Перспективные направления в создании антифрикционных материалов

На принципе самосмазывания изготавливают износостойкие материалы для узлов трения, работающих при высокой температуре. Такие материалы обладают хорошей жаропрочностью, сопротивлением коррозии, термической усталости и теплопроводностью, а при работе без смазки на их поверхности образуется тонкая и прочная защитная пленка, предохраняющая поверхность от схватывания и служащая твердой смазкой. Определяющим свойством материала для деталей подшипников качения в таких условиях является твердость. При прочих равных условиях наименьшее трение и износ проявляются в паре, в которой, по крайней мере, на одной из поверхностей образуется с достаточной скоростью плотная окисная пленка. Для работы при высоких температурах используются тугоплавкие материалы, специальные сплавы, керамические материалы твердые сплавы, а также защитные покрытия деталей машин тугоплавкими соединениями. Использование окисных пленок в качестве смазки позволяет изготавливать детали некоторых пар трения, работающих при высокой температуре, из одинаковых материалов.

Для уменьшения трения и износа в условиях слабого образования защитных пленок применяют различные смазки – дисульфид молибдена, графит, тонкие покрытия из мягких металлов (меди, серебра), соединения вольфрама, молибдена, фтора и др.

Для пар скольжения и качения целесообразно применять твердые сплавы из карбидов металлов и окиси алюминия. Хорошие результаты для работы в подшипниках при температурах до 870°С показал сплав на основе карбида титана с содержанием 17% Ni и 3.2% Mo. Сплавы из окиси алюминия Al₂O₃, хрома и молибдена могут работать до температуры 1200°С с высоким сопротивлением окислению. При температуре около 1100°С удовлетворительно работают пары из керамических материалов MgO–SiC; MgO–Al₂O₃; Al₂O₃–TiC; SiC–TiO.

В условиях вакуума образование защитных окисных пленок исключается или затруднено, поэтому узлы трения необходимо смазывать или применять самосмазывающиеся материалы. Применяются следующие пары: металл–твердый сплав на основе окислов или карбидов, металл–пластик, металл–самосмазывающиеся композиции, металл по металлическому покрытию и металл–алмаз. Тефлон и нейлон удовлетворительно работают по закаленной стали, металлокерамике, а также в паре с золотом и серебром. Самосмазывающиеся композиции составляются на основе меди или серебра; другими компонентами являются тефлон и смазывающие вещества типа дисульфида молибдена MoS₂.

В условиях повышенных температур в качестве твердой смазки возможно применение порошков легкоплавких металлов: свинца, олова, цинка, кадмия, сплава Вуда. Свинец в паре с нержавеющей сталью обеспечивает минимальный коэффициент трения. Использование титана как конструкционного материала при его низких антифрикционных свойствах возможно при нанесении на его рабочие поверхности диффузионным способом металлических покрытий из хрома, кобальта, железа, золота, серебра, платины и олова.

В области технологических процессов обработки деталей для борь­бы с изнашиванием используются, в частности, методы повышения прочности материала детали и ее поверхностной твердости в сочетании со снижением шероховатости поверхностей трения. Применяются разные методы обработки: изменение структуры поверхностного слоя металла детали (цементация, закалка, пластическое деформирование, термомеханическая обработка, лазерная обработка и др.); изменение состава и структуры поверхностного слоя (азотирование, фосфатирование, цианирование, ионная имплантация и др.). Применяют также нанесение износостойких покрытий (гальванические покрытия – хромовые, никелевые, наплавка твердыми сплавами, напыление и др.), абразивную обработку поверхностей для снижения их шероховатости (тонкое шлифование, хонингование, суперфиниширование), отделочно-упрочняющую обработку (алмазное выглаживание, обработку шариками и др.). Это позволяет значительно повысить износостойкость поверхностей трения и надежность машин в целом.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к антифрикционным материалам?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения?

3. Какие существуют металлические антифрикционные материалы? Каков их химический состав, структура и свойства?

4. Какие существуют неметаллические и комбинированные антифрикционные материалы? Каковы их преимущества и недостатки перед металлическими антифрикционными материалами?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Фрикционные материалы – материалы, предназначенные или используемые для работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, сцеплениях, демпферах, вариаторах и др.).

В процессе трения муфты, тормоза и вариаторы воспринимают как динамические, так и статические нагрузки, подвергаются воздействию высоких температур и температурных градиентов, сильно изнашиваются. В связи с этим к фрикционным материалам предъявляются повышенные требования как по значению и стабильности коэффициента трения (f=0,35-0,45), так и по износостойкости.

Фрикционные материалы должны иметь: стабильный коэффициент трения, высокую износостойкость, минимальное тепловое расширение и усадку, высокий модуль упругости, заданные механические и теплофизические свойства, хорошо прирабатываться к контртелу, должны быть технологичными, корозионно-стойкими, обладать достаточной механической прочностью, масло -, влаго- и огнестойкостью, низкой склонностью к схватыванию в горячем и холодном состоянии.

Легкие условия работы фрикционных материалов: нагрев до 250°С, р=0,8 МПа.

Средние условия работы: нагрев не выше 450°С, р=1,5 МПа.

Тяжелые условия работы: нагрев до 1100-1200°С, р=6 МПа.

 

Фрикционные асбополимерные материалы

 

Фрикционные асбополимерные материалы (ФАМП) получили широкое распространение в тормозных устройствах подъемно-транспортных, строительно-дорожных, землеройных и шахтных подъемных машин, подвижного состава метрополитена, трамваев, буровых установок, автотранспортных средств и т.д. ФАМП представляет собой многокомпонентную композицию, основным компонентом которой (до 70%) является асбест. Асбест может содержаться в виде отдельных волокон или переплетенных нитей. Армирование асбестом повышает стойкость изделий к растрескиванию.

Для придания материалу определенных технологических и эксплуатационных свойств ФАМП содержит минеральные и органические наполнители. От сочетания и количественного содержания наполнителя зависят коэффициент трения, износостойкость, физико-механические показатели, а также технологические свойства материала в процессе его изготовления.

Связующим компонентом в ФАМП являются каучуки, смолы и их комбинации Материалы на каучуковом связующем обладают высоким коэффициентом трения и износостойкостью при относительно невысоких температурах трения (до 250^оС). ФАМП на смоляном связующем имеют более высокую (до 600^оС) теплостойкость, но относительно низкие и нестабильные значения коэффициента трения. Применение комбинированного связующего позволяет совместить положительные качества каучука и смолы в одной фрикционной паре.

Так, например, теплостойкий фрикционный материал – ретинакс, выпускается двух марок: А - асбосмоляная композиция с включением латунной проволоки, для работы в паре с чугуном ЧНМХ с поверхностной температурой трения до 1100^оС при скорости скольжения до 50м/с и давлении до 25 кгс/см²; Б – асбосмоляная композиция для работы в паре с серым чугуном и легированными сталями - соответственно до 700^оС, 10м/с, и 15 кгс/см².

 

Порошковые материалы

 

Порошковые материалы, изготовляемые методами порошковой металлургии, по коэффициенту трения и износостойкости наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к тяжело нагруженным тормозным устройствам. Из них изготовляют пары трения тормозов мощных машин при начальной скорости трения выше 50 м/с и давлении более 25МПа при работе без смазочного материала и при скорости выше 100 м/с и давлении более 70 МПа при работе со смазочным материалом.

Различают материалы на железной и медной основах. Железо и медь повышают прочность и фрикционно-износные свойства материалов. Материалы на железной основе обычно применяют для тяжелых и сверхтяжелых условий эксплуатации без смазочного материала, а на медной – для легких условий работы без смазочного материала и с ним.

МК-5 - состав: 9%Sn, 9%Pb, 4%Fe, 7% графита, остальное Cu. Применяется для дисков гидротрансмиссий автомобилей, тракторов, тепловозов и др. машин.

ФМК-11 - состав: 15%Cu, 9% графита, 3% SiO₂, 6% BaSO₄, 64%Fe, 3% асбеста.

МКВ-50А - состав: 64%Fe, 10%Cu, 8% графита, 3% асбеста, 5% карбида кремния, 5% карбида бора.

СМК-80 - состав: 48% Fe, 23%Cu, 6%Mn, 2-5% дисульфида молибдена, 6-12% нитрида бора.

ФАБ - состав: 69%Cu, 8%Рb, 7% графита, 5%Fe, 11%Al.

М-106, М-140 – спеченные фрикционные материалы для работы в масле. М-106 предназначен для муфт включения и муфт предельного момента. М-140 применяется для тяжело нагруженных гидротрансмиссий.

В многодисковой тормозной системе самолетов применяют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.