|
| |
|
Главная Промышленность Глава 10. ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 10.1. Виды изнаишвании Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех групп факторов: 1) внутренних, определяемых свойствами материалов; 2) внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура); 3) рабочей феды и смазочного материала. Совокупность этих факторов обусловливает различные виды изнашивания, классификация которых по ГОСТ 23.002-78 приведена в табл. 10.1. Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: 1) детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т. п.); 2) детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т. п.). Характерные виды изнашивания деталей первой группы-абразивное (твердыми частицами, попадающими g зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фрепинг-коррозия). Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (например, истирание почвой), ТАБЛИЦА 10.1. Классификация видов изнашивания
гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемещаемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкости или газа), кавитациоиное (от гидравлических ударов жидкости). Различные виды изнашивания по закономерностям протекания весьма разнообразны. 10.2. Закономерносш изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа Причина изнашивания сопряженных деталей работа сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др. Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникновение различных теорий внешнего трения. Наиболее полно силовое взаимодействие твердых тел объясняет мо-лекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения. Эта теория исходит из дискретности контакта трущихся поверхностей. Из-за шероховатостей соприкосновение поверхностей возникает в отдельных пятнах касания, образующихся от взаимного внедрения микро-неровносгей или их пластического смятия. Взаимодействие скользящих поверхностей в этих пятнах со1ласно теории имеет двойственную природу - деформационную и адгезионную. Деформационное взаимодействие обусловлено многократным деформированием микрообъемов поверхностного слоя внедрившимися неровностями. Сопротивление этому деформированию называют деформационной составляющей силы трения  Виды взаимоповерхностей (fj. Адгезионное взаимодействие связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки. Сопротивление срезу этих мостиков и формированию новых определяет адгезионную составляющую силы трения (f ад)- Таким образом, сила трения так же как и другая важная фрикционная характеристика-коэффициент трения /, по определению равный отношению силы трения к нормальной нагрузке N: f = F/N, определяются как сумма двух составляющих Деформационная составляющая трения растет пропорционально величине относительного внедрения неровностей h/R (й-глубина внедрения, Л-радиус внедрившейся неровности). Величина hjR и соответственно f д и /д растут с увеличением шероховатости поверхности, нагрузки и снижаются с увеличением твердости и модуля упругости материала. Различают три вида механического взаимодействия (рис. 10.1): 1) упругое контактирование; 2) пластическое деформирование; 3) микрорезание. Интенсивность износа минимальна при упругом контактировании. При пластическом деформировании интенсивность износа увеличивается на несколько порядков. Это обусловлено тем, что участки поверхности под влиянием пластической деформации интенсивно упрочняются и по исчерпании запаса пластичности хрупко разрушаются. Этому же способствует и усиление адгезионного взаимодействия. Микрорезание относится к недопустимым механизмам изнашивания, так как вызывает интенсивное разрушение поверхностного слоя. Микрорезание возможно не только внедрившимися неровностями, но и посторонними твердыми частицами. Такой вид разрушения поверхности называют абразивным изнашиванием. Адгезионная составляющая трения пропорциональна безразмерному параметру Тр/НВ (Х(,-прочность на срез адгезионной Рис. 10.1. действия трения: 1 - упругое контактирование; 2 - пластическое деформирование; 3 - микрорезание; 4 - схватывание и разрушение поверхностных пленок; 5 - схватывание и глубинное вырывание связи). Возможны два вида адгезионного взаимодействия: 1) схватывание и разрушение поверхностных пленок (см. рис. 10.1, поз. 4); 2) схватывание металлических поверхностей, сопровождающееся заеданием, т. е. глубинным вырыванием (см. рис. 10.1, поз. 5). При первом виде взаимодействия срез адгезионных связей происходит по оксидным или адсорбированным пленкам, которыми всегда покрыты трущиеся поверхности. Скорость образования оксидных пленок обычно высока, чему способствуют высокие температуры, развивающиеся на поверхностях трения. Разрушение поверхности путем среза оксидных пленок называется окислительньм изнашиванием. Это наиболее благоприятный вид изнашивания, при котором процессы разрушения локализуются в тончайших поверхностных слоях. Схватывание металлических поверхностей возникает между чистыми от пленок (юве-нильными) поверхностями трения, например, в условиях вакуума или при разрушении пленок пластической деформацией в местах контакта. Между очищенными участками образуются адгезионные связи, которые по прочности превосходят прочность одного из материалов пары трения. Срез происходит в менее прочном материале в глубине от места схватывания. На одной поверхности трения образуются углубления, на другой-вырванные частицы, которые повторно схватываются и бороздят трущиеся поверхности, вызывая их интенсивное разрушение, а иног- В зависимости от условий трения, при которых пластическая деформация разрушает оксидные пленки, различают две разновидности схватывания: холодное (I рода) и тепловое (II рода). Схватывание 1 рола развивается при малых скоростях скольжения и высоких давлениях, в условиях незначительного фрикционного нагрева поверхностей; схватывание II рода-при высоких скоростях скольжения и давлениях, вызывающих интенсивный разогрев и разупрочнение поверхностных слоев. да из-за большого тепловыделения и сваривание. Разрушение поверхностей трения при схватывании (заедании) называют адгезионным изнашиванием. Это наиболее опасный и быстротечный вид изнашивания, который служит главной причиной отказа в работе многих узлов трения. Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала: 1) увеличение твердости трушейся поверхности; 2) снижение прочности адгезионной связи. Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по возможности упругое деформирование участков контакта. Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей трения жидким, твердым (иногда газовым) смазочным материалом. При использовании жидкостной смазки, когда поверхности деталей разделены несущим гидродинамическим слоем, коэффициент трения минимален (0,005-0,01), а износ практически отсутствует. Твердая смазка обеспечивает более высокий коэффициент трения (0,02-0,15). Она незаменима для узлов трения, способных работать в вакууме, при высоких температурах и других экстремальных условиях. Из твердых смазочных материалов наиболее широко применяют графит и дисульфид молибдена (MoSj), имеющих слоистое строение. Использование смазочных материалов, однако, не гарантирует от схватывания. Твердые смазочные материалы постепенно изнашиваются. Условия жидкостной смазки нарушаются из-за неблагоприятных режимов работы механизмов. К ним относятся периоды приработки, а также пуска и остановок машин. В этих случаях возникает гра- ничное трение, при котором поверхности разделяются лишь тонкой масляной пленкой. Контактные напряжения и нагрев способны разрушать эту пленку и вызывать схватывание. В этих условиях решающее значение приобретает обеспечение совместимости трущейся пары. Под совместимостью понимают свойство материалов предотвращать схватьшание при работе без смазочного материала или в условиях нарушения сплошности масляного слоя. Совместимость достигается несколькими способами. 1. Использованием защитных свойств оксидных пленок. Защитные свойства оксидных пленок зависят от их состава, толщины, а также от свойств металлической подложки, увеличиваясь с ростом ее твердости. Если оксид тверд и прочен, а нижележащий металл мягок, то пленка легко разрушается, и схватывание развивается при малой нагрузке. Примером этому служат алюминий, свинец (рис. 10.2) и большинство пластичных металлов, в том числе и титан. Аномально высокие коэффипиент трения и износ титана обусловлены не только разрушением пленки, но и ее способностью растворяться в металле. Если титан подвергнуть азотированию, то оксидная пленка формируется на твердой основе, которая препятствует ее AL.Pb  Рис. 10.2. Влияние нагрузки N на интенсивность изнашивания различных материалов (контакт из одноименных материалов): /-окислительное изнашивание; Н-схватывание I рода 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 [ 60 ] 61 62 63 64 65 |
