный чугун с σut = 600 МПа и 5=2%.