6.Триботехнические материалы

Материалы – это самая консервативная

и едва ли не главная часть технического

прогресса.

Н. Н. Семенов

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

Второе место по распространенности в узлах трения занимают полиме-ры и композиты на их основе.

Особый класс составляют углеродные материалы. Типичный предста-витель этого класса – графит имеет слоистую структуру. Для узлов трения характерно также использование комбинированных материалов: композитов различной природы, металлокерамики, минералокерамики, металлополимер-ных и т. п.

Одна из возможных достаточно общих классификаций материалов, используемых в парах трения, представлена на рисунке 61.

Рис. 61.Классификация триботехнических материалов

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 значением 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).

Строго говоря не существует фрикционных или антифрикционных материалов в буквальном значении этих терминов. Можно говорить лишь о проявлении некоторыми материалами тех или иных свойств в определённых условиях нагружения (σ, V, T, среда). Однако, указанная терминология сложилась исторически и помогает при изучении трибоматериаловедения.

Все материалы в триботехнике должны быть износостойкими, но в предлагаемой классификации к ним отнесли лишь те, для выполнения которыми своих служебных функций величина коэффициента трения не регламентируется.

Второй уровень классификации предусматривает разделение матери-алов по их агрегатному состоянию. К твёрдым конструкционным трибома-териалам относим те, из которых детали или покрытия способны нести рабочие нагрузки и имеют размеры, входящие в градации общемаши-ностроительной системы допусков.

Современное машиностроение обладает значительными материаловед-ческими ресурсами, позваляющими решать самые различные технические задачи.

6.1 Конструкционные трибоматериалы

Бессмертно вещество, одни

лишь формы тленны.

П. Ронсар

К сожалению выбор материалов для узлов трения невозможно осуществить только из соображений выполнения ими триботехнических функций. Так, валы делают из стали по причине её прочности, станины станков с направляющими из чугуна по экономическим причинам, детали авиакосмических устройств из титановых сплавов по причине его низкой плотности и т.д.

Поскольку не существует универсального материала равно износо-стойкого для разных условий трения, при его выборе следует учитывать основной вид изнашивания. Например, чем более твёрдым будет материал, тем выше будет его сопротивление царапанию абразивными частицами. Типичные марки износостойких сталей 65Г, ШХ15, У12А. Из них изготавливают лемехи плугов, ножи скреперов и т.п. Снизить абразивное воздействие может и уменьшение поверхностной жёсткости деталей (модуля)

путём их гуммирования (покрытия резиной). Так защищают спирали классификаторов на обогатительных фабриках.

Ударным нагрузкам хорошо противостоит марганцовистая сталь Гадфильда, например, марки 110Г13Л, благодаря способности к интен-сивному упрочнению. Из неё делают зубья экскаваторных ковшей, броневые плиты дробемётных установок и т.п.

При повышенной температуре износостойкость материалов опреде-ляется окалиностойкостью - сопротивлением окислительному износу (стали марок 25Х23Н7СЛ, 40Х9С9Л); или красностойкостью - сохранением механических свойств при повышенной температуре. Это инструментальные материалы: быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5 или металлокерамические сплавы ВК3, Т5К10.

При усталостном характере изнашивания износостойкими являются детали с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Например: цемен-тированные и закаленные ТВЧ стали низкоуглеродистых марок 20 и 20Х.

Минимальные гистерезисные потери при трении качения имеют рельсовые и бандажные стали.

Хромистые стали для подшипников качения используются благодаря удачному сочетанию технологических (пластичность при обработке давле-нием) и эксплуатационных (после термообработки HRC=60-65) cвойств.

Слабонагруженные бесшумные шарикоподшипники выполняют с телами качения из полимерных материалов или с полимерные обоймами. Здесь используются демпфирующие свойства полимеров.

Основные детали уплотнительных узлов изготавливают из различных резин (вулканизатов). Эти материалы не являются самыми износостойкими, но только они обеспечивают длительную герметизацию подвижных стыков.

Таким образом, все конструкционные материалы, используемые в парах трения, должны обладать износостойкостью. Причём, их сопротив-ляемость изнашиванию несёт, чаще всего, узко специфический характер по отношению к внешнему воздействию. Область применимости этих материалов определяется зачастую не их износостойкостью, а другими общемашиностроительными, технологическими и экономическими требованиями.