Материалы для трущихся деталей

Детали пар трения изготовляют из конструкционных, фрикционных, антифрикционных, износостойких материалов, работающих в различных условиях. Из конструкционных материалов (сталей и чугунов) выполняют детали, которые должны удовлетворять требованиям высокой прочности, жесткости или податливости, причем некоторые участки этих деталей участвуют в трении. К таким деталям относятся валы, зубчатые колёса, силовые цилиндры, поршни и поршневые кольца, станины, каретки, ползуны и т.д.

Фрикционными называют материалы, которые в контакте с сопряженной поверхностью обеспечивают высокий коэффициент трения. Такие материалы используются в тормозах и фрикционных муфтах. В качестве материалов для изготовления названных деталей применяют органические материалы (дерево, кожу, войлок, пробку), металлические (чугун, углеродистые стали У7 и др., марганцовистые стали и т.д.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстолит, фибра, асботекстолит) и металлокерамику (на медной и железной основе).

Износостойкими называют материалы, которые даже при значительных нагрузках сравнительно мало изнашиваются. В качестве таких материалов применяют конструкционные стали, упрочнённые различными способами, специальные стали, чугуны, порошковые материалы, резину, пластмассы и т.д.

К антифрикционным относят материалы, обладающие малым коэффициентом трения. Кроме этого такие материалы должны обладать следующим комплексом свойств:

- иметь достаточную для выполнения своих функций статическую и динамическую прочность при повышенных температурах;

- образовывать прочный граничный слой и быстро его восстанавливать в местах повреждения;

- иметь низкий коэффициент терния при несовершенной смазке;

- не заедать в сопряжении при прекращении подачи смазочного материала;

- иметь высокую теплоёмкость, прирабатываемость, теплопроводность, технологичность;

- обеспечивать высокую износостойкость сопряжения;

- быть недефицитными.

Основную трудность при конструировании узлов трения вызывает выбор материалов или в большинстве случаев сочетаний материалов, которые обеспечат заданные характеристики конкретного узла или машины в целом. Выбор материалов зависит от конструкции и назначения узлов, технологии производства, условий эксплуатации, от требований к общей прочности деталей, сроку их службы и надежности при учёте стоимости материала и эксплуатационных расходов.

Рассмотрим на некоторых примерах эффективность применения различных материалов для изготовления одинаковых деталей.

В механизмах находят применение литые и кованые коленчатые валы. Литые валы имеют преимущества перед валами из кованой стали: экономится металл, снижается трудоёмкость изготовления, сокращается технологический цикл производства. Для изготовления используют сплавы, содержащие в своей структуре графит и не содержащие графит. Графит содержится в чугунах и графитированной стали. Перечисленные сплавы более износостойки, при изготовлении валов из чугуна можно организовать поточное их производство. Кроме этого выплавка и разлив чугунов проще осуществить, в них образуется меньше трещин, некоторым маркам чугунов свойственны высокие динамические характеристики. Стоимость изготовления валов из различных материалов оценивается следующими цифрами: вал из высококачественного чугуна с пластинчатым графитом без термообработки - 1; вал из перлитного ковкого чугуна - 2,5-3; из высокопрочного чугуна без термообработки - 1,25; с термообработкой - 1,5; из углеродистой стали - 2,5; из легированной стали - 2,5; из графитированной стали - 3-3,3.

Применение различных смазочных материалов и способов смазки может повлечь за собой необходимость замены материала одной из сопрягаемых деталей, что связано с изменением вида изнашивания.

В некоторых случаях для увеличения надежности деталей приходится подбирать материал с меньшей износостойкостью. Так, например, в плунжерах применяют сочетание материалов закалённая сталь по завалённоё стали. Однако для изготовления ротора и лопатки лопастного насоса такое сочетание неприемлемо, поскольку наблюдаются катастрофические задиры. Поэтому широко применяют бронзовые лопатки в паре с закалённой сталью.

На выбор материалов оказывают влияние физико-химические явления, протекающие на поверхностях трения и зависящие от условий работы. Например, высокомарганцовистая сталь (называемая также сталь Гатфильда) используется преимущественно в механизмах, детали которых испытывают в основном ударную нагрузку. После закалки такая сталь сохраняет аустенитную структуру, приобретая высокую высокую прочность при незначительной вязкости и высокую способность к наклёпу, которая возрастает с ростом нагрузки. Образующаяся твердая корка при изнашивании возобновляется. Однако при абразивном изнашивании указанная сталь не имеет никаких преимуществ в сравнении с обычной среднеуглеродистой сталью. Это обстоятельство связано в основном с тем, что процесс наклёпа протекает намного медленнее, чем процесс изнашивания.

При одних и тех же химическом составе и механических свойствах материалы различаются по износостойкости вследствие различия их структур. Например, крупнозернистые структуры легко прирабатываются боле пластичны, однако их износостойкость меньше, чем у мелкозернистых структур. Наличие твёрдых легко выкрашивающихся или крупных мягких составляющих является дефектом структуры материала трущихся деталей.

Весьма сложной является задача подбора материалов для подшипниковых узлов, что связано с большим количеством факторов и условий которые необходимо соблюдать для долговечной работы сопряжения. Согласно правилу Г.Шарпи хорошо работающие антифрикционные сплавы должны иметь равномерно распределенные в пластичной основе твердые зёрна с низким коэффициентом трения и малой склонностью к задирам.

Фрикционные материалы должны обладать высокой термической усталостью, поскольку работают при действии многократного совместного действия теплового и силового нагружения. Кроме этого фрикционные материалы не должны при работе повреждать сопряженную деталь, не должны гореть, выделять вредных и неприятных запахов, дымить, не должны коррозировать и вызывать коррозии сопряженных деталей.

Целесообразно использовать в узлах трения порошковые антифрикционных и фрикционные материалы, различные пластмассы. Методами порошковой металлургии получают практически готовые к применению детали из порошков металлов, керамики и их композиций. Из пластмасс широко используются полиамиды, полиуретаны, фторопласты (подробнее...), относящиеся к группе термопластичных материалов, термореактивные материалы - текстолит, волокнит, гетинакс и др.

В качестве подшипниковых материалов широкое распространение получили композиционные металлофторопластовые ленточные материалы, состоящие из металлической основы и фторопластового слоя на этой основе, композиционные материалы в виде стальной подложки и пористого слоя бронзы на ней.

Материалы сопряженных деталей, работающие при высокой температуре, должны обладать высокой жаропрочностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением термической усталости и теплопроводностью, причём при работе без смазочного материала должны образовываться плёнки, предохраняющие поверхности от схватывания. Для деталей подшипников качения главным является твердость материала. Для подшипников скольжения при высокой температуре твёрдость не оказывает существенного влияния. Для работы в таких тяжелых условиях используют тугоплавкие металлы, твёрдые и специальные сплавы, керамические материалы. Если на деталях образуются окисные плёнки, допускается использование в узлах одноименных материалов, применяются различные смазочные материалы (дисульфид молибдена), покрытия из мягких металлов (меди, серебра), окислы олова и бора, соединения вольфрама, молибдена, фтора, стекловолокно, галогениды некоторых материалов.

Проверку правильности выбора материалов пар скольжения при заданных размерах сопрягаемых деталей и определение этих размеров при проектировании производят по определённым критериям.

Самый простой способ проверки заключается в расчёте по среднему давлению. Если режим трения определяется не только давлением, но и скоростью скольжения, то применяют метод расчёта по произведению давления на скорость скольжения.

Для подбора материалов можно использовать следующие правила:

- сочетать твёрдый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности при трении, что исключает возможность заедания и высокую надёжность;

- для работы в определённых условиях работы сочетать твёрдый материал с твёрдым, благодаря чему обеспечивается высокая износостойкость сопряжения;

- не применять в трущихся деталях мягких материалов в сочетании с мягкими материалами и одноименных материалов (исключение составляют фторопласт и полиэтилен);

- использовать в труднодоступных для смазывания узлах детали из порошковых материалов;

- применять пластмассы;

- использовать возможности режима избирательного переноса;

- применять конструктивные способы повышения износостойкости деталей.

Раздел 12

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: