1.8.3 Совместимость материалов

Несмотря на то, что практика машиностроения, в том числе и транспортного, располагает значительным опытом, выбор материалов для узлов трения представляет собой достаточно сложную задачу. Дополнительные трудности связаны с тем, что выбор материала хотя бы одной из сопрягаемых деталей, как правило, вынужден и определяется обстоятельствами, не связанными с трением и изнашиванием.

Например, сталь, в качестве материала валов, выбирается, исходя из прочности; серый чугун для станин и корпусов редукторов выбирают по жесткости и экономичности.

Кроме того, два «хороших» по свойствам материала в сочетании с хорошей смазкой не обязательно составят надежный и работоспособный узел трения. Необходимо, чтобы материалы пары были совместимы, т.е. могли бы в процессе приработки адаптироваться друг к другу и к внешним условиям.

Примером совместимой пары является сталь-бронза при смазке турбинным маслом, несовместимой – чугун – фторопласт и индустриальное масло.

Совместимость – способность материалов трущейся пары при определенной смазке взаимно адаптироваться, как в процессе приработки, так и в стационарный период, и обеспечивать заданную долговечность узла без повреждения контактирующих деталей.

Совместимость как бы гарантирует запас безотказности сопряжения, обеспечивая положительную реакцию на изменение режимов (P, V, T) трения. Так, стальной вал в бронзовом подшипнике скольжения устойчиво работает не только в режиме гидродинамики, но и в условиях граничного трения в периоды пусков и остановок.

Следует отметить, что совместимость трибоматериалов в значительной степени определяется характером работы узла трения. Так, при сухом трении совместимость пары определяется сопротивлением контактирующих материалов схватыванию. Этому явлению препятствует применение металлических сплавов разной природы (например, сталь-бронза) или вообще различных материалов (сталь – полимерный композит).

Одним из основных критериев совместимости материалов, работающих в условиях граничной смазки, является их сопротивление образованию задиров. Этому явлению может препятствовать применение сплавов с мягкой структурной составляющей или использование смазочных материалов с температурной стойкостью граничных адсорбированных слоев выше, чем поверхностная температура в контактной зоне. В этом случае отсутствие десорбции молекул смазки препятствует прямому контакту, т.е. повышает задиростойкость пары и совместимость входящих в нее материалов.

При жидкостном трении совместимость материалов определяется коррозионной и кавитационной стойкостью контакта. Кроме того, теплонапряженность узла трения не должна снижать вязкостные параметры смазки. Это может препятствовать выходу пары на гидродинамический режим.

Следовательно, способы оценки совместимости материалов в триботехнике в настоящее время основаны на комплексе испытаний: прямых и косвенных. Первые – это определение критической температуры граничных слоев, температуры перехода от жидкостной смазки к граничной, нагрузки заедания и т.п.; вторые – это металлографические исследования, определение шероховатости поверхностей с построением опорных кривых и т.п. Условия совместимости зависят от условий трения: нагрузки, скорости, температуры, среды и т.п.

Отсюда вытекает необходимость установления на основе испытаний границ совместимости (температурных, скоростных и т.п.) пары в зависимости от значений определяющего параметра. Одним из примеров таких испытаний является определение фрикционной теплостойкости. Это – температура фрикционного саморазогрева пары, которая нарушает динамическое равновесие в зоне контакта, т.е. совместимость элементов трибосистемы.

В литературе освещен целый ряд попыток создания единого однозначного критерия совместимости трибоматериалов.

Один из вариантов – это растворимость жидких фаз сплава в твердом растворе, основанная на бинарных фазовых диаграммах. Градации совместимости соответствуют растворимости < 0,1 %, 0,1 – 1,0 % и > 1 %.

Второй вариант – использование в качестве критерия совместимости энергетических параметров поверхностей, энергии адгезии смазки.

Наконец, предлагается ориентироваться на работу выхода электронов с контактных поверхностей.

Общим недостатком предлагаемых обобщенных критериев совместимости является отсутствие массивной базы данных однозначных результатов, что затрудняет оценку этих критериев.

Рассматривая совместимость, как образование диссипативных структур на основе самоорганизующихся трибосистем, можно предложить ряд мероприятий для повышения совместимости трибоматериалов. Различная набухаемость контактирующих материалов в рабочих средах и разные коэффициенты их температурного расширения легко компенсируются величиной исходного зазора сопряжения. Низкая теплостойкость полимерных композитов может быть повышена добавлением графитового или металлического мелкодисперсного наполнителя. Высокие контактные нагрузки можно снизить, используя классическую пару трения: твердое – мягкое.

Прирабатываясь, мягкий материал увеличивает площадь фактической контактной поверхности, что снижает реальные контактные напряжения и повышает несущую способность трибосистемы.

Совместимость неразрывно связана с выбором материала трибосопряжения.

Выбор триботехнических материалов основан на знании их общей номенклатуры и справочных данных об их характеристиках.

Износостойкие материалы должны обеспечивать минимум износа при данных условиях эксплуатации. Примером этих материалов является инструментальная быстрорежущая сталь Р18 и металлокерамические сплавы Т15К6, ВК8 и т.п.

Фрикционные материалы обладают стабильно высоким коэффициентом трения. Это обкладки тормозов, дисков сцепления и т.п.

Антифрикционные и смазочные материалы обеспечивают низкий коэффициент трения. Это сплавы: Бр05Ц5С5, Б83; полимеры: фторопласт-4; масла и консистентные смазки. Чаще всего материал должен обладать комплексом свойств: одновременно износостойкостью и антифрикционностью и т.п.