Материалы для пар трения Исполнитель
- Скачано: 46
- Размер: 227 Kb
Материалы для пар трения
План
- Металлы в узлах трения
- Антифрикционные материалы
- Методика подбора материалов
- Фрикционные материалы
- Требования к фрикционным материалам
{spoiler=Подробнее}
Металлы были и являются основным материалом, который используется для узлов трения. Это объясняется тем, что они, как правило, больше других материалов удовлетворяют разнообразным требованиям условий службы трущихся поверхностей. Металлы обладают такими качествами, как прочность и пластичность, способность образовывать различные виды соединений с одним или несколькими элементами. В зависимости от химической природы элементов и условий, в которых находится система, металлы могут образовывать между собой, а также с неметаллами: твердые растворы, эвтектические смеси и химические соединения.
Износостойкость чугунов и сталей зависит от их структуры. Каждая из структурных составляющих обладает различными свойствами, которые нужно учитывать при выборе технологии обработки металлов для различных узлов трения (табл. 7.1). Чаще всего с увеличением содержания углерода возрастает твердость и износостойкость сплавов. Важной характеристикой являются тип кристаллической решетки, число и характер распределения ее дефектов, анизотропия свойств кристаллов.
Для повышения износостойкости сталей и чугунов применяют" термическую или химико-термическую обработку (цементацию, азотирование, нитроцементацию, цианирование, сульфидирование, борирование), легирование хромом, никелем, марганцем, вольфрамом, молибденом, ванадием, поверхностное упрочнение (наклеп, - обкатку шариками, поверхностное выглаживание и калибрование. При трении структура металла активного слоя (близко расположенного к поверхности трения) меняется, а следовательно, меняются и свойства этого слоя, в первую очередь микротвердость. На рис. 7.1, 7.2 показаны различные зоны износа, образовавшиеся
Таблица 7. 1
Характеристики структурных составляющих стали и чугуна и их влияние на износостойкость
Структурная Характеристика Влияния на
составлающая изностойкость
Феррит Твердый раствор углерода При наличие ферритной
В железа основы стали и чугуны
имеют малую твер-
дость изностойкость.
Аустенит Твердый раствор углерода Отличается склонностью
в - железе к упрочнению при
пластитеской деформа-
ции поэтому несмотря на
невысокую твердость об-
ладает хорошей изно-
стойкостью особенно в
условиях удара и пласти-
ческого контакта.
Карбиды Химические соединения железа Входя в состав перлитов,
с углеродом – цементит (6,67% С) карбиды повышают изно-
при легировании- хим. соед. стойкость сталей и чугу-
железа с углеродом и легиру- нов
ющими элементами- сложные
карбиды.
Перлиты Ферритно-цементитная смесь С увелечением содржания
(итпы перлита;зернистый плас- перлита до 30% изностой-
тинчатый, сорбит,троостит) кость возрастает , в дал-
нейщем почти не меняется
Наиболее изностойки
Структурыс пластинчатым
перлитом.
Мартеисит Перенасыщенный твердый раствор Имеет высокую прочность
углерода в -железе (структура и твердость, обладает
закалки) высокой изностойкостью
Графит Кристаллическая модификатсия Включения графита
углерода (типы:пластинчатый , (особенно шаровидного)
хлопьевидний, шаровидний ) действуют как смазка
уменьшают коэффициент
трения, повышают изностойкость
Таблица 7.2 Микротвердость по зонам износа колец, Н/мм2
Место измерения Зона очагов Зоны микроре- Зона усталость-
Микротвердостью коррозии зания и пласти- ного износа
ческой деформа-
ции
На поверхности трения 8240 8240 9460
В сечении на ростоянии
от поверхности трения, мм:
0,05 7640 7840 7940
0,10 7640 7940 7940
0,15 7640 7840 7840
0,20 7740 7940 7840
2,00 7840 7840 7840
6,00 7840 7840 7840
на поверхности трения уплотнительного кольца торцевого уплотнения опорного катка гусеничного трактора, а в табл. 7.2 изменение микротвердости на поверхности трения и в активном слое.
На рис. 7.3 показан абразивный износ торцевой поверхности зубьев шестерни насоса НШ-32.
Рис. 7.3. Абразивный износ торцевой поверхности зубьев ведущей шестерни
шестеренного насоса НШ-32:
Изменение структуры металла активного слоя обусловлено деформацией этого слоя, переходом механической энергии в тепловую ,в зоне трения. В результате этого может произойти мгновенный местный нагрев .микрообъемов поверхности трения, а при выходе из контакта — их быстрое охлаждение. В зависимости от взаимодействия процессов механического и термического воздействий и степени их интенсивности в поверх- ностном слое происходит местное изменение химического состава,
вторичная закалка или отпуск, процессы рекристаллизации и
т. д. Могут возникать и так называемые «белые зоны» — нерав новесные структуры, характеризующиеся особо напряженным состоянием (рис. 7.4). Основные структуры, образующиеся при трении (вторичный аустенит и вторичный мартенсит), имеют бо- лее высокую микротвердость, чем металл в исходном состоянии,
и более высокую износостойкость.
Таким образом, износостойкость металла определяется не
только структурой в исходном (до трения) состоянии, но и сгрук- турой, формирующейся при трении.
Рис. 7.4. Образование вторичных неравновесных структур белых зон на поверхности трения (Х460). |
На износостойкость оказывает значительное влияние процесс возникновения, разрушения и воспроизводства на поверхности трения вторичных образований в виде пленок окислов. Этот процесс осуществляется в результате многократных нагружений единичных фрикционных связей.
При взаимодействии активных пластически деформированных поверхностных слоев металла с кислородом воздуха или смазочного материала, адсорбирующегося на поверхности трения, образуются химически адсорбированные пленки, пленки твердых растворов или химические соединения металла с кислородом. Удаление их с поверхности трения протекает как стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления пленок окислов, при этом отделение частиц износа наступает в результате многократно повторяющихся нагружений единичных фрикционных связей.
В ряде случаев в зависимости от конструкции узла трения на рабочей поверхности задерживается некоторое количество частиц износа, которые влияют на ход процесса изнашивания (как абразивные частицы).
При конструировании новых материалов целесообразно создавать структуры, .предусматривающие (для локализации схватывания) наличие твердых частиц, 'распределенных в сравнительно мягкой основе. Для деталей, имеющих твердость выше НЯС 50, оптимальной является структура отпущенного мартенсита. При твердости ниже НК.С 50 лучшей износостойкостью обладает сталь со структурой игольчатого троостита закалки. Для тяжело .нагруженных деталей, подвергающихся цементации и закалке с низким отпуском, недопустимо наличие сплошной карбидной сетки по границам зерен. В этом случае после цементации и перед закалкой рекомендуется проведение дополнительной термообработки нормализации. Процесс термообработки и соответственно выбор структуры стали должны разрабатываться так, чтобы в металле наряду с прочностью обеспечивался запас пластичности, благодаря чему повышается ее сопротивление пластической деформации и честному разрушению.
Одна из важнейших проблем современного машиностроения повышение износостойкости чугуна, который применяется для изготовления многих изнашивающихся деталей машин. Решающее влияние на антифрикционные свойства и износостойкость чугуна оказывают включения графита и фосфидная эвтектика чугуна, которые определяются структурой, зависящей от состава сплава, условий охлаждения литья и термической обработки. Износостойкость чугуна зависит также от содержания перлита: при увеличении содержания перлита до 30% износостойкость чугуна возрастает1, при дальнейшем увеличении содержания перлита износостойкость чугуна почти не меняется. На антифрикционные свойства чугуна влияют количество, форма и характер распределения графитовых включений в основной структуре. При работе чугуна .в паре трения графит выполняет двоякую роль: являясь непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает его сопротивление силам трения, а как продукт износа — играет роль смазки. Положительное влияние графита сказывается и в том, что в результате износа он заполняет мелкие поры на трущихся поверхностях детали, уравнивая удельные давления, действующие па поверхность. Установлено, что при одном и том же содержании графита износостойкость чугуна возрастает с уменьшением размера графитовых включений. Износостойкость чугуна зависит также от фосфидной эвтектики, в которую входит соединение Ре3Р, имеющее высокую твердость. Фосфидная эвтектика, находящаяся в виде твердого включения в перлитной или мартенситной структуре, повышает износостойкость чугуна (особенно при содержании фосфора в чугуне в пределах 0,3—1,0%; большее содержание фосфора в чугуне положительного влияния не оказывает). Если фосфидная эвтектика находится в виде включений в ферритной основе чугуна, тс эти включения легко выкрашиваются из слабой ферритной основы и начинают играть роль абразивных частиц в зоне трения, что резко увеличивает износ. Неблагоприятное действие повышенного содержания фосфора на износостойкость чугуна проявляется и при повышенных температурах в зоне трения.
Исследованиями также установлено, что повышение износостойкости чугуна при увеличении его твердости наблюдается лишь тогда, когда это связано с повышением твердости металлической основы, а не графитовых включений. При неизменном составе металлической основы чугуна я его химического состава повышение 'износостойкости происходит при 1наличии графитовых включений шаровой (глобулярной), а не пластинчатой формы. Отрицательно влияют на антифрикционные свойства чугуна внутренние напряжения.
антифрикционные материалы
Баббиты
Баббитами называют мягкие антифрикционные сплавы на оловянной и свинцовой основе (оловянисто-медная эвтектика), в которой равномерно распределены твердые кристаллы (кристаллы р-фазы 8п5Ь или кристаллы сурьмы, иглы меди). Баббиты отличаются низкой твердостью (НВ 13—32), невысокой температурой плавления (300—400°С), отлично прирабатываются и имеют низкий коэффициент трения со сталью, хорошо удерживают' граничную масляную пленку. Мягкая и пластичная основа баббита при трении в подшипнике изнашивается быстрее, чем вкрапленные с нее твердые кристаллы других составляющих, в результате при вращении шейка вала скользит по этим твердым кристаллам. При этом уменьшается поверхность фактического касания трущихся поверхностей, что, в свою очередь, снижает коэффициент трения и облегчает поступление смазки в зону трения, Благодаря хорошей прирабатываемости баббитов все неточности, возникающие при обработке или сборке поверхностей трения, в процессе работы быстро устраняются. Антифрикционные свойства баббита зависят от толщины баббитового слоя, занесенного на подложку (основной металл вкладыша, обычно изготовляемый из стали).
В тонкослойных подшипниках (толщина слоя баббита менее 1 мм) баббит имеет гетерогенную (неоднородную) микроструктуру с крупными твердыми кубическими кристаллами химического-соединения 5п8Ь (3-фазы) вследствие чего сопротивляемость усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок, довольно низкая. В отдельных локальных объемах кристаллов р-фазы накапливается пластическая деформация, и в слое баббита возникают остаточные напряжения. В тонком слое баббита внедрение в пластичную основу кристаллов твердой составляющей, принимающей на себя нагрузку при работе, затруднительно. Размеры таких кристаллов нередко соизмеримы с толщиной слоя.. Р; этом случае .на отдельных участках скопления хрупких кристаллов р-фазы возникает вероятность передачи давления через: эти кристаллы непосредственно от шейки вала яа подложку (корпус подшипника), минуя мягкую основу. В баббитовом, слое при этом возникают микротрещины, которые при дальнейших циклических нагрузках могут стать очагами усталостных трещин.
Инженерной практикой накоплен большой опыт в создании надежных узлов трения с применением слоя баббита. Используемый для вкладышей баббит должен удовлетворять определенным требованиям:
— толщина слоя 1—3 мм;
— не резко выраженная неоднородность структуры;
— твердость до НВ 15—30 для улучшения прирабатываемости;
— высокая сопротивляемость усталостному разрушению;
— прочность соединения баббита с корпусом (со стальной подложкой).
Каббиты применяют для заливки подшипников скольжения, работающих при удельных давлениях не более 10—15 МПа и температуре не выше 100—120°С.
Приведем химический состав и основные свойства некоторых марок баббитов, заливаемых в подшипники скольжения.
1)Б-83 (оловянистые баббит: сурьма— 10—12%, медь 5 - 6%, олово — остальное): температура затвердевания температура заливки = 400 — 42О°С, твердость НВ 30, коэффициент трения по стали со смазкой f = 0,005, без смазки — 0,28;
2) БН-БНМ (свинцовистый баббит: олово — 10%, сурьма — 13—15%, медь—1,5 —2,0%, кадмий—1,25—1,55%, никель — 0,75-1,25%, мышьяк - 0,5 — 0,9%, свинец—остальное): =400°С, tзал=450-460°С, НВ 29, f = 0,006, f1 = 0,27
3) БМ (свинцовисто-мышьяковый: олово— 11 — 12%, свинец — 72 — 75%, сурьма—10 — 12%, медь — 1,5 — 2,0%, кадмий—1,3 — 1,8%, мышьяк —1,2 —1,7%): tЗТ=410°С, tзал = 450-460°С, НВ 30, f= 0,005, f1 =0,25.
Бронзы
В качестве антифрикционных сплавов широко используются сплавы на медной основе (бронзы, реже латуни). Бронзы, применяемые для изготовления подшипников скольжения, делят на оловянные (БрOЦС 5-5-5 и др.) и безоловянные (БрСуНЦСФ 3-3-3-20-0,2 и др.). Бронзовые подшипники изготавливают как монометаллические (втулки, вкладыши и др.), так и биметаллические (стальная деталь с нанесенным слоем бронзы). В тяжело-нагруженных трущихся деталях применяют высокопрочные алюминиевые бронзы (БрАЖ9-4Л, БрАМц9-2Л и др.)
|Бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами в тарах трения со стальными, особенно закаленными, деталями. Широкое применение находят свинцовистые бронзы (БрБС-30 и др.) имеющие высокую прочность и температуростойкость (tпл= 1050—1100°С).
Антифрикционные свойства свинцовистой бронзы несколько хуже, чем, например, баббитов, но она обладает повышенными прочностными показателями и более тугоплавка.
Из-за плохой пластичности и прирабатываемости по валу подшипников, изготовленных из бронз, необходима особенно тщательная их подгонка и сборка и повышенная твердость шеек валов.
В меньшей степени, чем бронзы, в качестве антифрикционных материалов применяются латуни сплавы меди с цинком и другими металлами. Это так называемые кремнистые (ЛКС 80-3-3 — содержание Si до 2,5—4%), марганцовистые (ЛМцС 58-2-2 — содержание Мn до 2,5%) и алюминиево-железистые латуни (ЛАЖ 60-1-1Л — содержание А1 до 1,5%, Ре —до 1,5%). Из антифрикционные латуней изготавливают втулки, подшипники, арматуру
Сплавы на алюминиевой и цинковой основе
У Алюминиевые антифрикционные, сплавы в последние годы получили широкое распространение. По микроструктуре они имеют мягкую пластичную основу металла (алюминия) с включением твердых структурных составляющих (кристаллы РеА18, А13№, СиА12; и др.). Состав некоторых сплавов: АСМ (0,1— 0,7% Мg, 3,5—6,5% Sb, остальное— А1); АО-9-2 (1,0% Ni. 2,25% Сu, 0,5% Si, 9% Sn, остальное — А1). Из алюминиевых сплавов изготавливают как монометаллические детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические подшипники (их штампуют из биметаллической полосы, состоящей из стальной полосы, с нанесением при прокатке слоя алюминиевого сплава).
В последние годы для подшипников тяжело нагруженных двигателей созданы алюминиево-оловянистые сплавы (до 30% Sn), обладающие повышенной задиростойкостью даже в условиях ухудшения смазки.
Цинковые сплавы, издавна используемые в качестве антифрикционных материалов, хотя и не получили достаточно широкого распространения, в то же время обладают рядом ценных свойств, которые позволяют использовать их во многих случаях взамен бронз и баббитов, Сплавы на цинковой основе (ЦАМ 9-1,5 ЦАМ 10-5) характеризуются низкой температурой плавления (400°С), в большей степени, чем у бронз и алюминиевых сплавов размягчением при нагревании и, таким образом, хорошей прирабатываемостью. Благодаря эффекту снижения абразивной активности свободных абразивных частиц путем их утаплвания в мягком поверхностном слое подшипники из цинковых сплавов меньше изнашивают сопряженные детали даже в условиях попадания абразивных частиц. Цинковые сплавы технологичны при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических трущихся деталей. Легко достигается соединение цинкового сплава со сталью как литьем, так и прокаткой. Цинковые сплавы имеют высокую пластичность и хорошую усталостную прочность. Из цинковых сплавов изготавливают цельные и штампованные из ленты втулки, которые находят применение, например, на железнодорожном транспорте и др.
Пористые антифрикционны материалы. Пористые антифрикционные детали изготавливают прессованием и последующим спеканием порошков на железной и медной основах. В качестве обязательных добавок к ним применяют самосмазывающиеся порошки графита, дисульфида молибдена, нитрида бора и др. Обычно пористые антифрикционные материалы перед установкой в узлы трения пропитывают смазочным материалом и используют в условиях недостатка смазки или недопустимости применения системы смазывания. В процессе работы пары трения с повышением температуры масло автоматически выделяется из пор и поступает в зону фактического контакта.
Эти детали устойчиво работают и в условиях обильной смазки. Спеченные из порошков пористые антифрикционные детали обладают хорошими прочностными и антифрикционными свойствами и находят широкое применение.
Железнографитовые спеченные материалы (ЖГр-1, ЖГр-3 др.) используют при удельных давлениях до 15 МПа и температуре до 150°С; меднографитовые спеченные материалы при давлениях не более 6—8 МПа и температуре до 80°С
Материалы на основе полимеров
Полимеры (термопласты и термореактивные материалы) могут использоваться в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде композиций с различными наполнителями. Из полимеров изготавливают зубчатые колеса, шкивы, трущиеся элементы подшипников скольжения, кулачковых механизмов направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников, крепежные детали и т. д.
Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая технологичность, низкая себестоимость, хорошие демпфирующие свойства. Трущиеся детали из термопластов изготавливают высокопроизводительными способами литьем под давлением и экструзией, крупногабаритные детали центробежным литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов, порошков, дисперсий.
Термореактивные материалы, перерабатываемые преимущественно методами компрессионного и литьевого прессования, более термостойки я прочны. Порошкообразные термореактивные композиции наносят в виде тонкослойных покрытий.
Из термопластов в качестве антифрикционных материалов наиболее широко используют полиамиды (капрон, П-68, капролон и др.), обладающие низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, работающие при температуре от—40°С до + 80°С. Недостатком полиамидов является их относительно высокое масло и водопоглощение, Деталям из полиамидов свойственна хорошая сопротивляемость воздействию циклических и ударных нагрузок, возможность работы без смазки в паре с закаленной сталью, незначительная изнашиваемость. Коэффициент трения полиамидов по стали без смазки 0,1—0,2, со смазкой маслом 0,05—0,1.
Для улучшения прочностных характеристик полиамиды армируют, а для повышения антифрикционных свойств — (наполняют твердыми смазочными материалами. В качестве твердых смазочных материалов применяют графит, дисульфид молибдена и тальк, а в качестве армирующего наполнителя мелконарублениое стеклянное волокно.
Температурный коэффициент линейного расширения и водопоглощение наполненных и армированных полиамидов в 1,5—4 раза меньше, коэффициент трения без смазки в 1,2—2,0 раза больше, а интенсивность изнашивания в 2—5 раз ниже, чем у ненаполненных полиамидов.
Полиамиды применяют в качестве тонкослойных покрытий. Такие покрытия получают из растворов, суспензий, наст, расплавов и плакированием, а также из порошкообразных полиамидов (капрона и капролона В). Свойства покрытия зависят от его толщины, конструкции узла трения и условий эксплуатации. Толщина покрытия выбирается с учетом физико-механических свойств полимера и шероховатости контртела. Так, для капрона оптимальной считается толщина покрытия, примерно равная 0,3 мм. С уменьшением толщины покрытия снижается его демпфирующая способность, увеличиваются нагрузки. При толщине, превышающей оптимальную, коэффициент трения возрастает, уменьшается износостойкость вследствие ухудшения теплоотвода и роста тепловой напряженности в узле трения.
В машиностроении для изготовления антифрикционных деталей применяют фторопласты и композиции на их основе. Фторопласты обладают высокой химической стойкостью и высокой температуростойкостью (до +300°С). На них оказывают влияние расплавленные щелочные металлы и их комплексы, а также треххлористый и элементарный фтор при повышенных температурах и практически не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. При температурах свыше + 350°С фторопласты реагируют с некоторыми металлами и окислами. Коэффициент трения многих из них, в особенности фторопласта-4, при трении по металлу очень низок: не превышает обычных коэффициентов трения смазываемых металлических пар трения.
Несмотря на низкий коэффициент трения применение фторопластов в чистом виде ограничено из-за низкой прочности и неудовлетворительных технологических характеристик. Используются в основном различные комбинации фторопластов с другими материалами. Введение различных наполнителей (кокс, графитизированный кокс, искусственный графит, дисульфид молибдена, стекловолокно, металлические порошки) в количестве 15—30% от объема позволяет значительно повысить износостойкость фторопластов. Использование фторопластов в виде лаков, паст, суспензий для изготовления антифрикционных материалов и в качестве антифрикционных заполнителей в различных композициях на основе термопластичных и термореактивных полимеров уменьшает коэффициент трения и снижает интенсивность изнашивания многих узлов трения.
В последнее время в качестве антифрикционных материалов применяют полиолефины (полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, полиэтилен среднего давления, полипропилен и др.) как в чистом виде, так и в композициях с наполнителями. Полиолефины стойки к действию большинства кислот, щелочей; при температуре 20°С не растворяются в органических растворителях. Однако сильные окислители (азотная кислота и др.), хлор, фтор их разрушают и при повышенных температурах они растворяются во многих органических растворителях.
На основе полиолефинов получают многочисленные композиции, вводя различные добавки и наполнители (сажу, каучук, стекловолокно, древесные опилки и т. д.), что позволяет создавать материалы с высокой износостойкостью и коэффициентом трения 0,1—0,15.
К недостаткам полиолефинов относится низкая теплостойкость (детали трения из полиолефинов могут длительно эксплуатироваться при температуре не выше 60°С, кратковременно — до 80°С). Все это снижает возможность применения полиолефиноз в машиностроении.
Для изготовления ряда машиностроительных деталей повышенной точности (шестерен, манжет, уплотнительных колец и т. д.) применяют пентапласт. Он обладает высокой химической стойкостью, малым водопоглощением.
{/spoilers}