Выбор материалов для трущихся деталей

Трущиеся детали в зависимости от назначения изготовляют из конструкционных, фрикционных, износостойких и антифрикцион­ных материалов обширной номенклатуры. Во многих случаях на конструкционный материал наносят износостойкие покрытия, пленки и др. Иногда при особых требованиях к электрической проводимости (скользящие контакты, ламели коллекторов электродвигателей), стойкости к воздействию химически агрессивных сред (газов, в том числе горючих; рабочих жидкостей в системах питания двигателей и ракет; кислот и щелочей) и др. трущиеся детали изготовляют из сталей и сплавов специального назначения, оксидов металлов, спе­ченных и неметаллических материалов.

Из конструкционных сталей делают детали, которые, должны удовлетворять условиям высокой прочности, жесткости или подат­ливости, а также имеют поверхности трения. Это – детали типа валов, пальцев, болтов, шарниров, зубчатых колес и т. д. Из стали, а также из чугуна изготовляют силовые цилиндры, поршни, плун­жеры и поршневые кольца. Чугун широко распространен как ма­териал для станин, столов кареток, ползунов, направляющие ко­торых подвергаются трению.

Фрикционные материалы – это материалы, которые в контакте с металлической поверхностью имеют высокий и более или менее стабильный коэффициент трения. Материалы, применяемые в тор­мозах и фрикционных муфтах валов, разделяются на органические (дерево, кожа, пробка, войлок), металлические (чугун, стали У6, У7, марганцовистая сталь и др.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстолит, асбестотекстолит, фибра), спеченные на медной и же­лезной основах.

Износостойкими называют материалы, которые при трении даже в тяжелых условиях нагружения сравнительно мало изнашиваются. К элементам конструкций, материал которых должен обладать высокой износостойкостью, относят плунжерные пары, зубья ковшей экскаваторов и погрузчиков, зубья врубовых машин и угольных комбайнов, лемеха плугов и рабочие органы большинства техноло­гических машин (скребки, цепи, рештаки, штампы и др.). В качестве износостойких материалов используют конструкционные стали, упрочненные по всему объему или по рабочим поверхностям, специальные стали, чугуны, спеченные материалы, резину, пласт­массы и др.

Из всех пар трения подшипники скольжения вызвали в свое время наибольшую трудность в обеспечении их длительной нормаль­ной работы в силу высоких удельных нагрузок при сравнительно больших скоростях скольжения. В целях улучшения работы под­шипников скольжения были разработаны сплавы, получившие на­звание антифрикционных, т. е. обладающие низким коэффициентом трения (разумеется, при работе в паре со стальным валом). В дальней­шем антифрикционными материалами стали называть любой под­шипниковый материал, как металлический, так и неметаллический, твердость которого меньше твердости сопряженной детали.

Понятие антифрикционность включает комплекс свойств, которым должен удовлетворять подшипниковый материал. Этими свойствами являются:

­– достаточная статическая и динамическая прочность при повышенных температурах;

– способность образовывать прочный гра­ничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его в местах, где он разрушен;

– низкий коэффициент трения при гранич­ной смазке;

– отсутствие заедания на валу в случае перерыва в подаче смазочного материала;

– высокие теплопроводность, теплоемкость, прирабатываемость;

– хорошая износостойкость сопряжения;

– недефи­цитность материала и высокая технологичность.

Подшипниковых материалов, удовлетворяющих всем этим тре­бованиям, фактически нет. Так, прочность оловянных баббитов резко снижается с повышением температуры, что ограничивает их применение при тяжелых условиях работы; прирабатываемость ряда антифрикционных бронз неудовлетворительна; неметаллические анти­фрикционные материалы имеют низкую теплопроводность. Каждый из подшипниковых материалов обладает антифрикционными свой­ствами только при определенных режимах трения.

Как установлено практикой, исчерпывающих, всеохватывающих рекомендаций в отношении выбора материалов для трущихся деталей не существует. Только на основании тщательного сопоставления условий службы трущихся деталей, исходных свойств материалов и тех изменений, какие они претерпевают на поверхно­стях трения, можно подобрать для каждого случая наиболее подходящий материал. Тем не менее, можно сформулировать некоторые руководящие правила при выборе мате­риалов для пар трения скольжения.

1. Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения. Такая пара металлов хорошо противостоит заеданию и характери­зуется высокой надежностью. Хорошие результаты дают пары хром-резина при смазывании минеральным маслом и водой и хром-бронза при пластичных смазочных материалах.

2. Сочетать твердый металл с твердым (сочетание пар из азотиро­ванной, хромированной и закаленных сталей). Такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. Нанесение приработочных покрытий повышает надежность в наиболее опасный период работы – во время приработки. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и сборки, значитель­ная жесткость конструкции, тщательная приработка, улучшение условий смазки значительно расширяют область применения пар трения из твердых материалов.

3. Избегать сочетаний мягкого материала по мягкому, а также пар из одноименных материалов (незакаленная сталь по незакален­ной стали, алюминиевый сплав по никелевому сплаву, медный сплав по алюминиевому, хром по хрому, хром по алюминию, никель по никелю, пластмасса по пластмассе), за исключением политетрафтор­этилена и полиэтилена, каждый друг по другу. Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. При незначительных перегрузках в парах образуются очаги схватывания, и происходит глубинное вырывание материалов с взаимным их налипанием на поверхность трения.

4. Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях пористые спеченные материалы и антифрикционные сплавы.

5. Применять в качестве фрикционных и антифрикционных ма­териалов пластические массы. В ряде случаев они повышают надеж­ность и срок службы узла трения, в других случаях снижают массу конструкции и расход дефицитных цветных металлов, уменьшают вибрации и улучшают акустические свойства машин.

6. Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных материалов или присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима ИП при трении.

7. При выборе материалов учитывать возможность наводороживания трущихся поверхностей при эксплуа­тации, что резко снижает износостойкость и надежность работы узла трения. Применять материалы, трудно поддающиеся наводороживанию.

8. Стальные детали узлов трения при окончательной доводке их поверхности подвергать финишной антифрикционной безабразивной обработке.