Твердые смазочные материалы

Для сопряжений машин весьма перспективными являются твердые смазочные материалы. Они обеспечивают благоприятные условия изнашивания, образуя на рабочих поверхностях деталей разделительные пленки, устраняющие схватывание и механические повреждения. В качестве твердых смазочных материалов применяют металлы с низкой температурой плавления (свинец, сурьму, висмут и др.), а также некоторые вещества со сложной структурой кристаллической решетки (графит, сульфиды молибдена, меди, цинка, фосфиды и др.). Твердый смазочный материал или наносят на поверхность одной из деталей сопряжения в виде покрытия, или вводят в состав материала поверхностного слоя детали, или вносят в зону трения в виде порошка. Твердые смазочные материалы обладают высокой теплостойкостью, хорошей адгезией с металлом и менее чувствительны к изменению режима работы механизма и к воздействиям внешней среды.

Твердые смазочные материалы, вводимые в зону трения в виде порош­ка вместе с жидким или пластичным смазочным материалом, не нашли пока широкого применения вследствие конструктивных трудностей дозирова­ния и подачи порошка в зону трения. Эти смазочные материалы используют как тонкие покрытия рабочих поверхностей деталей. Работоспособность и долговечность таких покрытий зависят от прочности сцепления частиц смазочного материала с материалом детали, которая, в свою очередь, зависит от метода нанесения покрытия и толщины слоя покрытия. При сжатии со сдвигом от толщины h слоя твердосмазочного покрытия зависит предельная нагрузка (рис. 6.14), причем существует некоторая оптимальная толщина h_оп покрытия. При дальнейшем увеличении слоя твердого смазочного материала предельная нагрузка практически не меняется.

Рис. 6.14. Зависимость предельной нагрузки N при сжатии со сдвигом от толщины слоя покрытия из твердого смазочного материала

В настоящее время широко используются такие твердые смазочные материалы, как дисульфиды молибдена MoS₂ и вольфрама WS₂. Их наносят на рабочие поверхности деталей в виде тонких защитных пленок или используют как порошкообразные добавки к смазочным суспензиям, приготовленным из минеральных масел и графита (табл. 6.8).

Основные характеристики твердых смазочных материалов

Таблица 6.8

Твердый смазочный материал	Плотность, 103кг/м3	Модуль упругости при сжатии, 9,8·104 Пa	Температура, °С	Коэффициент трения
окисления на воздухе	плавления
Графит	1,4-1,7	50 500			0,04
BN	2,25	22 800	800-900		0,67
MoS2	4,8	85 000			0,03
WS2	7,4	-		-	-
Fbj2	6,16	-	-	-	-

Все более широкое распространение в машиностроении получа­ют так называемые самосмазывающиеся материалы.

Самосмазывающиеся материалы в процессе трения обеспечивают положительный градиент механических свойств поверхности вследствие действия активного наполнителя — смазочного масла, просачивающегося через поры материала в зону трения, или специальных смол, содержащих частицы твердого смазочного материала.

Важную роль в создании благоприятных условий в зоне трения самосмазывающегося материала выполняют процессы, сопровождающие взаимодействие поверхностей. С ростом температуры активизируются процессы, вызывающие структурные превращения материалов в поверхностных слоях деталей, избирательную диффузию, газовыделение. Характер этих процессов очень сложен и еще недостаточно изучен.

Самосмазывающиеся материалы по сравнению с твердыми сма­зочными материалами обладают целым рядом преимуществ: прак­тически неограниченные ресурсы сырья; значительно меньшие (в 2—5 раз) капитальные вложения; возможность изготовления деталей в серийном и массовом производстве высокопроизводительными ме­тодами без снятия стружки (отходы снижены в 5 раз); трудоемкость производства деталей в 5—10 раз меньше. Система подачи смазочного материала не требуется, поэтому можно упростить конструкцию узлов трения. При использовании самосмазывающихся материалов отпадает необходимость в проведении профилактических смазочных работ, что позволяет значительно упростить эксплуатацию машин и снизить трудоемкость их обслуживания.

По сравнению с жидкими и пластичными смазочными материалами самосмазывающиеся материалы имеют более широкий диапазон рабочих температур, меньше изменяются их эксплуатационные свойства при длительном хранении, они менее чувствительны к влиянию внешней среды.

Самосмазывающиеся материалы имеют следующие недостатки: высокий коэффициент трения; сложный процесс отвода теплоты, выделяющейся в процессе трения; относительно высокая стоимость и технологические сложности изготовления деталей.

В зависимости от состава, структуры и технологии изготовления различают пористые, металлофторопластовые ленточные, тканевые и композиционные самосмазывающиеся материалы.

В состав пористых спеченных самосмазывающихся материалов входят металлические порошки (стружка), твердые смазочные мате­риалы и минеральные масла. Недостатком таких материалов является быстрое «закупоривание» пор продуктами износа и абразивными частицами и, как следствие, потеря эффекта самосмазывания.

Металлофторопластовые самосмазывающиеся материалы представляют собой трехслойную ленту, состоящую из низкоуглеродистой стальной подложки с нанесенной на нее сферической бронзой, которая пропитывается в вакууме смесью фторопласта с мелкодисперсным свинцом, бронзой или дисульфидом молибдена. Они обладают хорошей работоспособностью, однако повышенный износ при ударных нагрузках и наличии абразивных частиц, высокая стоимость и сложная технология изготовления не позволяют широко внедрять эти материалы.

Для работы в тяжелонагруженных узлах трения машин в условиях статического нагружения при малых скоростях скольжения и невысоких рабочих температурах созданы тканевые материалы на фторопластовой основе с пропиткой индустриальными маслами. Такие материалы при­меняются в шаровых опорах отечественных автомобилей. Основным недостатком тканевых материалов является сложность технологического процесса приклеивания ткани на поверхности детали.

Среди полимерных материалов широкое применение получили антифрикционные материалы на фторопластовой основе, содержащие твердые смазочные материалы и металлические порошки. Недостатком всех фторопластовых материалов является высокая стоимость и низкая несущая способность, обусловленная хладотекучестью основы.

В машиностроении широко используют композиционные само-cмазывающиеся материалы на полиамидной, фенольной, эпоксидной, полиформальдегидной, полиэтиленовой, углеграфитной или древес­ной основе с наполнителями (табл. 6.9).

Свойства самосмазывающих полимерных материалов

Таблица 6.9

Показатель	АФ-3ам ам	АМАН-2	АМАН-4	Эстеран-33
Коэффициент трения	0,12	0,12	0,1	0,08
Твердость НВ, МПа	280-300	—	270-290
Предел прочности при сжатии, МПа	—
Плотность, кг/м3
Максимальная рабо- чая температура, °С
Интенсивность линейного изнашивания при скольжении	4·10-9	7·10- 9	1·10-9	2·10-8

Самосмазывающиеся полимерные материалы рассчитаны на давление 2·9,8· 10⁴ Па и скорость скольжения 2 м/с.

Перспективными являются самосмазывающиеся материалы группы «маслянит» (табл. 6.10), принцип действия которых основан на эффектах «выпотевания» и миграции пластификатора (масла) к поверхности детали. Возможно создание материалов новых марок этой группы с заранее заданными эксплуатационными свойствами.

Свойства самосмазывающихся материалов группы «маслянит»

Таблица 6.10

Показатель	К-37	КС-2	КСПЭ	КСЦ
Предел прочности при сжатии, МПа	74-83	147-186	108-147	127-157
Твердость НВ, МПа	137-167	88,2	89,2	157-225
Температурный интервал использования, К	233-433	233-433	223-473	223-413
Коэффициент трения	-	0,21	0,18	0,14
Скорость изнашивания, мкм/ч	-

Для сопряжений, в которых используют самосмазывающиеся материалы, характерно усталостное изнашивание. Усталостную износостойкость увеличивают, вводя в состав полимера специальные наполнители. В результате улучшаются физико-механические характеристики материала: теплопроводность, модуль упругости, твердость, коэффициент трения.

Связующим для самосмазывающихся материалов служат по­лиамидные смолы и их смеси с полиэтиленом (ПЭ) и эпоксиново-лачным блок-сополимером (ЭНБС). Для блокирования усталостных трещин используют графитовый, медный и железный порошки, асбестовые, стеклянные, углеродные и полифеновые волокна (ПТФЭ), а также смазочные материалы (глицерин, ВАПОР, Униол-1, ИПТ-20), выполняющие также роль пластификаторов полимеров.

Физико-механические свойства самосмазывающихся материалов могут быть значительно улучшены специальной поверхностной обработкой. Оптимальные свойства самосмазывающихся материалов реализуются лишь в определенных условиях, а режимы работы механизмов сильно различаются, поэтому невозможно создать универсальные материалы, способные работать в любом сопряжении машины. В связи с этим возникает необходимость в разработке и использовании широкого ассортимента самосмазывающихся материалов.