Выбор смазки

В условиях граничного трения от смазки требуется, во-первых, создание прочности поверхностной плёнки, что связано с явлением смачивания и налипания, и во-вторых, способность взаимодейство­вать с поверхностным слоями материала и изменять их структуру и свойства.

Изменение состояния поверхностного слоев металла проявляется в виде пластической деформации и механического упрочнения, хемосорбции и диффузии из смазочной среды и образования вторичных структур.

В качестве смазочных материалов в машинах применяются жид­кие минеральные масла, густые смазки. Выбор того или иного сорта смазки зависит в первую очередь от скоростей относительного сколь­жения и нагрузок, действующих в сопряжениях.

Твёрдые смазки используются при работе узлов трения в различ­ных машинах в экстремальных условиях (вакуум, высокие температу­ры).

Твёрдые смазки используются в виде тонких покрытий, в каче­стве структурных составляющих подшипниковых сплавов, как по­рошки и присадки к обычным смазкам, путём пропитки пластмасс и другими способами. В качестве материала для твёрдых смазок обыч­но используются графит, дисульфид молибдена, полимеры (фторо­пласты, графитопласты, капрон), металлокерамические композиции, пластичные металлы (серебро, золото, свинец, индий), металличе­ские соединения высокомолекулярных жирных и смоляных кислот (мыла).

Находят применение самосмазывающие материалы, в состав ко­торых органически входят твёрдые и жидкие смазки.

Графит и графитовые материалы обладают хорошей теплопро­водностью и обеспечивают стабильные фрикционные свойства. Од­нако при превышении некоторого определённого для данных условий критического давления коэффициент трения и скорость изнашивания возрастает из-за разрушения углеграфитного материала и пара стано­вится неработоспособной.

Применение в качестве твёрдых смазок сульфидов, селенидов и теллуридов металла, циркония, гафния и тория обеспечивает низкий коэффициент трения, особенно при трении этих материалов друг по другу. Однако при трении по металлическим поверхностям они име­ют худшие антифрикционные характеристики, чем графит.

При применении твёрдых смазок работоспособность узла трения определяется в основном не свойствами материалов пары, а износо­стойкостью самого смазочного покрытия.

3.7.3. Типовые сочетания материалов для пар трения.

Выбор сопряжённых материалов для заданных условий работы является сложной задачей и базируется на анализе процессов, проис­ходящих в поверхностных слоях трущихся поверхностей. Опыт экс­плуатации различных машин позволяет выделить группы типовых со­четаний материалов для различных пар трения. Перечислим основные

Сталь - антифрикционный цветной сплав. Сочетание термообработанной, например, цементированной и закаленной стали в паре с бронзами на основе олова, цинка, алюминия, свинца широко приме­няется для подшипников скольжения различных типов.

Сочетания из стали и антифрикционного чугуна. Закаленная сталь – антифрикционный чугун, сталь по стали, чугун по чугуну часто применяется при сравнительно невысоких скоростях скольже­ния.

Металл - полимерный материал. Такое сочетание применяется для зубчатых и червячных передач, подшипников и направляющих скольжения, винтовых передач.

Специальная сталь - абразивная среда.

Специальные хромистые, марганцовистые и другие высоко­прочные стали применяются для деталей, работающих в контакте с почвой, породой, потоком газа или жидкости (зубья ковшей экскава­торов, лопатки турбины).

Сталь или чугун - фрикционный сплав.

Для тормозных и других устройств, где требуется обеспечение значительного трения на сопряжённых поверхностях, применяется сочетание специальных чугунов или сталей с металлическими, асбокаучуковыми, асбосмоляными и металлокерамическими фрикцион­ными материалами.

Сталь –самосмазывающий материал. Это состояние применяет­ся для сопряжений типа подшипников скольжения, шарниров и др. с ограниченной внешней смазкой и при относительно небольших скоро­стях скольжения, когда материал должен обеспечивать подачу смазки за счёт своей структуры.

3.8. Термодинамические основы трения.

Трение обуславливается рядом причин: природой материалов, протяжённостью контакта, скоростью скольжения.

Сила трения выражается законом Кулона - Амонтона.

F=B+μN

Где F - сила трения;

B - константа, характеризующая способность трущихся пар

к сцеплению;

μ - коэффициент пропорциональности;

N - нормальная реакция.

Обычно для грубообработанных поверхностей

F =μN

Развитие теории и практики вопросов, связанных с трением, привело к тому, что взаимодействие тел при трении не может быть описано простым фундаментальным законом.

Представляет интерес рассмотреть этот вопрос с точки зрения законов термодинамики. С помощью первого закона термодинамики процесс внешнего трения может быть записан

A = Q + ∆Е_ВН +∆Е_П + Е_д +Е_С

Где А - работа сил трения;

Q - количество выделившегося числа;

∆Е_ВН - изменение внутренней энергии;

∆Е_П - приращение поверхностной энергии;

Е_д - энергия внешнего рассеяния (диссинации);

Е_с - энергия затраченная на сдвиг и скольжение в граничном слое.

Обычно энергии ∆Е_П, Е_д малы по сравнению с остальными со­ставляющими и ими пренебрегают. Поэтому обычно основное положение теории внешнего трения описываются зависимостью

A = Q + ∆E

Где ∆Е - общее увеличение поглощённой энергии узла трения.

Отметим две характерных особенности, вытекающих из уравне­ния.

1. Поглощённая энергия никогда не равна нулю (∆Е ≠ 0), а работа внешнего трения никогда полностью не переходит в теплоту

(A≠Q).

2. Отношение поглощённой энергии к работе внешнего тре­ния величина непостоянная (∆Е/А ≠ cons) и зависит от свойств тру­щихся материалов и условий внешнего трения.

∆/А = φ(к, Р,V) где к - параметр трения (свойства материалов, среды, температуры и т.д.);

Р - давление;

V - скорость скольжения.

Рассмотрим возможные энергетические соотношения в зависи­мости от изменения давления и скорости. В этом случае удобно по оси ординат откладывать величину коэффициента трения, пропор­ционального отношению ∆Е/А. Эти зависимости представлены на рисунке 3.3

Рисунок 3.3 - Энергетические соотношения ∆Е/А для различных об­ластей трения; а - при изменении нормального давления, б- при из­менении скорости (1 - сухое трение; 2 - жидкостное трение)

Как видно из рисунка 3.3. зависимости механических воздейст­вий нагрузки и скорости движения аналогичны. Если же пара трения работает в условиях жидкостного трения, то коэффициент трения значительно ниже и больший диапазон горизонтального участка.

На рисунке 3.3 выделены четыре характерных участка. На пер­вом из них, при малых значениях Р и V ещё нет полных условий для нормализации процесса трения, а отношение ∆Е/А стремиться к ми­нимальному значению ∆Е/А → min. Участки II характеризуют нор­мальный стабилизированный процесс трения, при котором ∆Е/А = min и основная часть работы превращается в теплоту АQ. Для этой области соблюдается линейная зависимость коэффициента трения от нагрузки типа эмпирического закона Кулона - Амонтона F = μ N

Дальнейшее увеличение давления или скорости (участки III) вызывает нарушение нормального режима трения. При таких услови­ях деформация и разрушение вторичных структур происходит более интенсивно, т.к. зависимость коэффициента трения от изучаемых па­раметров отклоняется от линейной. В этом случае ∆Е/А → max.

В четвёртой зоне ∆Е/А = max, т.е. достигает критического зна­чения, происходит количественное изменение процесса трения, свойств поверхностных слоев. В конечном итоге возможны схватыва­ние металлов, смятие, внедрение и т.п.

Согласно современным представлениям [3] в поверхностном слое при трении в результате высоких давлений и сдвигающих напряжений на дискретном контакте образуются три характерных слоя (рисунок 3.4.): 1- плёнки вторичных структур; 2 - зоны упругих деформаций; 3 - основные металлы

Рисунок 3.4. - Схемы строения поверхностных слоев при меха­ническом нормальном окислительном процессе трения: а) поверх­ность вторичной структуры I- го типа; б) - то же II типа; в) структу­ры I и II типов в паре трения; 1- плёнки вторичных структур; 2- зоны упругих деформаций; 3 - основной металл; 4 - ультра -дисперсные продукты разрушения.

Отметим, что в данном случае рассматривается механохимический нормальный окислительный износ плёнок.

Структуру тонких поверхностных слоев (обычно их глубина со­ставляет 150 - 200 мм) представляет гамму метастабильных (бли­зость по составу соединений) состояний ультра-дисперсных плёнок – вторичных структур. Эти вторичные структуры являются результатом физико-химического взаимодействия слоя ультра - дисперсной структуры и активных компонентов среды. В зависимости от состава вторичных их подразделяют на два типа.

Тип 1 характеризуется образованием на поверхности трения твёрдых растворов кислорода или иных газов на тонких эвтектиках его соединений с металлом; тип П - образование химических соеди­нений кислорода или иных газов с металлом.

На рисунке 3.5 показаны схемы контакта поверхностей при нор­мальном трении скольжения.

Рисунок 3.5 - Принципиальная схема изменения вторичных структур в зависимости от удельной работы трения.

Таким образом, механический износ представляет собой взаи­модействие активизированных пластической деформацией поверхно­стных компонентов жидких и газовых сред, образующих структур. Причём это установившийся стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления окисных плёнок.

Для заданных материалов переход от одного типа структур к другому определяется условиями нагружения и, в частности, удель­ной работой трения -А = μ Р V. Модели строения вторичных струк­тур приведены на рисунке 3.5.

При А < А₁ на поверхностях трения наблюдаются вторичные структуры 1 типа; при A_I – А_II - структуры обеих типов; при А_II - А_с только вторичные структуры II типа; при А > А_с - происходит про­цесс схватывания.

Внешними признаками вторичных структур на макроскопиче­ском уровне являются: блестящие - для вторичных структур 1 типа; матовая - для структур II типа.

Изменяя химический состав твёрдых материалов и смазочных сред, можно смещать критические значения A_i в сторону больших или меньших величин, т.е. управлять процессом трения, а соответст­венно и износом.

Различия во вторичных структурах играют решающую роль при выборе пар трения. Для примера на рисунке 3.6. показана зависи­мость коэффициента трения от скорости при различном сочетании вторичных структур.

Рисунок 3.6 - Схема изменения коэффициента трения от скоро­сти скольжения (а) при различном сочетании вторичных структур (б).

Как видно из рисунка 3.6. сочетание вторичных структур I типа и II типа даёт наименьшее значение коэффициента трения. В то же время, с целью уменьшения износа, следует избегать сочетания мате­риалов, образующих соединения структур.

3.8. Износ и повреждаемость при трении.

Согласно стандарту (ГОСТ 16429 - 70) все виды изнашивания можно разделить на три основные группы (рисунок 3.7):

Рисунок 3.7

Механическое изнашивание происходит в результате только ме­ханических взаимодействий материалов изделия.

Молекулярно - механическое изнашивание сопровождается так­же воздействием молекулярных или атомарных сил.

Коррозионно - механическое изнашивание происходит при тре­нии материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой

Разновидность этих процессов характеризуется специфическими явлениями.

Абразивное изнашивание при котором на трущихся поверхно­стях имеются абразивные частицы, разрушающие поверхность за счёт резания и царапанья с отделением стружки. Причины возникновения: происходит это вследствие недостаточной фильтрации смазки или наличия абразива на поверхности трения, попадающего из окружаю­щей атмосферы. Часто абразивные частицы являются продуктами из­носа.

Усталостное изнашивание является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей. Следует раз­личать контактную усталость поверхностных слоев, которая возника­ет при чистом качении и проявляется в развитии местных очагов раз­рушения и усталостный износ. Когда при трении скольжения отделе­ние микрообъёмов поверхностей связано с усталостной природой раз­рушения.

Адгезионное изнашивание связано с возникновения в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного взаимо­действия, силы которого превосходят прочность связей материала по­верхностных слоев с основным материалом. Адгезинное изнашива­ние связано всегда с фрикционным переносом материала с одного тела на другое или с образованием прослоек. В некоторых случаях это мо­жет оказать благоприятное влияние на фрикционные характеристики пары. Однако, при трении металлических пар адгезионное изнашива­ние приводит к схватыванию контактирующих участков, глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности на другую. Этот вид износа относится к недопустимым видам повреждения.

Изнашивание в условиях избирательного износа характеризуется атомарными явлениями в зоне контакта и приводит к практически безисносным парам.

Окислительное изнашивание происходит при наличии на по­верхности трения защитных плёнок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

Существуют различные формы окислительного износа

- при удалении с поверхности трения ультрамикроскопических химически адсорбированных плёнок (1-я форма);

при удалении микроплёнок твёрдых растворов и эвтектик химических соединений кислорода и металла (2-я форма) и

-при периодическим образовании и выкрашивании сплошных твёрдых и хрупких слоев химических соединений кислорода и металла.(3- форма).

Изнашивание при фреттинг коррозии происходит при относи­тельных колебательных перемещениях контактирующих металличе­ских поверхностей в результате вибрации или периодических дефор­маций элементов конструкции. На участках, повреждённых фреттинг

- коррозией, протекают процессы схватывания, абразивное разруше­ние, усталостно-коррозионные явления. Данный процесс является многостадийным и состоит из следующих этапов.

Вначале происходит упрочение поверхностей контакта и цикли­ческая текучесть подповерхностных слоев. При этом происходит пла­стическая деформация микровыступов, возникновение и разрушение окисных плёнок.

Вторая стадия фреттинг-коррозии характеризуется развитием коррозионно-усталостных процессов и формированием коррозионно

- активной среды в следствии адсорбции на окислах влаги и кислоро­да. Износ связан с образованием и удалением из зоны контакта раз­рушающихся окисных плёнок.

Третья стадия фреттинг - коррозии, характеризуется высокой интенсивностью процесса, связана с разрушением поверхностных слоев, предварительно разрыхленных усталостными и коррозионны­ми процессами. Эта стадия является недопустимой при эксплуатации изделий.

Приведём основные понятия и определения по износу изделий.

Изнашивание - это процесс постепенного изменения размеров и формы тел при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и в его остаточной деформации износ - результат изнашивания.

Показатели износа. 1. Скорость износа - отношение величины износа ко времени в течении которого он возникает (V). Наиболее часто износ характе­ризуется изменением размеров изделия в направлении, перпендику­лярном к поверхности - линейный износ (U_л). Реже используются показатели изменения - объёмный износ (U₀) или износ массы детали (U_M).

2. Интенсивность изнашивания Y = dU/dS изменение величины износа к относительному пути трения (S) на котором происходило из­нашивание или к объему выполненной работы.

3. Износостойкость изделия (ξ_и) - свойство материала оказы­вать сопротивление изнашиванию при определённых условиях трения. Оценивается износостойкость величиной, обратной скорости изна­шивания или интенсивности изнашивания ξ_и = 1/V или 1/Y.

4. Относительная износостойкость (ξ₀) - безразмерный пока­затель, определяемый отношением износостойкости испытываемого материала и материала, принятого за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.

5. Предельный износ (U_np) или предельный зазор сопряжения - состояние, при котором дальнейшая эксплуатация изделия должна быть прекращена.

Классы изнашивания:1-й – это изделия, образующие пары тре­ния; 2-й – изделия, соприкасающиеся с рабочей средой.

Виды повреждаемости: повреждаемость - это процесс резко вы­раженного изменения поверхности трения, структуры и свойств по­верхности слоев.

а) царапание - подминание под себя и оттеснение в сторону мяг­кого материала твёрдой частицей;

б) отслаивание - оттеснение в сторону материала при пластиче­ском течении;

в) выкрашивание - образование ямок на поверхности;

г) заедание - возникновение и развитие повреждений поверхно­стей трения вследствие схватывания трущихся пар и переноса мате­риала с поверхности одной трущейся детали на другую;

д) схватывание - местное соединение двух тел вследствие дейст­вия молекулярных сил;

е) перенос материала - отрыв материала от одного тела и перенос на другое с присоединением к последнему.

3.10 Динамика трения износа.

Из изложенного выше материала (раздел 221.1.Становится оче­видным, что закон изнашивания материалов должен в общем виде яв­ляться функцией:

U(V_U) = φ(к, Р, V, Н,σ_т, Е,h, σ_п.с., t, В и др.),

Где U - линейный износ; V_H - скорость износа;

К - параметр, характеризующий вид трения;

Р - удельное давление;

V - скорость скольжения или качения;

Н - твёрдость материалов;

σ_т - предел текучести;

Е - модуль упругости;

Н - высота выступов;

σ_п.c. - напряжённость поверхностного слоя;

t - температура;

В - параметр, характеризующий влияние внешних условий (вибрацию и другие).

Кроме того, для решения вопросов надёжности, необходимо все закономерности изнашивания описывать в зависимости от времени.

Получение таких обобщённых зависимостей в настоящее время невозможно не только на основе теоретического анализа, но и экспе­риментальных обобщений. В связи с этим в большей части использу­ют эмпирические зависимости, учитывающие не все переменные, влияющие на процесс, а лишь часть из них, основные. Причём, эм­пирические зависимости зачастую охватывают лишь некоторый узкий диапазон условий изнашивания.

Рассмотрим некоторые основные закономерности изнашивания.

3.10.1. Протекание износа во времени.

Изнашивание является многостадийным процессом, поэтому изменение износа во времени обычно выражается кривой состоящей из двух или трёх участков. Классическая форма кривой износа состоит из трёх участков.

На рисунке 3.8 приведены классические формы кривых для ли­нейного износа и скорости изнашивания.

Видно, что каждый график имеет три характерных участка. Ес­ли эти участки анализировать с точки зрения служебных характери­стик износа, то участки I и III относятся к патологическим процессам (более полная формулировка дана ниже),а участок II - к нормально­му

Рассмотрим в первую очередь участки патологических процес­сов.

В первый период (участок I) происходит переработка поверх­ностей и скорость износа монотонно убывает. Возможный патологи­ческий процесс повреждаемости носит название схватывание 1рода – молекулярно-механический процесс недопустимой повреждаемости в результате возникновения металлических связей, их деформации и разрушения с отделением частиц или налипанием на поверхности кон­такта. Модель строения поверхностного слоя для этого процесса при­ведена на рисунке 3.8, схватывание 1 рода происходит, как видно из рисунка 3.8 при трении скольжения с малыми скоростями относитель­ного перемещения, но удельные давления в этих случаях превышают предел текучести на участках фактического контакта при отсутствии разделяющего слоя смазки и защитной плёнки окислов. Схватывание 1 рода наиболее часто происходит при разборке роторов центробеж­ных машин (снятие рабочих колёс, защитных гильз, посаженных ра­нее с натягом).

Рисунок 3.8. - График зависимости изменения износа (а) и ско­рости износа (б) от времени.

I - приработка; II - нормальный износ; III - катастрофический износ.

Рисунок 3.9 - Строение поверхностных слоев при схватывании 1 рода (а) и II рода (б)

На участке III возможен патологический процесс, называемый схватыванием II рода - молекулярно - механический процесс недо­пустимой повреждаемости поверхностей трения, вызванный образо­ванием местных металлических связей, их деформацией и разруше­нием, выражающемся в образовании трещин, намазывании, перено­се металла и отделении частиц с поверхностей трения. Возникнове­ние металлических связей обусловлено нагреванием, размягчением, деформацией сопрягаемых поверхностей.

Схватывание II рода происходит при трении скольжения с боль­шими скоростями и значительными удельными давлениями, обуслав­ливающий высокий градиент и интенсивный рост температуры в по­верхностных слоях трущихся металлов. При этом образуются струк­туры рекристаллизации, отпуска и закалки.

Следует заметить, что повреждаемости схватывание 1 и II родов условно относятся к показателям надёжности, т.к. они не связаны со временем.

На участке II (см. рисунок 3.8) скорость изнашивания постоянна и процесс носит название установившегося или стационарного. С точки зрения надёжности, то на участке происходит нормальный или допустимый износ. При этом в основе его лежит один или несколько наиболее характерных процессов: механохимический окислительный; механохимический износ плёнок некислородного происхождения; механохимический абразивный износ.

На рисунке 3.8 пунктирными линиями показаны зависимости износа, и скорости износа в функции от времени при давлениях несколь­ко ниже рассматриваемых. Можно отметить, что характер этих зави­симостей не изменяется, а изменяются лишь длины участков и соответственно износ и скорость износа. На ход кривых будут влиять и другие параметры (сочетание материалов, среда, температура и др.).

Рисунок 3.10 - Схема расположения областей нормального и па­тологических процессов трения: 1 - область нормального трения; II -переходная область; III - схватывание 1 рода; IV - схватывание II ро­да.

Встречаются разновидности данной кривой, например, когда накопление отрицательных факторов, влияющих на процесс, про­должается непрерывно и нет различия между II и III периодами (ри­сунке 3.11а). В других случаях, наоборот происходит стабилизация износа и скорость монотонно убывает (рисунке 3.11 б)

Рисунок 3.11 а

Рисунок 3.11 б

Периоды происхождения износа во времени.

Учитывать, что период приработки необходимо сокращать до минимума, можно сделать вывод о том, что линейная зависимость между износом и временем (V = const) наиболее типично при работе сопряжений машин.

Таким образом, для установившегося износа

U = kt = Vt;

Для износа с учётом периода приработки

U = U_n + Vt,

Где U_n- износ за период приработки.

В некоторых случаях, когда период приработки велик, скорость изнашивания можно выразить уравнением

V(t) = (V₀ - V_∞) e ^-аt + V_∞,

Где V₀ и V_∞ - соответственно скорость изнашивания в началь­ный момент (t = 0) и при установившемся износе (t →∞)

а - параметр, определяемый период приработки.

3.10.2 Зависимость износа от давления и скорости скольжения.

Давления на поверхности трения (Р) и скорости относительного скольжения (V) являются основными параметрами, связанными с конструкцией и кинематической сопряжений.

При установлении аналитических зависимостей следует иметь в виду, что, во-первых, они должны относится только к допустимым видам изнашивания; во-вторых, характеризовать процесс с опреде­лённой физической закономерностью явлений. Для I,11 зон, соответ­ствующих недопустимым (патологическим) видам износа, надо знать лишь условия, при которых они могут возникать.

Анализ большого числа исследовании износа различных мате­риалов в условиях граничного трения и трения без смазки показывает, что в общем случае скорость изнашивания может быть выражена за­висимостью:

V = kP^mV_cⁿ,

где m = 0,5 – 3 и для большинства пар трения n = 1;

к – коэффициент износа, характеризующий материал пары и условия изнашивания.

Для абразивного и ряда других видов изнашивания m = n = 1

V = kPV_c,

U = Vt = kPV_ct = kPS,

где S = V t – путь трения.

Из последнего выражения видно, что при U = 1 износ не зависит от скорости относительного, а лишь от пути трения.

На значение коэффициента k влияют характеристики применяе­мых материалов пары, условия в зоне контакта и в первую очередь смазка поверхностей.

Если две поверхности выполнены из различных материалов, то:

V₁ = k₁ P^mV_cⁿ

V₂ = k₂ P^mV_cⁿ

Следует иметь в виду, что приведённые уравнения, хотя и напи­саны в дифференциальном виде, могут рассматриваться как функции случайных аргументов. Это позволяет оценить параметры случайного процесса изнашивания.

3.10.3 Зависимость износа от механических характеристик мате­риалов.

На скорость изнашивания существенное влияние оказывают ме­ханические характеристики материала и его химический состав и структура.

В общем случае из механических характеристик с износостойко­стью связаны в первую очередь предел текучести или прочности, предел усталости и твёрдость материала.

Исследования показали, что основной характеристикой абразив­ной износостойкости является твёрдость материалов и сплавов. Для чистых металлов и термически необработанных сталей имеется ли­нейная зависимость между их твёрдостью и износостойкостью:

,

где - относительная износостойкость абразивного изнашива­ния;

Н - твёрдость по Виккерсу;

b - коэффициент пропорциональности (b7,3)

Для термически обработанных сталей износостойкость также вырастает с увеличением твёрдости, но в меньшей степени.

Дата добавления: 2014-01-07