Совместимость материалов пар трения

Проблемы обеспечения совместимости пар трения

В настоящее время наблюдается непрерывное расширение номенклатуры высококачественных конструкционных и смазочных материалов, рекомендованных для применения в тех или иных узлах трения. Этому способствует бурный рост нанотехнологий и наноматериалов, обладающих уникальными свойствами и анонсируемые производителями как «технологии будущего» и продукты «третьего тысячелетия». С другой стороны опыт работы с промышленными предприятиями Самарской области показывает насколько трудно новые материалы входят в новые конструкции отечественных машин, приборов и оборудования. Это обусловлено рядом причин.

Во-первых, новые материалы, как правило, дороже своих «предшественников» и возникающий финансовый «барьер» усложняет их внедрение в производство.

Во-вторых, после расформирования в период перестройки многих отраслевых научных учреждений предприятия, получавшие прежде готовые технические предложения и проверенные передовые разработки оказались в условиях информационного «голода». Даже обилие информации, поступающей из интернет-источников, не может решить проблему отсутствия научных сведений о применимости новых материалов в специализированных узлах трения.   

В-третьих, основной причиной видится то, что результаты триботехнических испытаний новых материалов, полученные стандартными методиками зачастую расходятся с результатами, полученными при эксплуатации. Это происходит вследствие того, что стандартные методики исследований, хотя и воссоздают схемы трения реальных трибосистем, но не учитывают совместимости используемых трибоматериалов. Для учета последнего фактора в производстве применяют натурные испытания деталей, но натурные испытания являются весьма затратными (по времени, трудоемкости и финансам) по сравнению с лабораторными. Поэтому у предприятий зачастую нет возможности апробировать все перспективные материалы.

Вышеуказанное ставит перед трибологами задачу создания таких лабораторных методик и средств испытаний, которые бы сочетали относительную простоту и производительность стадартных методик, но при этом позволяли бы учитывать совместимость материалов реальных пар трения и хорошо коррелировали с результатами натурных и эксплуатационных испытаний.

Проблема совместимости конструкционных и смазочных материалов возникла в трибологии более полувека назад и является частью системного подхода к анализу трибосистем, развиваемого в работах Н.А. Буше [1-5], Г. Саламона, Х. Чихоса. Её основные идеи получили развитие в работах М.М. Хрущева, В.Д. Кузнецова, А.П. Ребиндера, И.В. Крагельского [6-8], И.И. Карасика [9], Д.Н. Гаркунова [10], Ю.Н. Дроздова и др. Систематизация и обобщение принципов совместимости трибоматериалов начались в 70-е годы прошлого века во ВНТИИЖТе благодаря исследованиям Н.А. Буше.

Анализ существующих критериев стойкости материалов к задиру (критическая нагрузка, критическая температура) показывает, что эти критерии носят частный характер, поскольку не являются инвариантными характеристиками задиростойкости трибосистемы. Получение интегральных характеристик возможно с использованием синергетических представлений о трибосистеме как об открытой термодинамической системе, способной обмениваться энергией и веществом с окружающей средой и находящейся вдали от равновесия.

Из работ Н.А. Буше видно, что принцип совместимости трибоматериалов является частным случаем одного из фундаментальных принципов неравновесной термодинамики - принципа «наименьшего принуждения» Ле-Шателье - Брауна, который гласит, что «открытая термодинамическая система, находящаяся вдали от равновесия реагирует на изменение внешних факторов таким образом, чтобы свести это воздействие к минимуму» [11]. Этот принцип констатирует способность синергетических систем к адаптации, приспособлению к внешним условиям за счет самовозникающих аккомодационных процессов, в частности, самоорганизации диссипативных структур. В этом свете совместимость материалов узлов трения означает, что на отклонение условий трения трибосистема будет реагировать таким образом, чтобы максимально отдалиться от критической области, не допуская появление катастрофических видов поверхностного разрушения при трении[5].

Известно, что состояние синергетических систем определяется их внутренней энергией и изменяется при достижении ее определенной критической величины – энергии активации, являющейся инвариантной характеристикой к виду подводимой энергии. Однако активационные параметры ранее не рассматривались в качестве критериев совместимости трибоматериалов.

Принцип технической совместимости материалов трущихся соединений в настоящее время трактуется довольно широко, включая геометрическую, термодинамическую, кинетическую, механическую, электрохимическую, и др. виды совместимости. В литературе описаны десятки различных критериев совместимости материалов, и число их продолжает расти. В каждом конкретном случае на основе анализа ведущего механизма повреждаемости материалов при трении выбирается, как правило, один критерий, наиболее важный для описания надежности рассматриваемой трибосистемы. Например, для опор буровых долот наиболее важными критериями совместимости материалов являются минимальная скорость усталостного изнашивания антифрикционных серебряных покрытий и максимальная стойкость покрытий к схватыванию и задирам при нагрузках, близких к критическим. Для шарошек буровых долот – максимальная абразивная стойкость и усталостная прочность. Для ламельных групп электрических контактов – минимальные значения скорости изнашивания и переходного сопротивления и т.п.

Общие принципы обеспечения совместимости

Трибоматериалов

Согласно представлениям Л.И. Бершадского и Н.А. Буше о необратимых процессах, происходящих в поверхностных слоях трущихся материалов, совместимость материалов обусловлена структурной приспосабливаемостью материалов при трении. В практике конструирования узлов трения машин принцип совместимости трибоматериалов обеспечивается за счет выполнения ряда условий (правил), которые включают: правило положительного градиента механических свойств; правило учета равновесной шероховатости; правило реализации обратных пар трения; правила сочетания трибоматериалов; правило интенсивной приработки при соблюдении режимов трения «на грани заедания»; реализация эффекта «избирательного переноса» и др.

Впервые правило положительного градиента механических свойств было сформулировано И.В. Крагельским, который установил, что для предотвращения катастрофических форм изнашивания (глубинного вырывания при схватывании поверхностей) необходимо, чтобы процесс деформирования наиболее нагруженных участков поверхности проходил только в поверхностных слоях, не вовлекая в деформацию глубоколежащие слои. Это достигается путем формирования в поверхностном слое положительного градиента изменения микротвердости, т.е. повышенной твердостью глубинных слоев и относительной мягкостью поверхностного слоя. На практике это правило может быть реализовано различными путями, например, нанесением на поверхность пленок пластичных материалов (полимеров, пластичных металлов); самоорганизацией таких пленок при трении (сервовитные пленки при избирательном переносе); пластификацией поверхностного слоя под действием эффекта Ребиндера, созданием градиентных покрытий [12] и др. методами.

И.В. Крагельский с сотрудниками установили [6], что в процессе приработки трибосистем наблюдаются интенсивные геометрические изменения трущихся поверхностей на макро- и микроуровнях: изменяется форма контактирующих деталей, увеличиваются контурная и фактическая площади контакта, на поверхностях трения формируется равновесная (эксплуатационная) шероховатость, которая практически не зависит от исходной и постоянно воспроизводится в заданных условиях трения. Описанию механизмов образования равновесной шероховатости и закономерности изменения коэффициента внешнего трения в зависимости от изменения микротопографии поверхностей посвящены работы И.В. Крагельского, М.Н. Добычина, В.С. Кобалова [6] и др. Образование равновесной шероховатости объясняется тем, что в процессе приработки происходит удаление (пластическая деформация, изнашивание) тех выступов, которые являются наименее приспособленными к «выживанию» в данных условиях трения, формируются новые микронеровности, устойчивые к внешним воздействиям. Установлено, что равновесная шероховатость является функцией параметров, характеризующих Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия в контакте, упругие свойства материала, нагрузки, приложенной на контакт. В связи с этим одним из методов обеспечения совместимости деталей пар трения заключается в воссоздании в процессе технологической обработки поверхностей трения равновесных геометрических параметров, характерных для приработанных пар трения.

Д.Н. Гаркунов показал [10], что работоспособность материалов в паре трения, в которой детали имеют различные площади поверхностей трения, определяется соотношением твердости материалов, из которых они изготовлены. Пары трения, в которых деталь с меньшей поверхностью трения имеет более высокую твердость, чем контртело называется «прямой», в противном случае пара называется «обратной». Установлено, что обратные пары трения имеют преимущества перед прямыми, т.к. они мене склонны к эксплуатационным отказам и более устойчивы к появлению схватывания и задиров. Правило создания обратных пар трения легко реализуется на практике за счет выбора соответствующих материалов и покрытий.      

Кроме того, Д.Н. Гаркунов сформулировал ряд правил по сочетанию конструкционных материалов в парах трения для обеспечения максимальной надежности трибосистем, которые заключаются в процитированных ниже положениях [10].

1) В парах трения, склонных к заеданию, следует сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже рабочих температур узла трения (сталь-серебро, хром-бронза, хром-резина и др.).

2) В парах трения, работающих в условиях абразивного изнашивания следует сочетать твердый материал с твердым (азотированные и закаленные стали, твердые покрытия и др.).

3) При конструировании любых пар трения следует избегать сочетания двух мягких материалов (пластмасса-пластмасса, медный сплав-алюминиевый сплав и др.) из-за низкой износостойкости таких пар трения, а также сочетания двух однородных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, титановый сплав по титановому сплаву, бронза по бронзе и др.) из-за их склонности к образованию мостиков сварки на фактических пятнах контакта.

4) В труднодоступных для смазки местах рекомендуется использовать пористые спеченные материалы (из-за повышенной маслоемкости) и антифрикционные покрытия (баббиты, серебро и др.).

5) Для малонагруженных узлов трения рекомендуется шире использовать композиционные материалы и пластмассы из-за их хороших демпфирующих свойств, дешевизны, легкости и хорошей обрабатываемости. 

6) При работе в водородсодержащих средах следует выбирать материалы не склонные к наводороживанию, или защищать поверхности барьерными для водорода пленками (медь, серебро и др.) в целях предотвращения водородного охрупчивания и изнашивания материалов. 

7) Доводку поверхностей трения рекомендуется выполнять безабразивными способами (ФАБО, выглаживание, формирование покрытий) в целях предотвращения шаржирования абразивных частиц в обрабатываемую поверхность.

8) При работе пар трения следует создавать условия для реализации избирательного переноса, лежащего в основе эффекта «безызносности». Практически эти условия чаще всего реализуются путем введения в зону трения вместе со смазкой ультрадисперсных частиц пластичных металлов (медь, серебро, свинец и т.д.), их солей, порошков полимеров и минералов. Промышленностью освоен выпуск ряда восстанавливающих присадок, создающих при трении на рабочих поверхностях тонких металлических, металлокерамических и полимерных антифрикционных пленок.

В результате исследования процесса приработки материалов И.И. Карасик установил [13], что оптимальное состояние для эксплуатации узлов трения формируется в случае, когда приработка проводится в интенсивном режиме при соблюдении режимов трения «на грани заедания». Приработанная таким образом пара трения более устойчива к перегрузкам за счет формирования физико-механического и структурного состояния с «избыточной» надежностью.

Отмеченные правила обобщают практические наблюдения за поведением трибосистем в различных условиях трения. Однако их нельзя назвать исчерпывающими. Появление новых материалов и технологий требует дальнейших исследований в области оценки фрикционной совместимости. Кроме того, несмотря на то, что совместимость трибоматериалов, является одним из наиболее перспективных принципов обеспечения надежности трибосистем, следует признать, что он все же остается недостаточно применяемым на практике при конструировании узлов трения машин. Это обусловлено отсутствием надежных критериев совместимости, а также методик и оборудования для их оценки.