Выбор материалов деталей узлов трения машин

Известно большое количество материалов, пригодных для изготовления деталей, работающих в условиях трения. Это металлы, полимеры, слоистые материалы, углеграфиты, металлокерамика и различные композиции на их основе.

Основные требования к таким материалам обусловлены тем, что при изготовлении и эксплуатации узлов трения необходимо обеспечить максимальные или заданные значения прочности; жесткости, надежности и долговечности; минимальные массу и энергетические потери; высокую технологичность и минимальную стоимость; удобство монтажа и обслуживания.

Наука о трении накопила большой опыт, позволяющий представить общую схему и сформулировать общие принципы подбора материалов для трущихся деталей.

Металлы в узлах трения (стали и чугуны)

Металлы являются основным материалом, который используется для узлов трения. Это объясняется тем, что они, как правило, больше других материалов удовлетворяют разнообразным условиям службы трущихся поверхностей. Металлы обладают такими качествами, как прочность и пластичность, способность образовывать различные виды соединений. В зависимости от химической природы элементов и условий, в которых находится трибосистсма, металлы могут образовывать между собой, а также с неметаллами твердые растворы, эвтектические смеси и химические соединения.

Износостойкость чугунов зависит от их структуры. Чаще всего с увеличением содержания углерода возрастает твердости износостойкость сплавов. Важны также и 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, азотированис, нитроцементацию, цианирование, сульфидирование, борирование), легирование хромом, никелем, нартанцем, вольфрамом, молибденом, ванадием, поверхностное упрочнение (наклеп, обкатку шариками, поверхностное выглаживание, калибрование и др.).

При трении структура активного слоя (близко расположенного к поверхности трения) меняется, а следовательно, меняются и свойства этого слоя.

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 зрения, а при выходе из контакта — их быстрое охлаждение.

В зависимости от механического и термического взаимодействий и степени их интенсивности в поверхностном слое происходит местное изменение химического состава, вторичная закалка или отпуск, процессы рекристаллизации и т. д. Могут возникать и так называемые «белые зоны» — неравновесные структуры, характеризующиеся особо напряженным состоянием. Основные структуры, образующиеся при трении (вторичный аустенит и вторичный мартенсит), имеют более 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 структурой, формирующейся при трении.

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, содержащимся в воздухе или смазочном материале, адсорбирующемся на поверхности трения, образуются химически адсорбированные пленки, пленки твердых растворов, 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 HRC 50, оптимальной является структура отпущенного мартенсита. При твердости ниже HRC 50 лучшей износостойкостью обладает сталь со сгруктурой игольчатого тростита 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 детали должны осуществляться так, чтобы в металле наряду с прочностью обеспечивался запас пластичности, благодаря чему повышается се сопротивление пластической деформации и местному 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 возрастает, 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 на 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 Fe₃P, 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, то 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.

В процессе исследований 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 и его химического состава повышение износостойкости происходит при наличии графитовых включений шаровой (глобулярной), а не пластинчатой формы. Отрицательно влияют на антифрикционные свойства чугуна внутренние напряжения.