Материалы для трущихся деталей

Трущиеся детали в зависимости от назначения изготовляют из кон­струкционных, инструментальных, антифрикционных, фрикционных и других износостойких материалов широкой номенклатуры. Иногда изно­состойкие материалы наносят в виде покрытия, пленок или накладок на остов из основного конструкционного материала. Износостойки­ми в технике называют материалы, которые при трении даже в тяжелых условиях нагружения сравнительно мало изнашиваются. Износостой­кость является общим требованием для триботехнических материалов, в том числе и фрикционных, за исключением приработочных покрытий и пленок.

При специфических требованиях, в частности по электропроводно­сти (скользящие контакты, ламели коллекторов электродвигателей), по стойкости к воздействию химически агрессивных сред (газов, в том числе горячих рабочих жидкостей в системах питания двигателей и ракет, ки­слот и щелочей), трущиеся детали изготовляют из легированных сталей и других сплавов специального назначения, оксидов металлов, металлоке­рамических, неметаллических и композиционных материалов.

Из конструкционных сталей изготовляют детали, которые должны удовлетворять условиям высокой прочности, жесткости или податливо­сти и иметь на тех или иных участках поверхности трения. Это детали типа валов, пальцев, болтов шарниров, зубчатых колес и т.д. Из стали и чугуна изготовляют силовые цилиндры, поршни, плунжеры и поршневые кольца. Чугун широко распространен как материал для станин, столов кареток, ползунов, направляющие которых подвержены трению; область применения его расширяется.

В подвижных сочленениях, как, например, в зубчатых муфтах, в си­лу небольших взаимных смещений детали изготовляют из незакаленных сталей, плохо работающих в парах трения. При повышении скорости скольжения и удельного давления чаще используют термоупрочнененные стали и сплавы, обладающие более высокой износостойкостью.

Износостойкость конструкционных сталей как величина, зависящая не только от структуры и твердости материалов, но и от соотношения свойств на контакте трения или соударения, особенно чувствительна к тепловому и силовому воздействию. При высоких начальных значениях износостойкости при комнатных температурах с повышением температу­ры до 500 — 700 °С она снижается на 50 — 100 %. Если за «1» принять из­носостойкость литейной конструкционной стали 20Л, то при сопоставле­нии износостойкости сталей других классов можно сделать вывод, что мартенситные и бейнитные стали обладают более высокими показателя­ми износостойкости, чем ферритного и перлитного классов.

Механизм изнашивания конструкционных сталей также недостаточ­но выяснен, хотя свойства поверхностей трения исследовали многие, проведя физико-химические исследования структуры триботехнических материалов в узлах трения. Более достоверные данные получены для па­ры трения сталь-бронза. Установлено, что при трении пары бронза-сталь в среде глицерина на поверхности трения образуется сервовитная пленка в результате распада медного сплава (твердого раствора), а смазочный материал пары бронза-сталь облегчает диффузионные процессы. Это можно уподобить скольжению тела по льду, когда низкий коэффициент трения обеспечивается сервовитной пленкой между льдом и металлом.

Физико-химические исследования структуры сервовитной пленки дали основание предположить, что материал пленки находится в состоя­нии, подобном расплаву. Пленка не способна к наклепу, имеет малые усилия сдвига, пориста, в верхней части не имеет оксидов, способна к схватыванию, при трении ее частицы могут переходить с одной поверхности трения на другую, т.е. схватываться без образования повреждений и увеличения сил трения.

Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Смазкой называют действие смазочного материала, в результате ко­торого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.

Смазывание — это подведение смазочного материала к поверхности трения. В качестве твердых смазочных материалов применяют графит и молибденит, реже дисульфиды молибдена, вольфрама или нитрид бора. При использовании твердого смазочного материала в подшипниках каче­ния трудно удержать его на поверхностях трения. Применяют разные способы нанесения порошкообразных материалов на поверхности дета­лей подшипника: втирание (шаржирование), вбивание (галтовка в бара­бане) и др. Главный недостаток твердых пленочных покрытий — быстрое их изнашивание и, как следствие, небольшой срок службы деталей.

Необходимые условия создания новых сплавов и сложность задачи подбора рациональной структуры триботехнического материала можно рассмотреть на антифрикционных подшипниковых сплавах, основное требование к структуре которых впервые сформулировано в 1897 г. Г. Шарли. Согласно правилу Г. Шарли, хорошо работающие антифрик­ционные сплавы должны иметь равномерно распределенные в пластич­ной основе твердые зерна с низким коэффициентом трения и малой склонностью к задирам. Этому правилу в свое время удовлетворяли все известные тогда подшипниковые сплавы. Однако в последние годы раз­работаны новые подшипниковые сплавы (например, свинцовая бронза), у которых мягкие включения свинца распределялись в твердой матрице. Можно также отметить и эффективные однородные антифрикционные материалы, такие как серебро, полиамиды и др.

Небольшие перемещения деталей в узле трения часто не вызывают у конструктора опасений относительно износостойкости. Однако при не­достаточной твердости материала долговечность деталей и узла трения может быть низкой.

Среди многочисленных материалов, применяемых в качестве изно­состойких (литейные сплавы черных и цветных металлов, металлокера­мические материалы, пластмассы, гранит, резина, кожа, дерево, компози­ты и др.), значительное место занимают медные сплавы. В таблице при­веден ряд износостойких медных сплавов, используемых в качестве ан­тифрикционных конструкционных материалов.

Механические свойства сплава
Сплав МПа 6,% Износостой­

кость,

%

НВ Применение сплава
ЛЦ16К4 294 — 343 15 116 — 121 100 — 110 Шестерни, штоки, клапаны и другие
С69400 (США) 560 — 20 — 125 — 110 — детали узлов тре­
700 25 150 160 ния, работающих при температуре
Vellow Brass Со 370 — 23 — 105 — 80 — до 250 °С
(Италия) 400 28 115 85
БрО5Ц5С5 147 — 176 4 — 6 105 — 115 58 Арматура
CuSn5Zn5Pb5(Франция) 200 — 250 12 107 — 118 60 подшипника,антифрикционные
ЛЦ23А6ЖЗМц2 286 — 705 7 120 — 141 160 — 165 детали
БрОЮФ1 215 — 245 3 108 — 122 78 — 88
Arpco М4 (США) 310 2 — 4 155 — 180 269 Детали высоконагруженных пар трения, червячные
БрА9Ж4Н4Мц1 587 12 121 — 130 156 передачи, венцы червячных колес
БрО8Н4Ц2 265 — 345 14 — 16 112 — 125 78 — 83