Лекция №7 (2ч). Триботехническое материаловедение

Актуальным направлением повышения износостойкости является создание и использование в парах трения специальных материалов триботехнического назначения. трибология адгезия электризация трение.

Основные термины

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. Ниже кратко изложены основные положения триботехнического материаловедения.

Объект триботехнического материаловедения — два больших класса материалов: фрикционные и антифрикционные.

В большинстве современных машин трение играет негативную роль, создавая сопротивление движению, для преодоления которого нужно совершать работу. Одним из путей борьбы с трением является создание антифрикционных материалов — материалов с низкими значениями коэффициента трения.

Вместе с тем существуют машины и механизмы, принцип действия которых основан на использовании трения: тормоза, фрикционные передачи, крепежные устройства и т. д. В них рабочие поверхности деталей облицовывают фрикционными материалами, которые характеризуются повышенной величиной коэффициента трения. Типичным фрикционным материалом является материал, используемый для подошв обуви.

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 (рис. 7.1). Все триботехнические материалы должны быть износостойкими, чтобы обеспечить приемлемый технический ресурс пар трения.

За последние десятилетия резко возросли рабочие скорости и нагрузки в машинах, ужесточились режимы эксплуатации пар трения. Во многих случаях проверенные веками традиционные триботехнические материалы (чугуны, баббиты, бронзы и др.) оказались непригодными для работы в жестких условиях. Появилась необходимость в новом поколении триботехнических материалов на основе керамики, металлов и полимеров, работоспособных при экстремальных нагрузках, температурах, в вакууме, при облучении и т. д.

Рис 7.1 Схема совокупности триботехнических материалов. 1 — антифрикционные, 2 — фрикционные, 3 — материалы, используемые в разных узлах как антифрикционные и как фрикционные

Концепция создания триботехнических материалов базируется на представлениях молекулярно-механической теории трения о двух составляющих коэффициента трения. В результате интенсивной пластической деформации при изнашивании микроструктура этих слоев становится похожа на структуру сильно деформированных материалов (сжатием с кручением, прокаткой и т. д.), отличаясь от исходной микроструктуры в объеме тел. Учитывая это, И. В. Крагельский предложил считать зону трения промежуточным «третьим телом» .

Деформации, которые возникают при трении тел, выполненных из триботехнических материалов, должны локализоваться в поверхностном слое и не затрагивать основного объема тел. Входящие в «третье тело» поверхностные слои по сравнению с материалами истираемых тел должны быть низкомодульными (при упругом контакте) или пластичными (при пластичном контакте) и обладать свойством многократно передеформироваться без заметных повреждений. Совокупность этих требований, отличающих «третье тело» от основного материала, сводится к необходимости создания в контакте положительного градиента механических свойств. Эти рассуждения относятся как к антифрикционным, так и к фрикционным материалам.

Назначение фрикционных материалов — обеспечивать высокий коэффициент трения. Для этого их молекулы должны интенсивно взаимодействовать с контртелом. Чтобы в полной мере реализовать это свойство, надо обеспечить в паре трения максимально возможную площадь фактического контакта. Благодаря этому повысится адгезионная составляющая коэффициента трения. Одновременно податливость под нагрузкой поверхностного слоя, способствующая формированию участков фактического касания, обусловит повышение деформационной составляющей коэффициента трения. Коэффициент гистерезисных потерь фрикционного материала должен быть, возможно большим (1). Это соответствует значительному расходу энергии на передеформирование микровыступов и задержке восстановления их формы.

В состав антифрикционных материалов с низким коэффициентом трения вводят вещества, ослабляющие молекулярное взаимодейтвие с контртелом. Фактическая площадь контакта антифрикционного материала с контртелом должна быть невелика и, по возможности, формироваться за счет упругой деформации микронеровностей. Это условие выполняется, если материал имеет достаточную твердость и высокий модуль упругости. Следует стремиться к снижению относительного внедрения микронеровностей и гистерезисных потерь (1).

Сочетание материалов в паре трения должно отвечать критериям совместимости. Совместимость — свойство материалов 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 охватывания. При смешанном трении совместимость наиболее полно проявляется в периоды приработки, пуска и остановки пар трения. На рис. 15.2 видно, что совместимость с контртелом свинцовой бронзы ниже, чем алюминиевого сплава. Приработка на грани заедания позволяет определить нагрузочную способность пары трения. Совместимость при жидкостном трении оценивают по степени коррозионного повреждения истираемых тел в смазочных материалах.

В последние десятилетия одной из ведущих тенденций обеспечения совместимости стало нанесение покрытий на поверхности трения. Интерес к ним стимулируется возрастающими требованиями к износостойкости, несущей способности пар трения и энергозатратам при трении, а также необходимостью экономить стратегические и дорогие материалы.

Ряд пар трения с уникальными триботехническими характеристиками был получен благодаря формированию термодинамически нестабильных фаз в виде покрытий. Примерами служат покрытия, получаемые лазерным переплавом поверхностного слоя, создаваемые вакуумными, ионно-плазменными методами и др.

Самосмазывающиеся материалы обладают свойством образовывать противозадирную разделительную пленку. Главную роль при «сухом» трении в механизме самосмазывания играет явление фрикционного переноса — перемещение при трении материала с одной поверхности трения на другую. Кинетика образования пленки фрикционного переноса у большинства самосмазывающихся материалов включает следующие стадии (рис. 7.3).

Рис. 7.2 Зависимость изменения температуры от нагрузки при приработке пар сталь-сплав. 1-бронза БрОЗО, 2-алюминиевый сплав АО20−1

Рис. 7.3 Изменение интенсивности изнашивания самосмазывающегося материала во времени. I-трение адсорбированных пленок, II и IIIпленок переноса в твердом и расплавленном состояниях, IVтрение при нестабильной пленке переноса

В период I приработки поверхности трения покрыты адсорбированными пленками и оксидами. Затем в паре трения формируется пленка переноса: сначала в твердом состоянии (II), а позднее — в расплавленном (III). При интенсивном изнашивании она удаляется из зоны трения (IV). После этого наступает интенсивное изнашивание пары. Закономерности фрикционного переноса составляют научную базу для разработки самосмазывающихся материалов и конструирования работающих без смазки пар трения.

Прежде, чем перейти к рассмотрению совокупности триботехнических материалов, дадим следующие определения. Композиционный материал или композит — материал, состоящий из компонентов различной структуры, имеющих границы раздела.

Рис. 7.4 Схема композиционного материала. 1 — матрица, 2 — армирующий элемент, 3 — переходный слой.

Компоненты композита имеют достаточно большие размеры и видны обычно невооруженным глазом. Матрица — компонент, непрерывный в объеме композиционного материала. Другие компоненты — арматура, наполнители, включения жидкой фазы и т. п. — распределены в матрице. На границе матрицы и других компонентов располагаются тонкие переходные слои. Благодаря им свойства композита не являются суммой свойств компонентов, а соответствуют новому качественному уровню. Схема композита приведена на рис. 7.4.