Азотирование как средство повышения износостойкости, надежности и долговечности узлов трения Понятие внешнего трения

Трение – одно из самых распространенных явлений. Оно сопровождает любые относительные перемещения соприкасающихся тел или их частей.

Известны два понятия: внутреннее и внешнее трение.

Внутренним называется трение, возникающее при относительном перемещении частей одного и того же тела (этот термин чаще всего применяется к жидким и газообразным телам). Основной закон внутреннего трения описывается выражением:

,

где F – сила трения, G – градиент скорости жидкости или газа в выделенном объеме, S – площадь участка, на который действует сила, η – вязкость жидкости.

Внешним называется трение, которое возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся тел. Оно зависит от взаимодействия внешних поверхностей этих тел вблизи участков касания и не зависит от состояния внутренних частей тела.

Процесс внешнего трения и износа состоит из трех последовательных этапов: взаимодействия поверхностей, изменения материала поверхностных слоев в процессе трения и разрушения поверхностей.

Поверхность твердых тел характеризуется микрорельефом. А его показателями являются отклонение формы, волнистость и шероховатость.

Контакт поверхностей имеет прерывистый характер, пятна контакта возникают в основном на вершинах волн. Поэтому различают номинальную площадь контакта , фактическую площадь (сумму площадей всех участков контакта) и контурную площадь (предельное значение фактической площади контакта) и, соответственно, три вида контактных давлений: номинальное , контурное и фактическое , где FN – нормальное давление.

Можно сделать вывод, что изменение структуры при трении происходит на отдельных пятнах контакта. Поэтому структура и свойства поверхностного слоя отличается от структуры и свойств, характерных для условий объемной деформации и термической обработки [8].

Наиболее широкое распространение получила молекулярно-механическая теория внешнего трения. Она основывается на представлении о двойственной природе трения и прерывистом (дискретном) характере контакта между поверхностями твердых тел.

Согласно молекулярно-механической теории поверхностные связи при трении формируются вследствие упругой пластической деформации поверхностных слоев, а формула обобщенного закона трения имеет вид:

,

где - сдвиговая прочность фрикционной связи; - коэффициент молекулярной составляющей трения; - механическая составляющая трения (h – глубина внедрения; r – радиус единичной неровности).

В нашей стране исследования в области трения и износа также имеют давнюю историю. Было впервые сформулировано представление о механизмах взаимодействия сопряженных поверхностей, которые учитывают не только механические, но и физико-химические процессы в «третьем теле», формирующемся в зоне контактного взаимодействия. Изнашивание рассматривается как усталостный процесс, и разрушение поверхностных слоев происходит в результате многократного взаимодействия микронеровностей. Поэтому «третье тело» является главным объектом исследования [8].

В последнее время фрикционное материаловедение является быстро развивающимся направлением в науке о трении и износе, так как именно с эти направлением связано решение основной задачи машиностроения – обеспечение долговечности подвижных сопряжений. Одним из решений данной задачи является изучение механизма разрушения поверхности при трении. Существует много работ на эту тему. Особая роль принадлежит учету факторов химического и физико-химического взаимодействия деформированных поверхностных объемов и смазочного материала разной природы и свойств [8].

Износостойкость относится к многофакторным параметрам. Основные факторы можно разделить на три группы:

1 – внешние факторы (смазочный материал, температура, нагрузка и др.);

2 – механические взаимодействия, определяющие вид изнашивания (механическое, эрозийное, усталостное, окислительное и др.);

3 – структурные факторы (фазовый состав, микроструктура и др.).

Существует несколько различных подходов к решению задачи повышения износостойкости: конструктивные методы, повышение износостойкости в условиях эксплуатации и технологические методы.

Среди технологических методов особое место занимают разнообразные способы химико-термической обработки, в частности, азотирование [9].