книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

материала на стальной вал. Подшипники >с обращенными парами трения находят применение при восстановлении всякого рода оборудования методом нанесения металлического покрытия на шейки валов из антифрикционного материала.

Материалы для изготовления деталей узлов трения

Износостойкие материалы с малым взаимным внедрением на микроучастках поверхностей трения. Для уменьшения взаим­ ного внедрения материала на участках контакта необходимо, чтобы одна из трущихся поверхностей обладала высокой твер­ достью и однородностью механических свойств. Например, вы­ сокая твердость электрического хрома и его однородность дают возможность повысить износостойкость многих деталей в 5—15 раз. При этом характерно, что хром не только сам является вы­ сокоизносостойким, но в большинстве случаев он значительно уменьшает износ сопряженной детали.

В качестве износостойких покрытий для рабочих поверхно­ стей калибров и других приборов и инструментов применяют алмазную крошку, соединенную с подложкой сплава какоголибо твердого металла металлом, нанесенным гальваническим способом. Кроме алмазной крошки могут быть использованы от­ работанные алмазы, алмазная пыль, корунд или карбиды крем­ ния, бора и вольфрама.

В связи с большой перспективой применения титана вследст­ вие его малой плотности и высокой прочности при повышенных температурах возникла необходимость улучшения его анти­ фрикционных свойств, которые весьма низки. Последние работы показали возможность значительного повышения износостойко­ сти титана обработкой в струе азота при температуре 850°С в течение 16—30 ч. После азотирования титан показал удовлет­ ворительные результаты (без применения смазки в паре с чугу­ ном, твердым хромовым покрытием и азотированным титаном, а при испытании со смазкой — в паре с бронзой, углеродистой сталью, легированной сталью и бакелитом).

Износостойкие самосмазывающиеся материалы. В последние годы разработано много новых самосмазывающихся материа­ лов, которые можно рекомендовать для применения в машино­ строении. Такие материалы удобны в эксплуатации, так как не требуют смазки. К их числу следует отнести материалы: АМАН-2, АМАН-22, АМАН-4 и АМАН-24. Детали из АМАНа могут работать без смазки при нормальной и повышенной тем­ пературах (до 250°С). Заготовки деталей из АМАНа изготовля­ ют на Любучанском заводе пластмасс по ТУ—605—14—28—71. АМАН обладает высокой вибропрочностью, может быть ис­ пользован для втулок подшипников скольжения, сепараторов

шарикоподшипников, смазывающихся вкладышей и зубчатых колес.

На рис. 53 приведены графики зависимости коэффициента трения / от времени испытания и линейного износа h во време­ ни для вкладышей из АМАНа (кривые 1 и 3) и Малениума (кривые 2 и 4), выпускаемых фирмой «Моликотт» (США). Вал диаметром 40 мм вращался со скоростью 0,4 м/с при давлении 50 кгс/см2. Как видно из графиков, линейный износ АМАНа ока­ зался выше при практически одинаковом коэффициенте трения.

Рис. 54. Влияние температуры на коэффициент трения f:

/ — АМАНа; 2 — АФЗ

Фрикционную теплостойкость АМАНа и материала АФЗ ха­ рактеризует рис. 54.

В Англии фирма «Глассир» выпускает подшипниковый мате­ риал, который имеет в своей основе пористую бронзу, заполнен­ ную фторопластом-4 с примесью олова или свинца с дисульфи­ дом молибдена. Вследствие низкого коэффициента трения (око­ ло 0,002) этот материал может работать без смазки. Материал стоек к действию кислот, газов, а также пыли, работоспособен в интервале температур от —200 до +280° С.

Из асбофрикционных материалов, применяемых для тормо­ зов и сцеплений, представляют интерес три материала: эскол, 6КВ10 и ретинакс (ГОСТ 10851—64).

Высокий коэффициент трения f и фрикционную теплостой­ кость (рис. 55) имеет металлокерамика ФМК-11, представляю­ щая собой железный пористый металлический каркас, пропи­ танный фенолформальдегидной смолой.

В узлах трения все более возрастает роль армированной пластмассы. В будущем возможны новые комбинации: металл— пластмасса, металл — стекло, пластмасса — стекло, керамика— стекло.

Имеются отечественные материалы на основе графита АГ-1500, АГ-600, АО-1500 и АО-600 (см. табл. 13) для изготовле­

ния поршневых колец, уплотнений и подшипников, работающих без смазки в газовых и жидких средах. Высокая химическая стойкость, теплопроводность, работоспособность в окислитель­ ных средах до температуры 400° С и в нейтральных средах до температуры 2500°С позволили применять графитовые материа­ лы в насосах турбокомпрессоров и многих машинах химической промышленности.

Для повышения надежности работы подшипников качения необходимо правильно выбрать материал сепараторов. Высокие

нагрузки и скорости скольжения резко ограничивали срок служ­ бы подшипников качения. Исходя из механизма процессов трения и износа, желательно применять материал, который дол­ жен состоять в основном из твердой фазы, ограничивающей площадь истинного контакта, и мягкой фазы, действующей в качестве металлической смазки. Исследования показали, что удовлетворительным материалом оказались железокремниевая бронза с серебряным покрытием и медноникелевый сплав с не­ которым содержанием кремния, а также с серебряным покрыти­ ем. Часто сепараторы изготовляют из фторуглеродистой смолы, армированной стеклянными микропроволоками и пропитанной дисульфидом молибдена. При вращении подшипника ролики снимают с сепаратора небольшое количество дисульфида и по­ крывают ровным слоем дорожку качения. Вследствие того, что смазка обладает большой устойчивостью (не твердеет, не сох­ нет и не становится очень вязкой), подшипники с такими сепа­ раторами можно применять в механизмах, работающих в усло­ виях низкой температуры и в вакууме. Подобным же образом работает в сепараторах и АМАН.

Материалы для пар трения, работающих при высокой темпе­ ратуре. По принципу самосмазывания изготовляют износостой­ кие материалы для узлов трения, работающих при высокой тем­ пературе. Такие материалы должны обладать хорошей жаро­ прочностью, сопротивлением коррозии, термической усталостью и теплопроводностью, а при работе без смазки их поверхность

Из тугоплавких металлов значительный интерес представля­ ют молибден и его сплавы, вольфрам, хром, колумбий и тантал.

ся. Такое изменение объясняется тем, что окисная пленка Мо03 образуется при температуре свыше 482° С, а при температуре более 760° С пленка Мо03 разрушается, и ее смазывающее дей­ ствие прекращается. Антифрикционные свойства несмазанного вольфрама во многом совпадают с молибденом, однако он силь­ но подвержен окислению. Механические свойства хрома более низкие, чем у других тугоплавких материалов, он менее подвер­ жен окислению, коэффициент трения его ниже, чем у вольфра­ ма и молибдена. Из специальных сплавов используют сплавы на железной основе, которые применяют до температуры не бо­ лее 540° С.

Существуют твердые сплавы из карбидов металлов и из оки­

нове карбида титана с содержанием 17% Ni и 3,2% Mo. Сплавы из окиси алюминия А120зСг и Mo могут работать до температу­ ры 1200° С с высоким сопротивлением окислению. При темпера­ турах около 1100° С удовлетворительно работают пары из ке­ рамических материалов MgO — SiO; MgO — А120 3; А120 3 — ТіС; SiC — ТІО.

Материалы для пар трения, работающих в условиях высоко­ го вакуума. В условиях вакуума защитные пленки не образуют­ ся или их образование весьма затруднено, поэтому узлы трения необходимо смазывать или применять самосмазывающиеся ма­ териалы. Применяются и находятся в стадии исследования пары: металл — твердый сплав на основе окислов или карбидов, металл — пластик, металл — самосмазывающиеся композиции, металл по металлическому покрытию и металл — алмаз. Теф­ лон и найлон удовлетворительно работают по закаленной стали, металлокерамике, а также в паре с золотом и серебром. Само­ смазывающиеся композиции составляются на основе меди и се­ ребра, другими компонентами являются тефлон и смазывающи­ еся вещества типа дисульфида молибдена.

В условиях повышенных температур в качестве твердой смазки можно применять порошки легкоплавких металлов: свинца, олова, цинка, кадмия, сплава Вуда. Из указанных по­ рошков свинец в паре с нержавеющей сталью дал наименьший коэффициент трения. Использование титана как конструкцион­ ного материала при низких его антифрикционных свойствах

возможно при нанесении на его рабочие поверхности диффузи­ онным способом металлических покрытий из хрома, кобальта, железа, золота, платины, серебра и олова.

Полимерные материалы для узлов трения. Полимеры обла­ дают более низким коэффициентом трения, меньшим износом, не чувствительным к ударам и колебаниям, более дешевы и тех­ нологичны. Способность полимеров работать при смазке водой является важным их преимуществом перед металлами. Однако необходимо учитывать определенную специфику каждой от­ дельной конструкции. Известно, что пластмассы имеют склон­ ность к набуханию в воде, невысокую теплостойкость, обладают ползучестью при нормальной температуре и низким модулем упругости. Все это показывает, что прямая замена металла по­ лимерами не всегда целесообразна. Поэтому деталь из пласт­ массы не должна повторять металлическую, а должна конструи­

что наиболее перспективны для узлов трения специальные ком­ бинации полимеров с другими материалами, например, в поли­ амидные порошки вводят антифрикционные наполнители (гра­ фит, дисульфид молибдена, тальк и др.).

Армирование термопластов увеличивает их прочность, повы­ шает в 3—4 раза величину модуля упругости, улучшает ста­ бильность размеров и повышает теплостойкость. Распростране­ ние получили армированный найлон, полиэтилен и др. В неко­ торых условиях армированный найлон может обеспечить боль­ шую износостойкость, чем закаленная сталь. Во многих случа­ ях полиамиды следует применять в узлах трения в виде тонких покрытий, полученных газопламенным и вихревым напылени­ ем. В настоящее время разработан вибрационный способ нане­

заметного износа после длительной эксплуатации. Подшипники с пластмассовыми шариками, или полностью изготовленные из пластиков, могут применяться при малой скорости вращения в случаях, когда необходимо обеспечить снижение веса изделия, коррозионную стойкость и сопротивление возможным ударам. Такие подшипники удовлетворительно работают при попадании пыли.

Использование эффекта избирательного переноса для повы­ шения износостойкости узлов трения. Одним из путей создания

высокоизносостойких пар трения является использование эф­

стентных смазок и специальных жидкостей происходит выделе­ ние меди как на поверхности стали, так и медного сплава. При трении медь переходит с одной поверхности на другую, являясь как бы твердой смазкой и предохраняя поверхности трения от износа. Используя это явление, можно создать практически безызносные узлы трения [95].

Избирательный перенос можно использовать как средство снижения износа деталей, применяя смазки, содержащие порош­ ки бронзы или латуни (металлоплакирующие смазки). С его по­ мощью можно определить площади трения деталей при иссле­ довании процесса прирабатываемости.

На участках контакта в процессе трения вследствие повы­ шения температуры и давления, а также передеформации по­ верхностных слоев происходят своеобразные хемосорбционные (механо-химические) процессы, в результате которых с поверх­ ности медного сплава удаляются атомы примесей легирующих элементов, поверхность в тонком слое обогащается медью и как бы ожижается вследствие слияния вакансий, образуя прочные связи со смазкой. Новый мягкий и тонкий слой на поверхности обеспечивает минимальное трение и почти полностью восприни­ мает деформацию. Так как процесс деформации этого слоя про­ исходит в восстановительной среде (например, глицерин восста­ навливает окись меди до меди) и появление окисных пленок на образующемся медном пористом слое исключено, то дислока­ ции свободно в нем перемещаются и выходят на поверхность. Последнее устраняет развитие процессов усталостного разру­ шения и вместе с взаимным переносом металла с одной поверх­ ности на другую приводит к экспуатации узла трения практиче­ ски без износа.

Устойчивость этого эффекта определяется несколькими вза­ имосвязанными процессами. В обычных условиях какое-либо случайное увеличение трения, приводящее к повышению темпе­ ратуры, вызывает десорбцию или разрушение слоя смазки, что, в свою очередь, приводит к нарушению режима трения. В усло­ виях же избирательного переноса такое повышение температу­ ры приводит к дополнительному извлечению легирующих при­ месей путем механо-химического образования металлооргани­ ческих соединений (с глицерином или со смазкой), а возможно, и коллоидных растворов металла.

Схватывание при избирательном переносе обращено в по­

этому не приводит к увеличению сил трения и сокращает из­ нос.

На основании имеющегося опыта (95] можно утверждать* что использовать явление избирательного переноса рекомен­ дуется для повышения износостойкости пар трения бронза — сталь, а при определенных условиях пар трения сталь — сталь.. Возможно также применение эффекта избирательного переноса в полимерных покрытиях и использование его для определения

Рис. 56. Схемы использования избирательного переноса:

1 — активный слой, обогащенный атомами меди; 2 — бронзовый элемент, создающий активный слой

площадей трения деталей, что имеет большое практическое ш теоретическое значение.

Многие трущиеся детали работают в режиме избирательно­

подвижных сочленений узлов шасси.

Специальные испытания букс из бронзы Бр.ОФ, дающих избирательный перенос в амортизаторах шасси самолетов* показали, что их износостойкость уже в первый период повыси­ лась в 8 раз. Наибольшего эффекта в повышении износостой­ кости, безусловно, следует ожидать при смазке деталей глице­ рином или спирто-глицериновой смесью. В общем виде безызносность трущихся пар в условиях избирательного переноса мо­ жет быть представлена схемой, показанной на рис. 56, а. В дан­ ном случае безызносность пары обусловлена тем, что каждая частичка, оторвавшись от поверхности, схватывается с этой же поверхностью или переносится на противоположную. Таким об­ разом исключается унос материала со смазкой.

Высокая износостойкость деталей получается и в том слу­ чае, когда медь, выделившаяся из бронзы, не покрывает сопря­

шаяся с бронзового образца частица в силу большой способно­ сти к схватыванию (отсутствие окисных пленок, высокая пла­ стичность) не уходит из зоны трения, а схватывается с бронзо­ вым же образцом. Сопряженная твердая поверхность стали 1Х18Н9Т, соприкасаясь с пластичной пленкой слоя меди, насы­ щенного глицерином, не испытывает больших перегрузок и не разрушается под действием сил трения и поэтому изнашивается в ничтожной степени. Схема работы такой пары трения показа­ на на рис. 56, б.

стальных деталей будет иметь бронзовую вставку, которая при трении создает на сопряженной поверхности активный слой меди, то в последующей работе этот слой будет играть роль твердой смазки и предохранит поверхности от износа (рис. 56, в). Эле­ мент 2 (из бронзы Бр.АЖМц) при трении образует на нижнем образце слой меди, дающий избирательный перенос при работе этого образца с верхним. В случае даже небольшого износа это­ го слоя элемент 2 будет его все время восстанавливать.

При испытании верхний и нижний образцы смазывались спирто-глицериновой смесью. В результате испытаний было установлено, что нагрузка до заедания пары сталь — сталь уве­ личилась в 3—4 раза. Износа стальных образцов практически не было, так как на обеих трущихся поверхностях стальных об­ разцов имелся тонкий слой меди, который предохранял образцы от износа. По этой схеме работает чугунное уплотнительное кольцо бронзовой буксы и стальной цилиндр стойки шасси не­ которых самолетов. Уплотнительное кольцо во время работы имеет очень малый износ, так как на его рабочей поверхности и поверхности цилиндра образуется тонкий налет меди, выделив­ шийся вследствие избирательного переноса при трении бронзо­ вой буксы о стальную стойку шасси. В качестве смазки бронзо­ вой буксы, уплотнительного кольца и стойки шасси служит спирто-глицериновая смесь.

Таким образом, обеспечивая условия для осуществления из­ бирательного переноса, можно создать безызносные пары тре­ ния, применение которых позволит увеличить ресурс подвижных узлов и повысит надежность их работы.

Технология нанесения приработочных покрытий на стальные детали. Явление переноса металла при трении лежит в основе новых технологических процессов обработки поверхностей тру­ щихся деталей: фрикционного латунирования, бронзирования и меднения, разработанных Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским (авторское свидетельство № 115744 от 23/ІѴ 1958 г.). Суть этих

методов состоит в том, что стальные детали с целью предохра­ нения их от схватывания перед сборкой покрываются тонким слоем латуни, меди или бронзы. В процессе работы тонкие слои антифрикционных металлов улучшают приработку деталей и повышают их потивозадирные свойства. Для нанесения покры­ тий фрикционным методом не требуется специального обору­ дования и высокой квалификации рабочего.

Фрикционное меднение может быть использовано взамен электролитического цианистого меднения стальных деталей в

Рис. 57. Схема фрикционного ла­ тунирования стальной заготовки:

1 — заготовка; 2 — подвижной центр задней бабки; 3 — латун­ ный пруток; 4 — винт, закрепляю­ щий латунный пруток; 5 — плун­ жер; 6 — спиральная пружина; 7 — резьбовая пробка; 8 — корпус приспособления, закрепленный в

резцедержателе токарного станка; 9 — центр, закрепленный в патро­ не

кислых электролитах. Это имеет большое значение, так как про­ цесс цианистого меднения неэкономичен и требует особых мер по технике безопасности.

Фрикционному покрытию латунью и бронзой подвергают болты шарнирных сочленений, пальцы, втулки, оси, поршни и цилиндры агрегатов. Фрикционное покрытие латунью и бронзой поверхностей деталей, которые являются телами вращения, мо­ жно производить простейшими приспособлениями на обычном токарном станке. Схема установки для фрикционного латуниро­ вания на токарном станке показана на рис. 57.

Масляные или окисные пленки на поверхности деталей пре­ пятствуют схватыванию металлов при трении. Поэтому при фрикционной обработке необходимо обезжирить поверхность детали (промыть в бензине Б-70), а затем удалить с поверхно­ сти окисную пленку при помощи тонкой шлифовальной шкурки.

Однако при сухом трении металлов с различными механиче­ скими свойствами схватывание сопровождается взрывом от­ дельных относительно крупных частиц с поверхности менее проч­ ного материала и налипанием этих частиц на поверхность бо­ лее прочного. Это не позволяет получить ровное и сплошное покрытие. Кроме того, при сухом трении латуни или бронзы о сталь поверхности металлов интенсивно окисляются, вследст­ вие чего латунный или бронзовый слой, образующийся на по­ верхности стальной детали, имеет шероховатое, чешуйчатое