Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

131

Усталостные микротрещины при изнашивании могут возникать

как на поверхности взаимодействующих тел, так и под поверхностью,

причем направление их развития возможно как вдоль, так и поперек

направления сил трения.

Усталостное изнашивание наиболее характерно наличием сетки

микротрещин на поверхности (в основном на подшипниках

скольжения), либо очагами микровыкрашиваний. В ряде случаев

точно

идентифицировать усталостное изнашивание возможно лишь с

применением самых современных методов исследований,

включающих и достаточно распространенные электронную

микрофрактографию и рентгеновскую дифрактометрию.

4.1.2.4. Окислительное изнашивание

Окислительному изнашиванию подвергаются в основном детали,

работающие без смазки. К ним можно отнести детали шарнирно-

болтовых соединений тяг и рычагов механизмов управления,

металлические колеса фрикционных передач,

чашки вариаторов и др.

Окислительное изнашивание определяется случаями, когда на

соприкасающихся поверхностях образуются пленки окислов, которые

в процессе трения разрушаются и вновь образуются, при этом

продукты износа состоят из окислов. От коррозионно-механического

изнашивания отличается тем, что отсутствует агрессивная среда.

Протекает окислительное изнашивание в условиях нормальной и

повышенной температур, без

смазки и при ее недостатке.

4.1.2.5. Избирательный перенос (ИП) при трении

Избирательный перенос реализуется в условиях наличия смазки,

обладающей слабокислотными свойствами, а также медьсодержащего

сплава, причем не обязательно в качестве одной из поверхностей

трения. Специфика трения при избирательном переносе в том, что

вместо окисной пленки на поверхностях трения возникает

пленка

другого вида, названная сервовитной (спасающей жизнь).

Сервовитная пленка представляет собой тонкий (1-2 мкм) слой меди,

находящейся в состоянии, подобном расплавленному (аморфном).

Она не способна к наклепу, имеет малые сдвиговые усилия, пориста.

Пленка в верхнем слое не имеет окислов, при трении ее частицы

132

могут переходить с одной поверхности трения на другую, т.е.

схватываются без образования повреждений в основном

поверхностном слое и увеличения сил трения. В процессе

дальнейшего процесса работы вырывы восстанавливаются

(“самозалечиваются”).

Трение при ИП сопровождаются эволюционными процессами,

которые саморазрушение отодвигают на второй план, ставя на первое

место самозалечивание мест разрушения.

Образование защитной

(сервовитной) пленки относится к новому классу

самоорганизующихся явлений неживой природы. Их изучение только

началось.

4.1.2.6. Изнашивание сталей при граничном трении

При граничном трении скольжения (при дефиците смазывающей

жидкости) поверхностные слои взаимодействующих друг с другом

сталей находятся в наиболее тяжелых условиях, особенно при

удельных нагрузках, превышающих 10 МПа. В

таких условиях

работают многие узлы, например цепные передачи, железнодорожные

рельсы и колеса, кулачки распредвалов и толкатели клапанов ДВС,

валки прокатных станов и т.д.

Металлографический анализ сталей, работающих в этих

условиях, показал, что на поверхностях изнашивания появляется в

процессе трения слой, имеющий структуру, отличную от исходной

структуры. Слой обладает малой

травимостью и поэтому получил

название “белой зоны”. Исследования вторичных структур типа

“белой зоны” [7,25,26] позволили установить наличие фазовых

превращений в процессе трения. Фазовые превращения и приводят к

появлению структуры “белой зоны”, кардинально отличающейся по

своим физико-механическим свойствам от исходной структуры. Так,

например, “белая зона”, возникшая при высокоскоростном трении на

поверхности

среднеуглеродистой стали, обладает высокой твердостью

и прочностью, высокой коррозионной стойкостью, усталостной

прочностью и износостойкостью в масляной и абразивной средах.

Предел временного сопротивления при сжатии таких слоев достигает

2,6 ГПа, а микротвердость - 15 ГПа.

Следовательно, можно однозначно отметить, что

сформированная технологическими методами поверхностная

133

структура детали, обладающая определенными и конкретными

свойствами, будет определять износостойкость только до момента

образования “белой зоны”. Фактически же все эксплуатационное

время работает“белая зона” со своими, отличными от исходных,

свойствами. Первоначальная же структура будет только определять те

изменения, которые приводят к появлению “белой зоны” с теми или

иными свойствами. Становится

ясным, что и конструктора и

технологи должны иметь ясное представление о механизме изменения

структуры поверхности и факторах, определяющих

работоспособность в условиях граничного трения.

Структура “белой зоны” представляет собой в одних случаях

бесструктурный или мелкоигольчатый мартенсит, а в других это

когерентно сопряженная аустенито-мартенситная структура с

карбидами или без них и

т.д. Если представлять процесс образования

“белой зоны” не статическим, а динамичным, то очевидно, что на

различных этапах можно получить всевозможнейшие варианты.

В каких условиях возможна фазовая перекристаллизация при

трении? Исследования показали, что основную роль играют три

фактора:

- вспышка температуры в каком-то объеме поверхностного слоя

из-за контакта

с контртелом с последующим быстрым отводом тепла

в холодную массу детали;

- действие локализованной пластической деформации;

- наличие сегрегаций легирующих элементов, способствующих

или препятствующих фазовой перекристаллизации.

Причем последний фактор значительно определяется

возможностью почти мгновенной диффузии атомов различных

элементов к поверхности или от поверхности трения при

динамическом действии упругой или локальной пластической

деформации.

К сожалению, пока еще невозможно с достаточной точностью

определить условия трения, при которых происходит образование

“белой зоны” на поверхности стальных деталей. В каждом отдельном

случае эти условия и свойства “белой зоны” определяются

экспериментально.

Изучением и решением всех этих проблем занимается

триботехника - наука о контактном взаимодействии твердых тел при

их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов

134

трения, изнашивания и смазки машин, в том числе и выбор

материалов для деталей машин.

4.2. Износостойкие и антифрикционные материалы

Повышение износостойкости и снижение коэффициента трения в

контактных парах до сих пор является актуальной задачей и уже

существуют достаточно надежные методы ее решения, в ряду которых

практически на первом месте стоит выбор материалов. В настоящее

время имеется значительное количество материалов и их парных

вариаций для применения в узлах трения. В

настоящем пособии

рассмотрены только основные: износостойкие стали, чугуны и сплавы

цветных металлов; материалы, полученные методами порошковой

металлургии на основе порошков железа и цветных металлов;

полимерные, углеграфитовые и композиционные материалы.

4.2.1. Стали, чугуны и сплавы цветных металлов

Стали. Износостойкость сталей необходимо рассматривать в

первую очередь с точки зрения вида трения, при

котором работает

сталь. В общем случае на износостойкость сталей оказывает влияние

химический состав, способность к образованию “белого слоя” (т.е.

изменение структуры поверхности), физико-механические свойства,

материал контртела, смазка и т.д. В частности при трении скольжения

в зависимости от материала подшипника скольжения можно

применять конструкционные стали как после закалки

и средне- и даже

высокотемпературного отпуска со структурами зернистого троостита,

сорбита и перлита - в случае мягких подшипников (баббиты); так и

мартенситной, мартенситокарбидной структурами, азотированными

или цементованными поверхностными слоями - в случае твердых

подшипников (бронза, чугун). Определяющими в этом случае

являются прочность самой детали и стойкость ее поверхности против

частиц износа, которые могут

попасть в зону контакта деталь-

подшипник, т.е. стойкость против абразивного износа. Примером

может служить сталь 18Х2Н4МА [10], которая, в частности,

используется для изготовления коленчатых валов высокоскоростных

мощных дизелей. Для повышения износостойкости шейки коленчатых

135

валов из этой стали после объемной закалки и высокотемпературного

отпуска подвергают азотированию.

В ряде случаев, в условиях абразивного износа и ударных

нагрузок, применяют аустенитные стали типа 110Г13Л (Г13Л, сталь

Гадфильда). Их особенность в том, что при силовом воздействии

абразивных частиц в месте контакта аустенит превращается в

износостойкий высокоуглеродистый

мартенсит. Остающийся же

аустенит в силу своей высокой вязкости и пластичности противостоит

трещинообразованию и отделению частиц. Такие стали широко

используются для изготовления траков гусеничных машин, ковшей

экскаваторов и т.п. Хотя справедливости ради следует отметить, что в

настоящее время в гусеницах машин применяется

резинометаллический шарнир в силу высокой стойкости резин

при

абразивном изнашивании (раздел 2.1.2.1.).

Чугуны. Все чугуны, кроме белого, применяются как для

изготовления износостойких деталей, так и для подшипников

скольжения. Возможность этого обусловлена рядом факторов:

наличием графита (высокотемпературная смазка), прочная и

пластичная металлическая основа (ферритный, перлитный,

ферритоперлитный чугуны), высокие литейные свойства

(жидкотекучесть, малая усадка и др.).

Чугун с шаровидным

графитом и металлической основой из

пластинчатого или зернистого перлита (типа ВЧ60-2) зачастую

применяются для изготовления коленчатых валов карбюраторных

двигателей автомобилей, комбайнов и др. В простейшем случае

термообработка чугунов ограничивается старением (станины), но для

увеличения прочности прибегают к закалке и отпуску. При

необходимости чугуны легируют никелем, хромом, молибденом,

медью и др. элементами

Станины большинства станков выполняют из серого чугуна типа

СЧ21, так как он обеспечивает требования высокой износостойкости и

сопротивления заеданию, предъявляемых к направляющим станин; и

одновременно хорошо гасит вибрации благодаря наличию включений

пластинчатого графита.

Однако наибольшее применение в парах трения нашли

специальные антифрикционные чугуны, изготовляемые по

технологии, нормам легирования и

структурных составляющих,

установленные ГОСТ 1585-85. Антифрикционные чугуны

136

подразделяются на марки в зависимости от формы включений

графита.

Пластинчатая форма графита:

АЧС-1 - перлитный серый чугун, легированный хромом и

медью;

АЧС-2 - то же, но дополнительно легированный никелем и

титаном;

АЧС-3 - перлитоферритный серый чугун, легированный титаном

и медью;

АЧС-4 - перлитный серый чугун, легированный титаном и

медью;

АЧС-5 - аустенитный серый чугун,

легированный марганцем и

алюминием;

АЧС-6 - перлитно-пористый серый чугун, легированный

свинцом и фосфором.

Шаровидная форма графита:

АЧВ-1 - высокопрочный перлитный чугун;

АЧВ-2 - высокопрочный перлитоферритный чугун.

Хлопьевидная форма графита:

АЧК-1 - перлитный ковкий чугун, легированный медью;

АЧК-2 - ферритоперлитный и перлитоферритный ковкий чугун.

Условия применения и нормы нагружения антифрикционных

чугунов приведены в

таблице 36.

Таблица 36

Условия применения и нормы нагружения антифрикционных

чугунов в парах трения

137

Марка

Давление

Р,

кгс/см

Скорость

скольж.

V, м/с,

не более

PV,

кгс⋅м/

см

⋅с,

не более

Характеристика пары

трения, в которой

работает чугун

АЧС-1

5,0

0,2

100

С термически обработан-

ным (закаленным или

нормализованным) валом

АЧС-2

0,2

3,0

С термически обработан-

ным (закаленным или

нормализованным) валом

АЧС-3

0,75

С сырым или термически

обработанным валом

АЧС-4

150

5,0

400

С термообработанным

валом

АЧС-5

200

300

1,0

0,42

200

125

С термообработанным

(закал. или норм.) валом в

особонагруженных

узлах трения

АЧС-6

4,0

С “сырым” валом в узлах

трения с температурой

до 300°С

138

АЧВ-1

200

8,0

1,0

200

С термообработанным

(закал. или норм.) валом с

повышенными

окружными скоростями

АЧВ-2

120

5,0

1,0

120

С “сырым” валом с

повышенными

окружными скоростями

АЧК-1

200

2,0

200

С термически

обработанным валом

АЧК-2

120

5,0

120

С “сырым” валом

Сплавы цветных металлов. В качестве антифрикционных

сплавов традиционно применяются баббиты (легкоплавкие) и бронзы.

Баббиты представляют собой сплавы мягких металлов

следующих систем: Pb-Sb, Sn-Sb, Pb-Sn-Sb, Zn-Al-Cu, Al-Sb, Al-Sb-

Mg и др. Они характеризуются наличием твердых структурных

составляющих в пластичной матрице. Обычно их заливают на

подогретые до 250°С вкладыши при температуре 450-480°С. Баббиты

имеют высокие антифрикционные свойства

, хорошо

прирабатываются, имеют низкий коэффициент трения при граничной

смазке, способны работать при попадании небольшого количества

абразивных частиц в зазор подшипника. Баббиты применяются

в паре как с мягкими валами (HRC 25...35), так и с твердыми (HRC

50...55).

Существенным недостатком баббитов является их малое

сопротивление усталости, особенно при повышении температуры

более 100°С, а также необходимость

присутствия в зоне контакта

смазочного масла.

139

Наиболее широко применяются баббиты пяти групп:

оловянносурьмяные (Б83, Б89), свинцовооловянносурьмяные (Б6,

БТ, БН, Б16), свинцовые безоловянистые (БС, БК), цинковые

(ЦАМ10-5, ЦАМ5-10), алюминиевые с добавками (АСС6-5, АСМ,

АН2,5, Алькусин D). Наилучшими баббитами считаются

оловянносурьмяные. Структура баббитов и их свойства приведены в

таблице 37.

Таблица 37

Структура и свойства баббитов

Марка

Мягкая

основа

Твердые

включения

γ,

г/см

пл.

°С

в,

МПа

δ,

Коэфф.

трения

Б83

SnSb,

7,4

380

0,005

Б6

----//-----

9,6

460

0,5

0,005

БС

Эвтектика

Pb+Sb

10,1

410

0,5

0,007

ЦАМ10-5

Эвтектика

Zn+Al+

CuZn

6,3

395

300

0,5

0,009

АСМ

AlSb

2,8

750

0,006

Бронзы применяют для подшипников, работающих при

больших скоростях и удельных нагрузках. Как и баббиты бронзы

имеют мягкую основу и твердые включения, например эвтектоидные

включения в литой бронзе с содержанием 10% олова.

140

Механические свойства некоторых антифрикционных бронз

приведены в табл.38.

Таблица 38

Свойства антификционных бронз

МАРКА

в,

МПа

δ,

НВ

БрОФ6,5-0,15

250-350

70-80

БрОЦС4-4-2,5

350

15-20

БрОЦС4-4-17

150

БрАМЦ10-2

500

120

БрАЖ 9-4

500

100

БрАЖН10-4-4

600

170

Наиболее распространены оловянные, оловянно-свинцовые и

оловянноцинковосвинцовые бронзы. Высокими антифрикционными

свойствами обладают оловянно-фосфористые бронзы типа БрОФ.

Детали из оловянной бронзы с содержанием олова более 0,5%

отливают, а с меньшим содержанием штампуют. Путем отжига

твердость бронз снижают до НВ 50...60. Бронзы меньшей твердости

должны работать по цапфе с твердостью не менее HRC 50, а

бронзы

повышенной твердости требуют увеличения твердости вала более

HRC 55. Цапфы с низкой твердостью в этом случае работают плохо -

склонны к задирам в процессе приработки. Для улучшения