1.8 Триботехнические материалы

1.8.1 Общая характеристика

Наиболее широко в современных парах трения используются металлические сплавы, характеризуемые металлической связью между атомами наличием электронного газа из валентных электронов внутри тела.

Второе место по распространенности в узлах трения занимают полимеры и композиты на их основе.

Особый класс составляют углеродные материалы и композиты. Типичный представитель этого класса – графит – имеет слоистую структуру.

Для узлов трения характерно также использование различных комбинированных материалов: металлокерамики, минералокерамики, металлополимерных и т.п.

Одна из возможных классификаций материалов, используемых в парах трения, представлена на рисунке 1.24. Первый иерархический уровень этой классификации разделяет все рассматриваемые материалы на группы в соответствии с их наиболее общим главным функциональным признаком. Это антифрикционные материалы с минимальным значение коэффициента трения (например, подшипниковые), фрикционные – с высоким коэффициентом трения (например, тормозные колодки) и износостойкие материалы, для которых сопротивление изнашиванию важнее величины коэффициента трения (например, инструментальные материалы).

Второй уровень классификации предусматривает дальнейшее разделение функций материалов на конструкционные и прочие: смазочные или наоборот, модификаторы сцепления. Конструкционными считаем материалы, детали или покрытия, которые способны нести рабочие нагрузки и имеют размеры, входящие в градации общемашиностроительной системы допусков.

Затем классифицируется общая структура материалов, их состав и, наконец, агрегатное состояние.

Примером антифрикционных смазочных материалов является масло И-20А для смазки моторно-осевых подшипников электровозов; консистентная смазка ЛЗ-ЦНИИ для смазки буксовых подшипников железнодорожных вагонов. Конструкционные антифрикционные сплавы – это чугун СЧ15, СЧ18, бронза Бр019 и т.п. К антифрикционным подшипниковым композитам относится бронзографит БрОГр9-3, к полимерным композитам – графитонаполненный полиамид АТМ-1.

Фрикционные материалы для тормозных систем – это сталь 30 ХГСА, легированный чугун ЧНМХ. К цветным фрикционным сплавам можно отнести бронзу БрАЖМ10 –3-1.5, используемую в конусных и барабанных муфтах. Фрикционные порошковые композиты на основе железа ФМК-8 удовлетворительно работают в дисковых тормозах; полимерный композит на основе термореактивной фенольной смолы 6КФ-32 применяется в тормозных системах железнодорожного подвижного состава.

Примерами износостойких материалов конструкционного назначения является рельсовая и бондажная стали.

Таким образом, современное транспортное машиностроение обладает значительными материаловедческими ресурсами, позволяющие решать самые различные технические задачи.

Поскольку классические конструкционные материалы достаточно давно и широко используются во всех машиностроительных отраслях, остановимся подробнее на смазочных материалах.

1.8.2 Смазочные материалы

Эти материалы предназначены для уменьшения сил трения и изнашивания деталей.

Твердые смазочные материалы

Для введения твердых смазок в зону трения используются:

– покрытия из этих материалов или

– их суспензии в различных жидкостях.

В качестве твердых смазок используются:

– металлы;

– мыла;

– структурированные и полимерные материалы.

Твердые смазочные материалы обладают целым рядом преимуществ:

– более высокой, по сравнению с жидкими и пластичными смазками, несущей способностью;

– высокой эффективностью при относительно малых (до гидродинамики) и сверхвысоких (газовые подшипники) скоростях;

– значительной теплостойкостью;

– могут смазывать неметаллические материалы;

– не теряют смазочных свойств в глубоком вакууме, жидком кислороде, в условиях радиации.

В качестве металлических твердых смазочных материалов могут быть использованы золото, серебро, свинец, индий, барий, кадмий. Толщина пленки металлического покрытия меньше 0,3 и больше 0,0001 мм. В металле покрытия локализуют сдвиговые деформации, что снижает коэффициент трения и величину износа.

Мыльные защитные пленки на поверхности деталей трения образуются в результате адсорбции из мыльных эмульсий, например, смазочно-охлаждающей технологической жидкости ДИК-2, или в результате хемосорбции жирных кислот из сред с поверхностно-активными веществами.

Структурированные твердые смазочные материалы имеют ламелярную (слоистую) структуру, в которой плоскости базиса ориентированы параллельно направлению трения. Это графит, тальк, слюда, гексагональный нитрид бора, дихалькогениды (дисульфиды, диселениды, дителлуриды) тугоплавких металлов: молибдена, вольфрама, ниобия.

У этих материалов гексагональная структура. Причем, межатомные связи прочнее межплоскостных Ван-дер-Ваальсовых, что и определяет их применение в качестве смазок.

Подобное ламелярное строение имеет и полимер политетрафторэтилен (фторопласт-4), широко используемый в самых различных смазочных материалах. Прочие полимерные материалы как смазки в узлах трения используются значительно реже. Среди них можно выделить полиэтилен, нейлон, капрон.

Следует отметить, что все структурированные твердые смазочные материалы обладают свойством самосмазываемости, т.е. работая в узле трения, они смазывают контактирующие поверхности трения без дополнительно вносимой смазки.

Самосмазываемость может быть также обеспечена:

– в пористых материалах, пропитанных маслом;

– капсулированием масел в теле твердых веществ (Маслянит СКБ «Орион»);

– введение в твердую смазку веществ, реагирующих при повышенных температуре и давлении между собой или с поверхностью деталей и образующих защитные пленки (соединения хлора, серы).

Жидкие смазочные материалы (масла)

Современные технические масла имеют масляную основу – базовое масло, в которое добавляются присадки – вещества, обеспечивающие требуемый уровень тех или иных служебных свойств. Масла с присадками называются легированными.

Объем мирового производства смазочных масел составляет более 25 млн. т. в год. Номенклатура масел столь обширна, что в настоящее время отсутствует их общепринятая классификация. Пример возможной классификации масел по назначению приведен на рисунке 1.25.

Смазочные материалы и рабочие жидкости, применяемые в узлах и механизмах дорожно-строительных, путевых и подъёмно-транспортных машинах и механизмах, их классификация, область применения, назначение, маркировка, свойства, совместимость, взаимозаменяемость и.т.п. наиболее полно рассматриваются в главе 2, данного пособия.