Критерии совместимости трибоматериалов

Теория совместимости трибоматериалов в ее современном виде является относительно новым и развивающимся направлением в трибологии, в котором, как отмечал Н.А. Буше, «многие аспекты ждут еще своего решения. Особенно это касается количественных показателей совместимости трущихся поверхностей». Анализ литературных источников показывает, что представления о критериях совместимости материалов находятся в тесной связи с определением самого понятия совместимости.

Так в словаре-справочнике Е.Л. Шведкова (1979г.) [13] дается следующее определение: «совместимость фрикционная (пар трения) – мера сопротивления комбинации материалов заеданию и изнашиванию. Обеспечивается при выполнении правила положительного градиента механических свойств, выявляется обычно при снятии фрикционно-износных характеристик или расчета. Несовместимые фрикционно пары трения имеют стабильность коэффициента трения ниже 0,7». Данное определение выявляет три основных критерия совместимости материалов пар трения: 1) стабильность коэффициента трения, ; 2) максимальная износостойкость, ; 3) минимальная вероятность схватывания, определяемая величиной критических нагрузок и температур, . При этом под стабильностью коэффициента (момента) трения подразумевается отношение среднего коэффициента (момента) трения к максимальному, которое характеризует плавность работы пар трения и оценивается при динамических испытаниях. Данное определение вносит ясность и в то, какие параметры следует контролировать при испытаниях по оценке совместимости трибоматериалов. Однако следует признать, что эти критерии имеют сугубо практическую направленность и не отражают физической сущности процессов, происходящих в трущихся телах. Кроме того, нет определенности в том, что считать максимальным значением коэффициента трения. Если за него принимать пиковое значение в начальный момент приработки, то его последующее снижение по завершении приработки приведет снижению коэффициента стабильности момента трения, но это снижение является желательным, и характеризует способность пары трения прирабатываться. По-видимому, в справочнике подразумевается стабильность коэффициента трения после завершения процесса приработки. В этом случае отдельные или систематические скачки момента трения могут характеризовать появление отдельных пятен контакта, в которых реализуется сухое трение. Учитывая малую величину пятен фактического контакта это взаимодействие длится доли секунды и это накладывает жесткие требования на используемое оборудование для триботехнических испытаний, которое должно быть оснащено практически безынерционными датчиками момента трения. В настоящее время эти требования вполне выполнимы при использовании компьютерных технологий сбора данных. Почти десятилетие спустя в ГОСТе 27674-88 произошла дифференциация на совместимость материалов при трении (frictional compatibility) - свойство материалов сопряженных поверхностей предотвращать схватывание при трении - и на совместимость смазочных материалов (lubricant compatibility) – способность двух или нескольких смазочных материалов смешиваться между собой без ухудшения их эксплуатационных свойств и стабильности при хранении. В данном определении совместимости материалов более четко оговорено условие задиростойкости пары трения, согласно которому схватывание в эксплуатационных условиях недопустимо. Следовательно, вначале необходимо выяснить действующие при эксплуатации разрушающие факторы (нагрузка, температура, степень агрессивности среды и т.п.). Затем выбрать материалы, стойкие к данным факторам и конструкцию, снижающую их вредное воздействие и обеспечивающую требуемый вид трения. В ходе испытаний на фрикционную совместимость выявить такое сочетание материалов, которое обеспечило бы максимальный запас прочности по выбранным критериям совместимости. Запас прочности выражается отношением критических значений нагрузок и температур для данной пары трения к их пиковым значениям в процессе эксплуатации. Для проведения экспериментальной оценки фрикционной совместимости материалов трущихся сопряжений можно руководствоваться методическими указаниями, изложенными в документе РД 50-662-88 [14]. В ГОСТе Р 50740—95 отмечается, что совместимость трибоматериалов относится к одним из важнейших триботехнических свойств и обеспечивает для сопряженных материалов стабильные значения силы трения и допустимые значения интенсивности изнашивания, а также предотвращает возможность схватывания сопряженных поверхностей при трении. Данное определение в целом неоднозначно, поскольку, во-первых, абсолютно стабильная сила трения в реальных трибоузлах практически нереализуема (в таких случаях следует указывать на критерий оценки стабильности) и, во-вторых, во многих случаях более важен диапазон изменения силы трения, чем её стабильность. Также недостает конкретики выражению «допустимые значения интенсивности изнашивания». Если речь идет об интенсивности изнашивания, при которой будет обеспечены требуемые показатели надежности пары трения, то на это следовало указать прямо. Кроме того, сам выбор характеристики изнашивания (интенсивность изнашивания) не совсем удачен, поскольку для некоторых видов изнашивания (бринеллирование, эрозионное и кавитационное изнашивание) экспериментальная оценка данной величины может быть затруднена.  

Более широкие трактовки даны в межгосударственном стандарте по подшипникам скольжения ГОСТе ИСО 4378-1-2001, где трибологическая совместимость ( tribological compatibility ) определяется как с войство подшипникового материала обеспечивать оптимальные трибологические характеристики в данной трибологической системе и в работах Н.А.Буше, который определил её как способность трибосистемы обеспечивать оптимальное состояние[6] для заданных условий работы по выбранным критериям и предложил широкий спектр подобных критериев и методов оценки совместимости трибоматериалов, классификация которых по прямым и косвенным способам ее оценки приведена на рисунке 1.1.

Рис.1.1. Классификация критериев оценки совместимости

трибоматериалов [1].

Анализ критериев, приведенных на рис. 1.1 показывает, что прямые способы позволяют оперативно оценивать совместимость трибоматериалов непосредственно в процессе испытаний на трение при наличии соответствующей системы мониторинга состояния трибосистемы. Косвенные критерии в отличие от прямых позволяют установить физические закономерности структурной приспосабливаемости материалов при трении, но в информативном плане обладают «инерционностью». В целом и прямые и косвенные  способы оценки совместимости имеют общий недостаток в их весьма ограниченной предсказательной способности в случае изменения режимов эксплуатации трибосистемы.

Наиболее универсальные трактовки даны в межгосударственном стандарте ГОСТ 30709-2002, где понятие совместимости определяется как пригодность продукции, процессов или услуг к совместному, но не вызывающему нежелательных взаимодействий использованию при заданных условиях для выполнения установленных требований. Там же техническая совместимость дифференцируется на: 1) техническую совместимость по объектам технической совместимости (видов «человек-изделие»; «человек-среда»; «изделие-энергия»; «изделие-материал»; «изделие-метод контроля» и др.); и 2) техническую совместимость по требованиям к совместимым объектам (совместимость размерная, совместимость функциональная, совместимость при трении[7], совместимость по надежности и др.). Наиболее часто применяемые стандартные лабораторные методы триботехнических испытаний в лучшем случае ограничиваются оценкой совместимости конструкционных и смазочных материалов, используемых в узлах трения, по требуемым показателям трения, изнашивания, стойкости к задирам и т.п. Реже (в основном в натурных экспериментах) рассматривают совместимость системы «узел трения-условия эксплуатации» и совсем редко принимают во внимание такие виды совместимости как «узел трения - система смазки», «узел трения – система охлаждения», «совместимость по техническому ресурсу» и др. Ряд методов оценки различных аспектов технической совместимости узлов трения приведен в третьей и последующих главах.

Разработкой численных критериев фрикционной совместимости занимались В.В. Копытько, Л.И. Бершадский, С.М. Захаров, В.В. Федоров и др. ученые. Следует отметить, что подобные разработки не прекращаются и поныне, что обусловлено постоянным ростом требований к эксплуатационной надежности трибосистем, а также, по высказыванию Н.А. Буше, «необходимостью более глубокого изучения аспектов совместимости».

В качестве основных критериев для определения совместимости трибоматериалов отмечаются [1]: критическая температура десорбции, критическая температура химического модифицирования смазочного материала, температура, приводящая к схватыванию и задиру, температура переходного режима трения, предельное контактное давление, при котором трибосистема работает без возникновения схватывания и заедания. Основными энергетическими критериями совместимости сопряженной пары трения служат: поверхностная энергия; энергия термоактивируемых процессов; энергия, затрачиваемая на трение и износ плотность внутренней энергии и др.

Анализ работ, посвященных износостойкости и задиростойкости поверхностей в условиях граничного трения показывает, что процесс схватывания является термоактивируемым (с увеличением температуры поверхностей трения вероятность их схватывания возрастает) и существует взаимосвязь между тепловой и механической энергиями в трибосистеме и временем до схватывания поверхностей. Работы по изучению такой закономерности ранее не проводились, хотя Н.А. Буше отмечает, что при определении показателя безотказной работы прогнозирование задира имеет большое значение.