Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

101

нагрузки, скорости взаимного перемещения поверхностей, их шерохова-

тости, жесткости и макрогеометрии, количества и вязкости смазочного

материала. Сила трения складывается из касательной составляющей сил

взаимодействия поверхностей и сопротивления вязкому сдвигу.

Рисунок 3.8 – Схема элементарного гидродинамического клина, образованного

неровностями поверхностей трения (а – длина элементарного масляного клина;

– начальный зазор между поверхностями в вершине элементарного клина).

Гидродинамическое действие жидкости может возникнуть в

двух случаях:

1) если макрогеометрия соприкасающихся поверхностей такова, что

существует сужающийся зазор, в который масло может попасть при тре-

нии, то при подаче масла в достаточном количестве и при подходящих

параметрах режима трения возникнет поток и образуется подъемная сила,

однако эта сила недостаточна для полного восприятия нагрузки при по-

лужидкостной смазке; поток жидкости обтекает участки взаимного кон-

такта поверхностей;

2) если неровности между площадками контакта образуют в направ-

лении относительного перемещения деталей места сужения и расширения

по высоте. При достаточном количестве масла между поверхностями тре-

ния при заполнении микрополостей сужения они играют роль гидродина-

мических микроклиньев (рисунок 3.8.). Гидродинамическое действие

масла на микроклиньях проявляется уже при самой малой скорости

скольжения.

Преимущество смазочных масел перед твердыми смазочными мате-

риалами заключается в том, что они могут не только создавать гидроди-

намический эффект при соответствующих условиях, но и служить для

охлаждения узла трения.

3.7 Режимы трения в подшипнике скольжения

В присутствии жидкого смазочного материала возможен переход от

одного вида трения к другому. Если количество масла ограничено, но

достаточно для образования адсорбированного монослоя и граничной

102

пленки, то при трении первичный слой на вершинах неровностей поверх-

ностей быстро износится, и трение при граничной смазке частично перей-

дет в трение без смазочного материалу. Правда, благодаря подвижности

полярно-активных молекул адсорбированный монослой быстро восста-

навливается, но на восстановление граничной фазы за счет передвижения

масла из впадин неровностей потребуется значительное время. После вос-

становления граничной пленки условия трения улучшаются. Это может

привести к колебаниям коэффициента трения.

Весь смазочный материал через какой-то период срабатывается. Если

же, помимо расхода на образование граничной пленки, имеется избыток

масла, который заполняет впадины неровностей, то он служит для восста-

новления изнашиваемой граничной пленки. В этом случае трение при гра-

ничной смазке устойчиво. С увеличением подачи масла до необходимой

величины для создания гидродинамического эффекта на выступах неровно-

стей поверхностей или на макрогеометрических неровностях сопрягаемых

тел трение при граничной смазке переходит в трение при полужидкостной

смазке. Последний вид трения вне зависимости от скорости скольжения

поверхностей и вязкости смазочного материала присущ любой паре трения

при наличии достаточного количества смазочного материала.

Рассмотрим более подробно работу подшипника скольжения. Пусть

нагрузка, геометрические размеры, диаметральный зазор подшипника,

вязкость смазочного материала сохраняются постоянными. Будем изме-

нять скорость вращения цапфы. При малой скорости скольжения поверх-

ностей гидродинамический эффект их полного отделения не наблюдается,

так как масло выдавливается из зазора. Трение только полужидкостное. С

увеличением скорости скольжения гидродинамические силы возрастают,

и взаимодействие поверхностей снижается, наконец, при некоторой ско-

рости произойдет полное разделение поверхностей и наступит режим тре-

ния при жидкостной смазке. Дальнейшее увеличение скорости скольже-

ния приведет к повышению внутреннего трения в слое смазочного мате-

риала, и коэффициент трения возрастет. Минимальный коэффициент тре-

ния соответствует началу трения при жидкостной смазке.

Аналогичное явление наблюдается при изменении вязкости смазочно-

го материала: при малой вязкости масла жидкостной смазки не будет, но

после достижения минимального коэффициента трения с увеличением

вязкости масла повышается сопротивление трению. Противоположно

действует удельная нагрузка: при большом давлении на опору условия

для жидкостной смазки неблагоприятны; снижение нагрузки до некоторой

величины приводит к «всплыванию» цапфы; дальнейшее уменьшение

нагрузки сопровождается увеличением толщины несущего слоя смазочно-

го материала и сопротивления трению. Таким образом, режим трения в

103

подшипнике определяется вязкостью η, скоростью скольжения ν и давле-

нием p, точнее, фактором ην/p.

Наглядное представление об условиях перехода одного режима тре-

ния в другой дает диаграмма Герси, в которой коэффициент трения f свя-

зан с параметром ην/p (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 – Диаграмма режимов трения в подшипнике:

1 – трение несмазанных поверхностей; 2 – трение в условиях граничной и полужидкостной

смазки; 3 – трение при жидкостной смазке.

Этот параметр называют характеристикой режима подшипника. На

диаграмме линия aa, проходящая через точку минимума коэффициента

трения, разделяет области трения при жидкостной и других видах смазки.

Последняя является областью неустойчивого коэффициента трения. До-

пустим, что подшипник работает в режиме граничной смазки и по какой-

либо причине повысится давление. Тогда значение ην/p уменьшится, и

начальная точка на диаграмме переместится влево вверх. Сила трения

возрастет, температура поверхностей и смазочного материала повысится,

вязкость смазочного материала понизится, и сила трения еще более воз-

растет. При граничной смазке с повышением нагрузки возрастает темпе-

ратура, и граничная пленка местами разрушается – трение будет происхо-

дить без смазочного материала. Линия bb отделяет область трения при

граничной смазке от области трения несмазываемых поверхностей.

Фактор ην/p служит характеристикой режимов трения при полужид-

костной и жидкостной смазке. При других видах трения вязкостные свой-

ства смазочного материала можно не принимать во внимание. Что касает-

ся изменения коэффициента трения при малых, близких к нулю, значени-

104

ях характеристики режима, то в зависимости от материалов деталей и

среды кривая от точки, соответствующей коэффициенту трения покоя

(скорость скольжения ν = 0), может монотонно убывать либо возрастать и,

пройдя через максимум, снижаться вплоть до критического режима (ми-

нимального коэффициента трения).

Диаграмма Герси пригодна также для анализа явлений трения в под-

пятниках и парах трения с возвратно-поступательным движением. В этих

парах, как следует из диаграммы, на протяжении одного хода возможны

различные режимы трения.

Трение при смазывании водой. Молекулы воды гидроксильной

группы ОН

–

способны прикрепляться к чистой поверхности металлов,

пластмасс и резины. На неметаллах образуется прочный ориентирован-

ный монослой. В условиях отсутствия гидродинамической смазки в парах

металл – пластмасса и металл – резина осуществляется адсорбционное

смазывание водой. В парах металл – металл такое трение быстро перехо-

дит в трение без смазочного материала.

3.8 Трение качения

Сила трения качения на порядок и более меньше силы трения сколь-

жения. Сопротивление качению объясняется деформационными потерями

в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации

трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле. При тре-

нии качения происходит взаимное проскальзывание поверхностей, кото-

рое можно представить при рассмотрении качения шарика (рисунок 3.10.).

Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а окружность

СD касается ее края. Окружность АВ проходит за один оборот шарика

большее расстояние, чем окружность СD. Эта разница и обусловливает

скольжение поверхностей трения.

Гистерезисные потери при трении качения поясним с помощью ри-

сунка 3.11.

Рисунок 3.10

Рисунок 3.11

105

Еще О. Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала

катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он про-

ходит путь меньший, чем длина окружности цилиндра. Он предположил,

что резина растягивается в точке С не так, как в точках В и D, и в резуль-

тате имеет место, как уже упоминалось, проскальзывание с соответст-

вующим рассеиванием энергии. Из рисунка 3.11 видно, что впереди под

шариком в точке Е образуется углубление, а позади шарика в точке А де-

формируемый материал полностью (резина) или частично (металл) вос-

станавливается под действием сил упругости либо упругого гистерезиса;

кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы ре-

акции позади шарика меньше, чем силы давления впереди него. В резуль-

тате шарик совершает работу деформации.

При трении качения в случае твердых тел деформации поверхностей

невелики, и окисные пленки, имеющиеся на поверхности трения, не под-

вергаются значительным разрушениям. Скольжение поверхностей поэто-

му происходит не по металлу, а по окисным пленкам, которые могут из-

нашиваться.

Для приработанного состояния поверхностей по экспериментальным

данным сила трения качения

где

– константа, зависящая от материала;

– нагрузка на шарик;

– диаметр шарика;

n, m

– показатели степени – n = 1,7…1,85; m = 1,5…1,6.

Сила трения в подшипниках качения при высоких скоростях зависит

от вязкости смазочного материала и может достигать больших величин.

На силу трения в подшипниках качения влияют вязкость смазочного ма-

териала, трение в сепараторе подшипника, размер шариков, шерохова-

тость поверхности и др.

Момент трения в подшипниках качения

dQfM

5,0

или

dTfM

5,0

где

и f

– коэффициенты трения при радиальной и осевой нагрузках,

отнесенные к диаметру вала d;

Q и T

– радиальная и осевая нагрузки.

Сила трения в подшипниках качения увеличивается в случае техноло-

гических и монтажных погрешностей, повышенных скоростей и при тре-

нии в уплотнениях. Значения коэффициентов трения в различных видах

подшипников качения находятся в диапазоне 0,002…0,008.

106

3.9 Избирательный перенос – особый вид трения

В 1956 году Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский обнаружили, что при

трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключаю-

щей окисление меди, происходят явления избирательного переноса (ИП)

меди из твердого раствора медного сплава, на сталь и обратного ее пере-

носа со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэф-

фициента трения до жидкостного и приводящее к значительному сниже-

нию износа пар трения.

Таким образом, ИП можно характеризовать как вид трения с новым

смазочным материалом, при котором самопроизвольно в процессе работы

на поверхностях трения образуется тонкая пластичная пленка металла, в

которой происходят сдвиговые деформации. При самом простом рассмот-

рении ИП можно представить как трение двух деталей, между которыми

имеется смазочный материал в виде пластичного металла. Механизм дейст-

вия пластичной пленки (при трении по Ф.П. Боудену и Д. Тейбору) таков:

нагрузка воспринимается через пленку, которая, обладая достаточной

прочностью против выдавливания, предохраняет трущиеся поверхности от

непосредственного контактирования и взаимного внедрения. При относи-

тельном перемещении поверхностей происходит срез выступов шерохова-

тости в мягком металле. Поскольку сопротивление среза невелико, а пло-

щадь фактического контакта благодаря твѐрдой подкладке мала, то и со-

противление трению также мало. Опыты, по трению стального ползуна о

пленку индия разной толщины, нанесенную на стальную подкладку, пока-

зали, что имеется оптимальная толщина пленки, при которой трение мини-

мально (рисунок 3.4). При радиусе полусферического ползуна 0,3 см и на-

грузке 40 Н минимальная сила трения соответствует толщине пленки

-4

см, а при толщине пленки 10

-6

см (около 30 атомных слоев) пленка пе-

рестает быть эффективной. Пленка наносилась гальваническим способом,

что не исключало, наличия участков без покрытия. Следовательно, можно

полагать, что при равномерной пленке на коэффициент трения могут ока-

зать влияние пленки толщиной от одного до двух атомных слоев.

Долговечность и несущая способность приработочных металлических

пленок в общем случае зависят от свойств покрытия и основного металла,

прочности сцепления, толщины покрытия и его структуры, жидкого сма-

зочного материала, скорости, нагрузки и температуры в узле трения, а

также от геометрических характеристик контактирующих поверхностей

(прямая или, обратная пара трения). Пленка быстро изнашиваются глав-

ным образом вследствие окисления.

Основная отличительная черта работы пары трения в режиме ИП –

протекающие в ней физико-химические и электрические процессы, кото-

рые обеспечивают длительное существование металлической пленки,

107

удерживают частицы износа в зоне контакта и снижают усилия сдвиговых

деформаций. Толщина пленки при ИП в (10…40) раз меньше начальной

толщины приработочных покрытий. Если не касаться аналогии с прира-

боточными покрытиями, то ИП можно было бы характеризовать как пере-

вод узлов трения со смазывания минеральными или синтетическими мас-

лами на смазывание пластичным металлом. Такая идея является весьма

заманчивой, если учесть, что металлическая пленка выдерживает значи-

тельно большие нагрузки и обладает высокой термической стойкостью.

Эти преимущества имеют особое значение при работе тяжелонагружен-

ных узлов трения. При переводе узлов трения на смазывание металлами

возникает проблема подачи и удержания пластичного металла в зоне кон-

такта, исключения его наклепа, перенаклепа и сваривания поверхностей,

обеспечения низкого коэффициента трения и т.д.

Установленный эффект избирательного переноса при трении позво-

лил разработать новые технологические процессы изготовления трущихся

деталей и методы повышения их долговечности.

3.10 Сервовитная пленка и ее влияние на

взаимодействие трущихся поверхностей

Металлическую защитную пленку, образующуюся в процессе трения,

называют сервовитной (от лат. servo witte – спасать жизнь). При деформи-

ровании сервовитная пленка не разрушается, она воспринимает все на-

грузки, покрывая микронеровности поверхностей, которые практически

не участвуют в процессе трения.

Рисунок 3.12 – Схемы контакта деталей:

1, 3 – металлы; 2 – сервовитная пленка

При обычном трении, как без смазочного материала; так и при нали-

чии граничной смазочной пленки, детали контактируют на очень малой

площади, составляющей 0,0001…0,01 номинальной площади сопряжен-

ных поверхностей. В результате участки фактического контакта испыты-

вают высокие напряжения, что приводит к их взаимному внедрению, пла-

стической деформации и, следовательно, к интенсификации изнашивания.

Из приведенных на рисунке 3.12 схем контакта деталей видно, что если

при граничной смазке сопряженные поверхности контактируют только в

108

отдельных точках, то сервовитная пленка увеличивает фактическую пло-

щадь контакта в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упру-

гие деформации.

В режиме избирательного переноса трение происходит без окисления

поверхностей и поэтому не сопровождается образованием окисных пле-

нок. Защиту поверхностей от окисления выполняют плотные слои поло-

жительно заряженных веществ, которые образуются в процессе трения и

предотвращают поступление кислорода к сервовитной пленке.

Поскольку при трении между деталями имеется тонкая пленка пла-

стичного металла, то заедания поверхностей трения не будет при весьма

больших контактных нагрузках. Раздавить эту пленку фактически нельзя,

и сдвиговые деформации будут происходить именно в этой пленке.

3.11 О возникновении «магма-плазмы» при трении

Действительно, при микроскопическом исследовании контакта дета-

лей в условиях высоких нагрузок и температур П.А. Тиссеном установле-

на возможность образования магмы-плазмы (рисунок 3.13). Взаимодейст-

вие микроконтактов происходит за очень короткое время (10

-7

…10

-8

с), в

течение которого к контакту подводится большая энергия. Для таких ус-

ловий законы классической термодинамики не выполняются; материал

тонкого поверхностного слоя преобразуется, в результате в зоне соударе-

ния неровностей образуется магма – плазма; процесс сопровождается

эмиссией электронов, которые, имея избыточную энергию, сталкиваются

с молекулами воды, а затем гидратируются или вступают в химическую

реакцию, в результате чего выделяется водород и гидроксильный ион:

e(H

O) + H

O → OH + H.

Из большого числа окислительно-восстановительных реакций, происхо-

дящих при трении различных материалов с выделением водорода, приведен-

ная выше является наиболее производительной и ей принадлежит особая

роль в образовании и проникновении водорода в поверхность детали.

Рисунок 3.13 – Модель магмы-плазмы:

1 – исходная структура;

2 – расплавленная структура;

3 – плазма; 4 – электроны, движущиеся

при трибоэмиссии

109

3.12 Наводороживание возникающее при трении.

Сегрегация и перераспределение водорода

Приведем в качестве примеров два источника наводороживания при

трении:

1) продукты вторичных, реакций трибодеструкции углеводородов и

водородсодержащих сред, топлива, смазочного материала, пар трения;

2) продукты взаимодействия электронов экзоэмиссии при трении с

молекулами воды и других водородосодержащих соединений.

В первом случае содержание водорода в стальном образце после то-

карной обработки без СОЖ составило 0,4 см

/100 г, после токарной обра-

ботки с СОЖ – 5,6 см

/100 г. Во втором примере содержание водорода в

армко-железе вакуумной плавки было 9,73 см

/100 г, после трения пласт-

массой ФК-24А оно составило 10,68 см

/100 г.

В формуле явления водородного изнашивании указано, что оно про-

исходит «…вследствие трибомеханических процессов и градиентов тем-

пературы…».

Водородное изнашивание возникает в результате синергизма взаимо-

действия поверхностных явлений при трении с неравновесными процес-

сами, идущими при деформировании приповерхностного слоя металла.

Синергизм проявляется в том, что активность одновременного действия

всех факторов превышает сумму активностей каждого из факторов.

Совокупность всех факторов (процессов и явлений) при трении часто

объединяют под названием трибомеханохимические явления или процессы.

Таким образом, под трибомеханохимическими процессами понимаются:

экзоиммиссия и адсорбция при трении, трибодеструкция, приводящие к

выделению водорода; неравновесные процессы, ведущие при деформиро-

вании поверхностного слоя металла и, создающие градиенты тепловых,

электрических, магнитных полей и полей напряжений, что приводит к

диффузии водорода в металл, концентрации его в подповерхностном слое и

к патологическому характеру разрушения этого слоя. Экзоэлектронная

эмиссия при трении – поставщик электронов, способных сольватироваться

на молекулах воды и разлагать их на водород и кислород. Водород выделя-

ется также в результате вторичных реакций трибодеструкции водородсо-

держащих веществ, в частности углеводородов, входящих в состав топлива,

смазочного материала, контртел. Трение обусловливает адсорбцию образо-

вавшегося водорода на поверхности детали в результате формирования ка-

талитически высокоактивных ювенильных поверхностей и диссоциацию

молекул водорода (обязательное условие для последующей диффузии).

Внутри поверхностного слоя металла (под поверхностью трения) име-

ет место образование системы «накачки» водорода до равновесной и

сверхравновесной (пересыщенной) концентрации. Это происходит под

действием упомянутых градиентов и в большей степени под действием

градиентов температуры, направленных в подповерхностный слой со сто-

110

роны поверхности трения и со стороны объема металла и уменьшающих-

ся внутри слоя до нуля.

Атом водорода магнитен, а протон – электрически заряжен, что обу-

славливает связь электрических и магнитных явлений при трении с нако-

плением и миграцией водорода под действием магнитных и электриче-

ских полей.

Механические, химические, тепловые, электрические, магнитные и

другие явления, а также соответствующие поля (температуры, напряже-

ний и т.д.), возникающие при трении и управляющие концентрацией во-

дорода, управляют изнашиванием.

Концентрация водорода, его сегрегация усиливаются в деформируе-

мом слое благодаря массовому образованию дефектов. В свою очередь,

водород, концентрируясь в подповерхностном слое и частично молизуясь

в этих дефектах создает большое число зародышей трение. Такая положи-

тельная обратная связь (эффект «накачки») приводит к тому, что трещины

развиваются под действием нагрузки одновременно во многих местах и,

сливаясь, превращают поверхностный слой стали в порошок (водородное

изнашивание диспергированием).

В процессе испытаний установлено, что в результате трения происхо-

диперераспределение водорода и насыщение им трущихся поверхностей

(дорожек трения). При этом концентрация водорода на дорожках трения

возрастает в среднем в 2,5 раза, что подтверждает существование триботех-

нического источника локального наводороживания стали (рисунок 3.5).

Локальная концентрация водорода на поверхности изменяется с течением

времени, т.е. происходит инерционное перераспределение водорода в мате-

риале и после триботехнического контакта. Экспериментальные исследова-

ния по перераспределению водорода по поверхности и по толщине показа-

ли, что прочностные характеристики материалов на трибоконтакте сущест-

венно зависят от локального содержания водорода в зоне контакта. Причем

разные технологические операции приводят к различному перераспределе-

нию водорода в процессе обработки узлов трения.

3.13 Белый слой на поверхности трения и причины его образования

На поверхностях трения стальных и чугунных деталей иногда обра-

зуются блестящие белые пятна или полосы, полностью или почти не тра-

вящиеся обычными металлографическими реактивами. Эти образования,

открытые В.П. Кравз-Тарнавским в 1928 г., получили наименование «бе-

лого слоя». Обычно твердость белых слоев того же порядка что и твер-

дость материала детали, но бывает значительно выше твердости мартен-

сита среднеуглеродистой стали. Слой отличается высокой хрупкостью,

структура слоя высокодисперсная. В зависимости от условий образования