1. Материаловедение – наука, изучающая связь между
структурой и свойствами материалов, а также их изменения
при внешних воздействиях (тепловом, механическом,
химическом и т.д.). Задачей триботехнического
материаловедения является изыскание оптимальных с
позиций трибологии структуры материалов и технологий
обработки поверхностей трения при изготовлении и
эксплуатации пар трения.
Объект триботехнического материаловедения – два
больших класса материалов: фрикционные и
антифрикционные. Принято называть фрикционными
материалы с коэффициентом трения f > 0,2 и
антифрикционными с f < 0,2. Есть небольшая группа
материалов, которые в разных узлах машин используют и как
фрикционные, и как антифрикционные.
2. Схема совокупности триботехнических материалов:
1 - антифрикционные, 2 - фрикционные, 3 - материалы, используемые в разных
узлах как антифрикционные и как фрикционные
3. Сочетание материалов в паре трения должно отвечать
критериям совместимости. Совместимость материалов
– свойство обеспечивать оптимальную работоспособность
пары трения при заданных условиях эксплуатации.
Совместимость смазочных материалов – способность
материалов смешиваться между собой без ухудшения
эксплуатационных свойств и стабильности при хранении.
При трении без смазки главным критерием совместимости
материалов является предотвращение схватывания. При
смешанном трении совместимость наиболее полно
проявляется в периоды приработки, пуска и остановки пар
трения. Совместимость при жидкостном трении оценивают
по степени коррозионного повреждения истираемых тел в
смазочных материалах.
5. Чтобы придать фрикционному материалу положительный
градиент механических свойств, нужно создать в зоне трения
пластическое «третье тело», сопротивление сдвигу которого
было бы ниже, чем у материалов трущихся деталей.
Реализовать эту идею можно двумя путями:
1) ввести во фрикционный материал компоненты,
образующие на поверхности трения пластические слои –
оксиды металлов, твердые смазки, цветные металлы и т.п.;
2) использовать в качестве фрикционных такие материалы,
которые под действие напряжений сдвига и фрикционного
нагрева размягчаются или термически разлагаются.
6.
7.
8. Резина на основе ряда синтетических каучуков (силоксановые,
фторсилоксановые, фторкаучуки и др.) является антифрикционным материалом,
который используют в подвижных уплотнениях при жидкостной смазке. В
государственных и ведомственных стандартах на уплотнения регламентированы
группы резин (теплостойкие, масло- и бензостойкие, вакуумные и т.д.), их
показатели и приемлемые условия трения.
Новый вид антифрикционной резины – так называемая «скользкая» резина.
Поверхность трения резиновой детали покрывают слоем фторопласта и
обрабатывают в вакууме частицами высокой энергии. При этом на поверхности
трения формируется тонкое фторопластовое покрытие, химически связанное с
подложкой. Деталь, сохраняя присущую резине эластичность, приобретает
характерный для фторопласта низкий коэффициент трения.
Пластмассы – наполненные, армированные или иным образом
модифицированные полимеры. В технике редко применяют полимеры в чистом
виде, предпочитая пластмассы.
По признакам процессов, сопутствующих формованию изделий, пластмассы
делят на термопласты и реактопласты. Переработка реактопластов
сопровождается химическими реакциями образования трехмерной структуры –
отверждением, вследствие чего пластмасса утрачивает способность переходить в
вязкотекучее состояние. Термопласты не теряют этого свойства при переработке,
их можно подвергать многократному переплаву.
9. Полиамиды – гетероцепные высокомолекулярные
соединения, содержащие в основной цепи азот. Торговые
названия пластмасс на основе полиамидов – капрон, найлон,
капролон, анид и др. Их достоинство – сочетание хороших
технологических свойств, высокой прочности и
износостойкости. Из полиамидов изготавливают втулки
подшипников скольжения.
Полиолефины (на примере полиэтилена), основная цепь
которого состоит из атомов углерода, а боковые звенья – из
атомов водорода. В зависимости от условий полимеризации
получают полиэтилен различной молекулярной массы. Из сверх
высокомолекулярного полиэтилена делают детали эндопротезов
суставов. Полиэтилен имеет высокую химическую стойкость и
низкую стоимость, но менее теплостоек, чем полиамиды.
10. Фторопласты – состоят из макромолекул в виде
углеродной цепи, к которой присоединены атомы фтора. Такие
макромолекулы слабо взаимодействуют друг с другом.
Поэтому фторопласты химически инертны, имеют низкий
коэффициент трения, практически не сорбируют влагу.
Недостатком фторопластов является склонность к ползучести –
непрерывной пластической деформации под действием
постоянного напряжения. Из-за этого их редко применяют в
чистом виде, предпочитая наполнять порошками кокса,
графита, нитридов и т.п., армировать волокнами, проволокой,
сетками и др. Фторопласты малолетучи и не теряют
антифрикционности в среднем вакууме. Пластмассы на основе
фторопластов незаменимы для узлов трения, работающих в
агрессивных средах химической промышленности. Широко
применяются подшипниковые материалы в виде стальной
ленты 1 с пористым металлическим покрытием 2 (бронза,
титан, нержавеющая сталь), пропитанным фторопластом 3.
12. Углеродные материалы – совокупность композиционных материалов
триботехнического назначения, содержащих компоненты на основе
углерода. В нее входят углеродопласты и композиты на углеродной и
графитизированной матрицах.
Углеродопласты – полимерные материалы, содержащие в качестве
упрочняющего компонента углеродные волокна в виде жгутов, матов,
рубленых волокон. Их применение в качестве антифрикционных
материалов обусловлено наличием графита, являющегося твердым
смазочным материалом и обладающего высокой теплопроводностью.
Углеродопласты сочетают высокую прочность и малую плотность.
Металлокерамические антифрикционные материалы содержат
твердые смазочные компоненты. Они могут работать без смазки в условиях
загрязнения зоны трения твердыми частицами. В технике используют
следующие группы таких материалов.
Пористые сплавы железа и графита (железографит), бронзы и графита
(бронзографит), алюминия и графита (алюмографит), а также серебра и
меди с графитом применяются в подшипниках скольжения и скользящих
электрических контактах. Они характеризуются высокой электро- и
теплопроводностью. Вместо графита используют дисульфиды и
диселениды металлов, нитрид бора и др.
13. Ленточные металлокерамические материалы содержат в качестве
основы металлическую ленту, на которую напекают пористый слой из
керамического порошка. Этот слой затем пропитывается металлическим
сплавом, например баббитом.
Материалы валов имеют большое значение в обеспечении надежной
работы триботехнических систем энергетических установок и повышении
износостойкости пар трения. Правильный выбор материала не только
подшипников, но и валов во многом определяет ресурс не только опорных
узлов, но и всего двигателя в целом. Стали, используемые для изготовления
валов энергетических установок, коленчатых валов ДВС, полуосей, осей,
распре-делительных валов, шатунов и других изделий: легированные
конструкционные по ГОСТ 4543; марганцовистая 35Г2, 40Г2 и 50Г2;
хромомолибденовая ЗОХМ, ЗОХМА, 35ХМ и 38ХМ; хромоникелевая
40ХН, 45ХН, ЗОХНЗА; хромоникелевая с бором ЗОНР. 40ХР и
хромомарганцовистоникелевая с бором 40ХГНР.
Как правило, стали проходят соответствующую термическую обработку
(закалку, отпуск): либо объемную, либо поверхностную.
Для изготовления узлов трения, эксплуатируемых в агрессивных средах,
применяют детали из высоколегированных нержавеющих сталей марок:
I4X17H2, 20ХВН4Г9, 12Х18Н10, 08Х17Н15МЗТ и др.
14. Смазывание поверхностей трения деталей машин
необходимо для уменьшения сил трения, интенсивности
изнашивания и нагревания деталей, а также для предохранения
поверхностей от коррозии во время остановки машины. Кроме
того, смазочный материал оказывает демпфирующее и
охлаждающее действие. Потоком смазочного материала
отводится как теплота, возникающая при трении, так и теплота
от нагретых частей машины, например, в паровых турбинах,
двигателях внутреннего сгорания, насосах для перекачки
горячих жидкостей. Потоком масла выносятся также из зоны
трения продукты изнашивания. Смазочные материалы могут
быть жидкие (масла, вода, агрессивные среды и другие
жидкости), в виде эмульсии, газообразные, пластичные и
твердые (тальк, графит, дисульфид молибдена и др.).
15. Демпфирующее действие смазочного материала заключается в снижении
динамичности переменной нагрузки и в уменьшении поперечных и продольных
колебаний при переходе через критическую частоту вращения валов.
Одновременно под влиянием масляного слоя возможен рост вибрации роторных
машин, нару-шающей нормальную их работу.
Физико-химические характеристики жидких смазочных материалов
(СМ) – это регламентированные стандартами показате-ли для оценки качества.
Такими показателями являются: плотность номинальная (при заданной
температуре), вязкость номинальная (определяется обычно при температуре 50
или 100°С); температура вспышки – наинизшая температура вспышки паров
нагреваемого СМ при приближении пламени в условиях обычного давления;
температура застывания – наивысшая температура, при которой масло теряет
текучесть по определенному допуску (масло после наклона стандартной
пробирки под углом 45° остается неподвижным в течение 1 мин); кислотное
число (КОН) – число миллиграммов едкого калия, требующегося для
нейтрализации 1 г СМ; коксуемость – отношение (в процентах) массы кокса к
навеске испытуемого СМ; зольность – наличие в СМ несгораемых веществ;
содержание механических примесей; содержание воды; содержание
водорастворимых кислот и щелочей; коррозионное воздействие на железные
и медные пластинки; содержание серы; содержание растворителей – фенола,
крезола, нитробензола и фурфурола, применяемых при селективной очистке СМ.
16. Присадки к смазочным маслам. Для улучшения эксплуата
ционных свойств минеральных масел применяют специальные добавки
к ним, называемые присадками. Присадки к маслам должны в них
хорошо растворяться, не выпадать в виде осадка, не задерживаться на
фильтрах смазочной системы и не оседать на поверхностях трения. По
назначению присадки бывают: антифрикционные – для стабилизации
сил трения или снижения их в условиях граничного трения;
противоизносные – для уменьшения интенсивности изнашивания
поверхностей; противозадирные для предотвращения и смягчения
процесса заедания поверхностей; вязкостные – для улучшения
вязкостнотемпературных характеристик масел; депрессорные – для
понижения температуры застывания масел; противоокислительные
(ингибиторы) – для замедления окисления масла кислородом воздуха,
применение их понижает корродирующие свойства масел; анти
коррозионные – для уменьшения коррозионного действия масел на
металлы; моющие – для уменьшения углеродистых отложений на
деталях двигателей; противопенные – для предотвращения
вспенивания масел и для быстрого разрушения пены;
многофункциональные – для улучшения одновременно нескольких
свойств масел.
17. Выбор смазочных материалов производится для вновь
проектируемых машин, для машин после их модернизации и
для действующего оборудования при изменении условий
эксплуатации. Выбор зависит от многих условий, основными
из которых являются: конструкция узла трения, рабочий
режим (нагрузка, скорость, температура), особенности
рабочего и технологического процесса, внешняя среда
(температура воздуха, его влажность, запыленность, наличие
агрессивных газов и т. п.), квалификация обслуживающего
персонала и удобство обслуживания механизма, требования
надежности и экономические факторы. Выбор СМ начинается
с оценки целесообразности применения жидкой смазки или
пластичного СМ.
