Выбор материалов при конструировании узлов трения

Выбор материалов в этом случае представляет собой трудную задачу, так как зависит от конструкции и назначения узлов, технологии производства, условий эксплуатации, от тре­бований к общей прочности деталей, сроку их службы и на­дежности при учете стоимости материала и эксплуатационных расходов.

Связь некоторых из перечисленных факторов с выбором ма­териалов проследим сначала на примере поршневых колец и цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Газоуплотнитель-ные поршневые кольца рабочих цилиндров малооборотных су­довых дизелей с низкой тепловой нагрузкой изготовляют из перлитного серого чугуна массовой или индивидуальной отлив­ки, когда цилиндр изготовлен из перлитного чугуна, отливае­мого в землю. При надлежащих химическом составе, структуре, технологии отливки и обработке эти материалы обеспечивают высокую износостойкость пары цилиндр — поршневое кольцо. При высоких тепловых нагрузках кольца, например, в автомо­бильных двигателях, где значительную роль играет коррозионное изнашивание цилиндропоршневой группы, цилиндры и поршне­вые кольца изготовляют из легированного чугуна. На некоторых двигателях в верхней части цилиндров устанавливают короткие гильзы из нерезита — аустенитного чугуна с высоким содержа­нием никеля. Нерезит обладает высоким сопротивлением корро­зионному изнашиванию, хорошо обрабатывается резцом. Недо­статком такой конструкции цилиндра является образование при эксплуатации ступеньки между основным цилиндром и нерези-товой вставкой вследствие разной износостойкости их материа­лов, что вызывает повышенный износ поршневых колец.

В авиационных поршневых двигателях воздушного охлажде­ния, со свойственной им высокой тепловой и общей напряженно­стью работы, относительно тонкостенные цилиндры для обеспе­чения их высокой износостойкости изготовляют из азотируемой стали. Поршневые кольца, которые при средней температуре по­рядка 300—400°С должны сохранять значительную упругость и высокую твердость, делают из теплостойкого чугуна ХТВ, леги­рованного хромом, титаном и вольфрамом.

Литые коленчатые валы имеют преимущества по сравнению с валами из кованой стали: экономия металла, снижение трудо­емкости, сокращение технологического цикла. Большие возмож­ности имеются в отношении совершенствования конструкции ли­того вала.

Сплавы, применяемые для. коленчатых валов, можно разде­лить на содержащие в своей структуре графит (чугуны, графи-тизированная сталь) и не содержащие графит (углеродистая и легированная стали). Сплавы первой группы более износостойки. Поточность производственного процесса легче осуществить при изготовлении чугунных валов. Если за единицу принять стои­мость вала, изготовленного из высококачественного чугуна с пластинчатым графитом без термообработки, то стоимость вала из перлитного ковкого чугуна будет 2,5—3,0; из чугуна с шаро­видным графитом без термообработки—1,25, с термообработ­кой— 1,5; из углеродистой стали — 2,5; из легированной етали — 2,5; из графитизированной стали — 3,0—3,3.

Углеродистая сталь уступает чугунам с шаровидным графи­том: при почти одинаковых механических свойствах стали и чу­гуна плавка и разливка последнего проще; в чугунах образуется меньше трещин, износостойкость коленчатых валов, изготовлен­ных из них без термообработки, не ниже, чем валов из углеро­дистой стали, шейки которых закалены ТВЧ. В литых валах из легированной стали вероятность образования флокенов меньше, чем в валах из кованой стали того же состава. Дендриты, распо­ложенные перпендикулярно к поверхности шейки вала, делают литые валы более износостойкими, чем кованые. Графитизиро-ванная сталь, в структуре которой имеются включения графита, по свойствам близка к чугуну с шаровидным графитом, обладая, однако, более высокими механическими свойствами. Из модифи­цированных чугунов с пластинчатым графитом, имеющих мень­ший модуль упругости, можно изготовлять коленчатые валы, менее чувствительные к нарушению правильности осевой линии, чем стальные валы. Этим чугунам свойственны высокие динами­ческие характеристики материала.

Чугун с шаровидным графитом и металлической основой из пластинчатого или зернистого перлита — наиболее распростра­ненный материал для изготовления коленчатых валов двигате­лей автомобилей, тракторов, комбайнов, тепловозов и других

машин. В простейшем случае термообработка вала ограничива­ется старением его материала, что позволяет механически обра­батывать валы с минимальной правкой для ликвидации коробле­ния. Для увеличения прочности прибегают к термообработке или к легированию N1, Сг, Мо, Си. Для повышения циклической вяз­кости материала создают чугун со смешанной формой графита — в литье до 25% его находится в пластинчатой форме. С целью повышения износостойкости чугуна иногда применяют азотиро­вание.

Перлитный ковкий чугун, как материал для изготовления ко­ленчатых валов, занимает в зарубежном производстве второе место после стали. Это объясняется в частности, ускоренным от­жигом ковкого чугуна за счет добавки к жидкому чугуну висму­та и бора (А. А. Горшков, М. М. Волощенко). Отметим, что для тормозных барабанов чугун с шаровидным графитом не имеет никаких преимуществ перед другими чугунами вследствие пони­женной теплопроводности.

Применение того или иного смазочного материала в узле трения может повлечь за собой необходимость замены материа­ла по крайней мере одной из трущихся деталей, что связано с изменением вида изнашивания и, как следствие, с иным распо­ложением пар трения по износостойкости. В некоторых аморти­зационных устройствах шасси самолетов в качестве рабочей жидкости применяли спиртоглицериновую смесь, при использо­вании которой в качестве смазочного материала буксы из брон­зы БрАЖМц в паре со стальной поверхностью быстро изнаши­вались. Бронза интенсивно обогащалась медью, налипала на стальную поверхность, наращивалась на ней толстым слоем и отлущивалась, частично при этом налипая на поверхность бук­сы. Бронзы других марок вследствие избирательного переноса при трении во много раз более износостойки. Переход на брон­зу БрОФ является здесь целесообразным. Однако существенной разницы в износостойкости безоловянной бронзы БрАЖМц и бронзы БрОФ при трении по стали и смазывании АМГ-10 не установлено. Для букс амортизаторов, работающих на этой жидкости, рентабельнее использовать бронзу БрАЖМц.

Для большей надежности деталей приходится подбирать материал, поступаясь его износостойкостью. В плунжерах топ­ливной аппаратуры двигателей широко применяют пару трения закаленная сталь — закаленная сталь. Между тем такое сочета­ние материалов для ротора лопастного насоса и лопатки оказа­лось катастрофическим по причине возникновения задиров и последующего заедания. При использовании бронзовых лопаток ухудшается износостойкость пары, но зато повышается надеж­ность ее работы.

На выбор материалов могут оказать влияние физико-химиче­ские явления на поверхностях трения, зависящие от условий работы. Например, высокомарганцовистая сталь — так называемая сталь Гатфильда, из которой изготовляют крестовины рельсов, щеки-камнедробилок, зубья ковшей экскаваторов, броневые пли­ты шаровых мельниц, желоба для агломерата, воронки для при­емки шихты, дозировочные столы и другие детали, в исходном литом состоянии имеет аустенитную структуру с некоторым коли­чеством мартенсита при наличии включений карбидов. После за­калки, фиксирующей аустенитную структуру, сталь приобретает высокую прочность при значительной вязкости (о_в = 80...Ю0 МПа, ударная вязкость а_к = 200...300 Н-м/см², НВ 200—220) и высо­кую износостойкость в деталях, подвергающихся изнашиванию при больших давлениях и ударных нагрузках. Большая износо­стойкость стали обусловлена ее способностью к наклепу, кото­рая тем больше, чем выше удельная нагрузка. Пластическая деформация повышает твердость стали до НВ 500. Наклеп вы­зывается в меньшей степени превращением аустенита в мартен­сит и в большей степени — выделением карбидов, за которым следует измельчение кристаллитов, что повышает сопротивление сплава пластической деформации. Удары при трении приходятся, таким образом, по твердой корке на вязком основании; при из­носе корка возобновляется.

При эксплуатации тракторов на песчаной почве быстро из­нашивались проушины звеньев гусениц, изготовленных из литой стали Гатфильда. По данным лабораторных испытаний в услови­ях абразивного изнашивания эта сталь не имеет преимуществ перед среднеуглеродистой сталью. Более того, изнашиваемые де­тали, не испытывающие существенных динамических нагрузок, изготовленные из высокомарганцовистой.стали, служат меньший срок, чем детали из углеродистой стали, как, например, броне­вые плиты коксовых воронок (данные М. А. Тылкина и В. И. Си-вака). Это можно объяснить следующим: 1) в стали Гатфильда под нагрузкой повышается предел текучести, что сопровождает­ся значительно меньшим повышением сопротивления разруше­нию при абразивном изнашивании; 2) процесс упрочнения (наклепа) под нагрузкой, обусловленный наличием абразивных частиц, протекает медленнее, чем процесс изнашивания. Высоко­марганцовистая сталь слабо сопротивляется коррозии и непри­годна для использования при температуре свыше 260°С.

Аналогично обстоит дело с фрикционным материалом — рети-наксом (ФК-16Л), состоящим из фенолформальдегидной смолы, модифицированной канифолью, и наполнителя из барита и ас­беста с мелкими отрезками латунной проволоки. Под действием высокой температуры и давления на ретинаксе при трении обра­зуется фрикционный слой, генерируемый по мере изнашивания. Слой состоит из коксообразных продуктов разложения смолы, сернистых соединений, образовавшихся в результате окислитель­но-восстановительных реакций барита с газообразными продуктами разложения смолы и латуни. Латунь размягчается, разма­зывается по поверхности трения и поглощает некоторое количе­ство теплоты. Сернистые соединения обладают противозадирны-ми свойствами. Ретинакс целесообразно применять при высокой нагруженности тормозного устройства. При малой его нагружен-ности указанные процессы не происходят и использование рети-накса не дает преимуществ.

При одних и тех же химическом составе и механических свой­ствах материалы могут значительно различаться по износостой­кости, что связано с различием их структур. Например, крупно­зернистые сплавы более пластичны и легко прирабатываются, но они менее износостойки. Наличие легко выкрашивающихся твер­дых или крупных мягких составляющих, склонных к схватыва­нию с материалом сопряженной детали, является дефектом структуры материалов трущихся деталей. Крупные карбиды в чугунных отливках способствуют образованию сетки термических трещин при работе деталей. Это единичные примеры связи структуры сплава с износостойкостью.

Сложность задачи подбора рациональной структуры мате­риала можно показать на подшипниковых сплавах. Основное требование к структуре антифрикционных сплавов было впер­вые сформулировано в 1897 г. Г. Шарпи. Согласно правилу Г. Шарпи хорошо работающие антифрикционные сплавы долж­ны иметь равномерно распределенные в пластичной основе твер­дые зерна с низким коэффициентом трения и малой склонностью к задирам. Действительно, этому правилу удовлетворяли в свое время все известные тогда подшипниковые сплавы. Однако в по­следующем были разработаны сплавы (например, свинцовая бронза), у которых мягкие включения свинца распределялись в твердой матрице, не говоря уже об однородных антифрикцион­ных материалах, таких, как серебро, полиамиды и др.

В некоторых подвижных сочленениях, как, например, в зуб­чатых муфтах, в силу небольших взаимных смещений детали изготовляют из незакаленных сталей, как известно, плохо рабо­тающих в парах трения. Небольшие перемещения деталей в узле трения часто не вызывают у конструктора опасений относительно износостойкости. Между тем, при недостаточной твердости ма­териалов долговечность изделий может оказаться недостаточ­ной.

Фрикционные материалы должны противостоять термиче­ской усталости: на поверхности трения не должно возникать трещин в результате многократного совместного воздействия теплового и силового нагружения. Наиболее стойка к термиче­ской усталости графитизированная сталь благодаря стабильно­сти структуры и механических свойств при многократных и быстрых тепловых колебаниях.

Фрикционные материалы не должны при работе повреж­дать контртело (тормозной барабан), их продукты изнашива­ния не должны гореть, дымить и выделять неприятные запахи. Эти материалы не должны также вызывать коррозию сопря­женных деталей и корродировать сами во влажной атмосфере и при температуре от —60 до +60°С [28, 56]