10.2. Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа

Причина изнашивания сопряженных деталей работа сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др.

Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникновение различных теорий внешнего трения. Наиболее полно силовое взаимодействие твердых тел объясняет молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения.

Эта теория исходит из дискретности контакта трущихся поверхностей. Из-за шероховатостей соприкосновение поверхностей возникает в отдельных пятнах касания, образующихся от взаимного внедрения микронеровностей или их пластического смятия. Взаимодействие скользящих поверхностей в этих пятнах смласно теории имеет двойственную природу - деформационную и адгезионную. Деформационное взаимодействие обусловлено многократным деформированием микрообъемов поверхностного слоя внедрившимися неровностями. Сопротивление этому деформированию называют деформационной составляющей силы трения

Рис. 10.1. Виды взаимодействия поверхностей трения: 1 — упругое контактирование; 2 — пластическое деформирование; 3 — микрорезание; 4 — схватывание и разрушение поверхностных пленок ; 5 — схватывание и глубинное вырывание

. Адгезионное взаимодействие связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки. Сопротивление срезу этих мостиков и формированию новых определяет адгезионную составляющую силы трения Таким образом, сила трения так же как и другая важная фрикционная характеристика-коэффициент трения по определению равный отношению силы трения к нормальной нагрузке определяются как сумма двух составляющих

Деформационная составляющая трения растет пропорционально величине относительного внедрения неровностей глубина внедрения, - радиус внедрившейся неровности). Величина и соответственно растут с увеличением шероховатости поверхности, нагрузки и снижаются с увеличением твердости и модуля упругости материала. Различают три вида механического взаимодействия (рис. 10.1): 1) упругое контактирование; 2) пластическое деформирование; 3) микрорезание.

Интенсивность износа минимальна при упругом контактировании. При пластическом деформировании интенсивность износа увеличивается на несколько порядков. Это обусловлено тем, что участки поверхности под влиянием пластической деформации интенсивно упрочняются и по исчерпании запаса пластичности хрупко разрушаются. Этому же способствует и усиление адгезионного взаимодействия. Микрорезание относится к недопустимым механизмам изнашивания, так как вызывает интенсивное разрушение поверхностного слоя. Микрорезание возможно не только внедрившимися неровностями, но и посторонними твердыми частицами. Такой вид разрушения поверхности называют абразивным изнашиванием.

Адгезионная составляющая трения пропорциональна безразмерному параметру прочность на срез адгезионной связи). Возможны два вида адгезионного взаимодействия: 1) схватывание и разрушение поверхностных пленок (см. рис. 10.1, поз. 4); 2) схватывание металлических поверхностей, сопровождающееся заеданием, т. е. глубинным вырыванием (см. рис. 10.1, поз. 5).

При первом виде взаимодействия срез адгезионных связей происходит по оксидным или адсорбированным пленкам, которыми всегда покрыты трущиеся поверхности. Скорость образования оксидных пленок обычно высока, чему способствуют высокие температуры, развивающиеся на поверхностях трения. Разрушение поверхности путем среза оксидных пленок называется окислительным изнашиванием. Это наиболее благоприятный вид изнашивания, при котором процессы разрушения локализуются в тончайших поверхностных слоях.

Схватывание металлических поверхностей возникает между чистыми от пленок (ювенильными) поверхностями трения, например, в условиях вакуума или при разрушении пленок пластической деформацией в местах контакта. Между очищенными участками образуются адгезионные связи, которые по прочности превосходят прочность одного из материалов пары трения. Срез происходит в менее прочном материале в глубине от места схватывания. На одной поверхности трения образуются углубления, на другой - вырванные частицы, которые повторно схватываются и бороздят трущиеся поверхности, вызывая их интенсивное разрушение, а

иногда из-за большого тепловыделения и сваривание. Разрушение поверхностей трения при схватывании (заедании) называют адгезионным изнашиванием. Это наиболее опасный и быстротечный вид изнашивания, который служит главной причиной отказа в работе многих узлов трения.

Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала: 1) увеличение твердости трущейся поверхности; 2) снижение прочности адгезионной связи.

Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по возможности упругое деформирование участков контакта.

Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей трения жидким, твердым (иногда газовым) смазочным материалом. При использовании жидкостной смазки, когда поверхности деталей разделены несущим гидродинамическим слоем, коэффициент трения минимален а износ практически отсутствует.

Твердая смазка обеспечивает более высокий коэффициент трения Она незаменима для узлов трения, способных работать в вакууме, при высоких температурах и других экстремальных условиях. Из твердых смазочных материалов наиболее широко применяют графит и дисульфид молибдена имеющих слоистое строение.

Использование смазочных материалов, однако, не гарантирует от схватывания. Твердые смазочные материалы постепенно изнашиваются. Условия жидкостной смазки нарушаются из-за неблагоприятных режимов работы механизмов. К ним относятся периоды приработки, а также пуска и остановок машин. В этих случаях возникает граничное трение, при котором поверхности разделяются лишь тонкой масляной пленкой. Контактные напряжения и нагрев способны разрушать эту пленку и вызывать схватывание. В этих условиях решающее значение приобретает обеспечение совместимости трущейся пары. Под совместимостью понимают свойство материалов предотвращать схватывание при работе без смазочного материала или в условиях нарушения сплошности масляного слоя. Совместимость достигается несколькими способами.

1. Использованием защитных свойств оксидных пленок. Защитные свойства оксидных пленок зависят от их состава, толщины, а также от свойств металлической подложки, увеличиваясь с ростом ее твердости. Если оксид тверд и прочен, а нижележащий металл мягок, то пленка легко разрушается, и схватывание развивается при малой нагрузке.

Примером этому служат алюминий, свинец (рис. 10.2) и большинство пластичных металлов, в том числе и титан. Аномально высокие коэффипиент трения и износ титана обусловлены не только разрушением пленки, но и ее способностью растворяться в металле. Если титан подвергнуть азотированию, то оксидная пленка формируется на твердой основе, которая препятствует ее

Рис. 10.2. Влияние нагрузки на интенсивность изнашивания различных материалов (контакт из одноименных материалов): I — окислительное изнашивание; II — схватывание I рода

растворению. Титан становится износостойким.

Тонкие прочные пленки, способные деформироваться вместе с металлом при большой нагрузке, образуют хром, сталь, а также медь, хотя допустимая нагрузка для нее и ее сплавов меньше, чем у первых двух металлов (см. рис. 10.2).

Стойкость к схватыванию закаленных сталей значительно выше, чем нормализованных и отожженных. По этой причине закаленные стали и стали, упрочненные химико-термической обработкой — основной материал для одной из сопряженных деталей пары трения. Стойкость к схватыванию таких сталей повышают сульфидированием и фосфатированием. После этих процессов формируется пленка, которая в начальный момент, легко разрушаясь, улучшает прирабатываемость и снижает коэффициент трения, а в тяжелых условиях трения способна изменяться, образовывать вторичные структуры сложного состава и повышенной износостойкости.

В условиях теплового схватывания защитные свойства оксидных пленок зависят от способности подложки сохранять высокую твердость при нагреве. В таких случаях следует применять теплостойкие материалы.

2. Подбором материалов пары трения. Схватывание особо опасно для контакта из двух твердых материалов. В случае разрушения защитных оксидных пленок оно приводит к значительному повреждению обеих поверхностей трения. При сочетании твердого и мягкого материалов схватывание проявляется в менее опасной форме.

Для сталей и чугунов в условиях трения скольжения лучшим материалом сопряженной детали служат те цветные металлы и сплавы, которые имеют в структуре мягкую или легкоплавкую составляющую, способную проявлять защитную реакцию и предупреждать повреждение сопряженной поверхности. При усилении трения такая структурная составляющая допускает на отдельных участках контакта легкое пластическое течение либо размягчение, в результате чего снижаются местные давления и температура и тем самым исключается схватывание.

Сплавы с мягкой структурной составляющей применяют для червячных передач и подшипников скольжения. Для червячных передач характерны высокие скорости скольжения и неблагоприятные условия гидродинамической смазки. Для предупреждения схватывания червяк выполняют из стали с высокой твердостью поверхности а червячное колесо из оловянистой бронзы, имеющей в структуре мягкую составляющую.

Мягкой структурной составляющей в подшипниковых сплавах могут служить включения олова или свинца. Эти металлы схватываются со сталью, но адгезионные связи разрушаются по менее прочным цветным металлам, которые тонким (1-3 мкм) слоем «намазываются» на стальную поверхность, не повреждая ее. Тонкая пленка мягкого металла не только уменьшает силовое воздействие в местах контакта, но при тяжелых режимах трения из-за сильного размягчения может служить твердым смазочным материалом или плавиться и на некоторое время выполнять роль жидкого смазочного материала.

Благодаря таким свойствам олово, свинец, а также медь используют в качестве тонкослойных покрытий одной из поверхностей трения. Их создают и в сопряжениях сталь-сталь, сталь-чугун, добавляя в жидкий смазочный материал присадки в виде порошков этих металлов или их солей. При определенных условиях трения присадки формируют на стальной поверхности пленку мягкого металла, которая защищает сталь от износа.

3. Разделением поверхностей трения пленками полимеров (фторопласта, полиамида и т. п.), которые отличаются

низкой адгезией к металлам. Кроме того, под влиянием теплоты трения полимеры способны переходить в низкомолекулярное состояние и образовывать пленку с низким сопротивлением сдвигу. В силу этих особенностей полимеры имеют низкий коэффициент трения, слабо изменяющийся при применении смазочного материала.

Работоспособность многих узлов трения зависит от скорости развития поверхностного усталостного выкрашивания (питтинга).

Поверхностное выкрашивание характерно для материалов, используемых в узлах трения качения (зубчатые передачи, шарико- и роликоподшипники), которые подвержены высоким циклическим контактным нагрузкам. Эти нагрузки, действующие на малых участках поверхности, обусловливают процессы зарождения в приповерхностном слое усталостных трещин, их развитие в глубь слоя и отделение частиц с образованием ямок выкрашивания (рис. 10.3).

Сопротивление материала поверхностному выкрашиванию называют контактной выносливостью. Она характеризуется пределом контактной выносливости который, как и при объемной усталости, определяется экспериментально (ГОСТ 25.501 78) по кривой усталости.

Рис. 10.3. Схема образования поверхностного выкрашивания (питгинга) на рабочей дорожке подшипника качения: А — место зарождения усталостной трещины; 1, 2 — стадии ее развития; 3 — ямка выкрашивания

Повышение контактной выносливости, как и при объемной усталости, основано на увеличении сопротивления поверхностного слоя деталей развитию пластической деформации.

Места сопряжения деталей, находящиеся в очень малом относительном перемещении, подвержены особому виду изнашивания, называемому фреттинг-процессом или фреттинг-коррозией. Этот вид изнашивания развивается на поверхности валов в местах насадки шестерен, подшипников качения, а также в шлицевых, шпоночных и шарнирных соединениях, в проушинах и на поверхности рессор. Повреждения поверхности имеют вид ямок и язв, которые, как и питтинг, опасны тем, что существенно снижают сопротивление усталости деталей.

Единой теории, объясняющей механизм этого вида изнашивания, нет. Согласно одной теории определяющим служит механическое взаимодействие контактирующих поверхностей. Предполагают, что оно вызывает разрушение оксидных пленок, частицы которых не удаляются за пределы контакта и действуют как абразив. По другой теории ведущим считают адгезионное взаимодействие в сочетании с коррозией. Вследствие адгезии частицы металла сначала отделяются от поверхности, затем окисляются кислородом среды и превращаются в абразив. Сторонники этой теории называют такой процесс фреттинг-коррозией.

Основные методы защиты от этого вида изнашивания-повышение твердости контактирующих поверхностей (цементацией, азотированием), применение смазочных материалов, лаков, пленочных покрытий из полимеров, затрудняющих металлический контакт поверхностей трения и доступ к нему кислорода.

В зависимости от механических и фрикционных свойств износостойкие материалы подразделяют на три группы: 1) материалы с высокой

твердостью поверхности; 2) антифрикционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения скольжения;

3) фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения скольжения.