4.14 Избирательный перенос при трении
В середине 50-х г.г.прошлого столетия при исследовании технического состояния узлов трения самолета ИЛ на разных этапах его эксплуатации было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на поверхностях деталей тяжелонагруженных узлов при работах пары трения сталь- бронза при смазывании спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1…2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала износ пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз.
Исследования показали, что медная пленка образуется в результате анодного растворения бронзы: легирующие элементы уходят смазочный материал, а поверхность обогащается медью. После того как поверхность бронзы и стали покроется медью, растворение прекращается, устанавливается режим избирательного переноса.
Образовавшуюся защитную пленку называют «сервовитной». Она представляет собой вещество (металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению.
Свойства медной пленки, «рожденной» в процессе трения, иные, чем у обычной меди, получаемой восстановлением медных руд.
Исследованиями установлено, что пленка толщиной 1…2 мкм имеет рыхлую, пористую структуру. Параметр решетки пленки меньше, чем параметр решетки бронзы. Под сервовитной пленкой на границе со сталью имеется слой окислов меди, легирующих элементов или примесей толщиной около 0,1 мкм. В самом верхнем слое пленки нет скоплений дислокаций, т.е. нет повреждений, приводящих к разрушению поверхности. Установлено, что материал пленки находится в состоянии, подобном расплавленному. Она не способна к наклепу, имеет малые сдвиговые усилия, пориста. Пленка в верхней части не имеет окислов, способна к схватыванию, при трении ее частицы могут переходить с одной поверхности трения на другую, т.е. схватываться без образования повреждений и увеличения сил трения. Трение бронзы о сталь в условиях избирательного переноса можно уподобить скольжению тела по льду, при котором жидкий коэффициент трения вместо воды обеспечивает пленка расплавленного металла.
4.14.1 Использование избирательного переноса в узлах машин
Избирательный перенос проявляется при трении стали по стали, стали по чугуну, чугуна по чугуну, стали по спеченному материалу, металлополимеру, стеклу, бронзе, алюминиевым сплавам.
Используют:
в подшипниках качения (шарики и поверхности дорожек качения порывают сервовитной пленкой);
нефтебуровое оборудование;
шарнирные соединения самолетов;
узлах трения автомобилей;
на текстильных машинах;
химическое оборудование;
в машинах литейного производства;
бытовая техника.
Контрольные задания
Задание 4.1
В чем сущность водородного изнашивания?
Задание 4.2
Что влияет на процесс абразивного изнашивания?
Задание 4.3
Что такое фретинг-коррозия?
Лекция 5
5. Технологические методы повышения износостойкости деталей
В задачи технологии входит:
а) получение материалов и заготовки заданных свойств;
б) изготовление детали требуемой формы и надлежащей точности;
в) упрочнение рабочих поверхностей деталей;
г) их сборка в агрегаты, испытание узлов и машин.
5.1 Постановка задачи обеспечения качества поверхностного слоя
Пути технологического обеспечения качества поверхностного слоя и долговечности деталей машин упрочнением показаны на рис.5.1.
Рис.5.1 Пути технологического обеспечения качества поверхностного слоя обработкой ППД.
Традиционным является подход, устанавливающий связь режима обработки с эксплутационными свойствами упрочняемой детали (1-5). Недостаток такого подхода в том, что выявленные закономерности не являются справедливыми для других условий. Поэтому при переходе к новому изделию возникает необходимость в повторении трудоемких исследований.
Более обобщенным является обеспечение долговечности детали в две стадии:
На первой (путь 1-3) устанавливается связь технологических факторов с параметрами состояния поверхностного слоя.
На второй (3-5)- влияние этих параметров на эксплуатационные характеристики деталей.
Однако оба подхода имеют основной недостаток- эмпирический путь решения задачи, а следственно, связанные с этим: 1- большую трудоемкость экспериментов, 2- ограниченное число исследований параметров состояния поверхностного слоя, 3- невысокую точность ( в пределах точности метода измерения) их определения.
Эмпирический путь не позволяет использовать ЭВМ для моделирования и технологического проектирования механической обработки деталей с оптимизацией параметров состояния их поверхностного слоя, обеспечивающих заданную долговечность.
Более эффективный подход к технологическому обеспечению эксплуатационных показателей деталей, который базируется на внутренних закономерностях процесса формирования поверхностного слоя в очаге деформации (пути 1-2 и 2-3). Раскрытие таких закономерностей позволит глубже определить влияние параметров состояния поверхностного слоя на процесс разрушения детали (3-4) и эксплуатационные показатели (4-5).
Повышение сопротивления детали разрушению при различных видах эксплуатационного нагружения может быть достигнуто технологическими методамиобъемного или поверхностного упрочнения.Объемное упрочнениеповышает статическую прочность деталей, у которых рабочие напряжения распределены по сечению более или менее равномерно. Для таких деталей используют высокопрочные стали и сплавы, композиционные материалы. Однако большинство деталей работает в условиях, при которых эксплуатационная нагрузка (давление, нагрев, действие окружающей среды и т.п.) воспринимается главным образом их поверхностным слоем. Поэтому износостойкость, зарождение и развитие усталостной трещины, возникновение очагов коррозии зависит от сопротивления поверхностного слоя разрушению. Для деталей, разрушение которых начинается с поверхности, разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных не нанесении покрытий или изменения состояния (модификации) поверхности.
При нанесении покрытий упрочнение деталей достигается путем осаждения на нее поверхности материалов, которые по своим свойствам отличаются от основного металла, но наиболее полно отвечают условиям эксплуатации (износ, коррозия, химическое воздействие и т.п.).
При изменении состояния (модификации) поверхностного слоя происходит физико-химическое изнашивание в металле, повышающее его сопротивление разрушению. Модифицирование поверхностного слоя может осуществляться деформационным упрочнением (ППД), поверхностной термообработкой, диффузионным нанесением легирующих элементов.
Не существует универсального метода упрочнения деталей, т.к. один и тот же метод в одних условиях эксплуатации может дать положительный эффект, а в других отрицательный. Поэтому в ряде случаев применяют комбинированное упрочнение деталей, основанное на использовании двух или трех методов упрочнения, каждый из которых позволяет усилить то или иное эксплуатационное качество.
Кроме того, выбор того или иного метода поверхностного упрочнения определяется экономическими соображениями.