Трение при высоких температурах

Многие узлы трения промышленного оборудования (печи, прокатные станы, энергетические установки и др.) работают при температурах порядка 1273К. Тенденция к повышению температур в узлах трения до температур плавления материалов наблюдается при создании авиационной и ракетно-космической техники.

Явления, возникающие при трении при высоких температурах, зависят от многих факторов, которые действуют одновременно:

• 1) при высоких температурах изменяются механические свойства материалов, зазоры в узлах трения и искажается геометрическая форма деталей;
• 2) резко возрастает химическая активность поверхностей трения, взаимодействующих друг с другом и окружающей средой;
• 3) ускоряются процессы диффузии и десорбции в материалах, что приводит к значительным изменениям поверхностей трения.

Предельное действие нагрева состоит в расплавлении поверхностного слоя одного из трущихся тел. Тогда внешнее трение самопроизвольно переходит во внутреннее, описываемое гидродинамической теорией смазки. Зависимости коэффициента трения конструкционных материалов от температуры имеют вид кривых с электремумом. Это свидетельствует о влиянии на трение, по крайней мере, двух конкурирующих процессов:

• 1) увеличение адгезии вследствие повышении пластичности материалов и ускорения процессов диффузии и спекания на участках касания;
• 2) снижение деформации поверхностных слоев из-за самоориентирования элементов структуры на поверхностях трения и изменения свойств поверхностного слоя при взаимодействии с окружающей средой.

На металлах последний процесс обычно протекает в виде окисления поверхности трения. Если оксидный слой тверд и хрупок, а нижележащий металл мягок и пластичен (Al, Pb, Sn), то слой оксида легко разрушается, приводя к заеданию. Если деформационно-прочностные показатели оксида и металла близки (Cu, Fe), оксидный слой сохраняется даже при больших нагрузках. Резкое изменение зависимости трения от температуры, как правило, свидетельствует о структурном превращении в материале. Так, у кобальта при 690 К происходит превращение гексагональной структуры кристаллической решетки в гранецентрированную. Это сопровождается повышением коэффициента трения.

Трение большинства твердых смазочных материалов снижается с ростом температуры. После достижения некоторой критической температуры трение быстро растет. Это связано с активацией поверхностных явлений или со структурными превращениями. Так, резкое повышение коэффициента трения дисульфида молибдена в паре со сталью (рис. 5.2) вызвано превращением в MoS₂ кристаллической решетки смешанного типа в гексагональную. Для смазки высокотемпературных узлов трения применяют MoS₂, графит, а также покрытия из мягких металлов (Au, Ag, Ni, Co и др.). Специфическим смазочным материалом являются силикатные стекла. Их применяют в интервале температур 1273−1773К при вытяжке труб, прокатке, штамповке и т. д.

Рис 5.2 Температурная зависимость коэффициента трения дисульфида молибдена в высоком вакууме