Закономерности усталостного разрушения в условиях высоких контактных нагрузок. Стали для зубчатых колес. Состав, марки, упрочняющая обработка

Причина изнашивания сопряженных деталей работа сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др.

1 - упругое контактирование; 2 - пластическое деформирование; 3 - микрорезание; 4 - схватывание и разрушение поверхностных пленок; 5 - схватывание и глубинное вырывание

связи).

Возможны два вида адгезионного взаимодействия:

1) схватывание и разрушение поверхностных пленок

2) схватывание металлических поверхностей, сопровождающееся заеданием, т. е. глубинным вырыванием

Закономерносш изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа При первом виде взаимодействия срез адгезионных связей происходит по оксидным или адсорбированным пленкам, которыми всегда покрыты трущиеся поверхности. Скорость образования оксидных пленок обычно высока, чему способствуют высокие температуры, развивающиеся на поверхностях трения. Разрушение поверхности путем среза оксидных пленок называется окислительньм изнашиванием. Это наиболее благоприятный вид изнашивания, при котором процессы разрушения локализуются в тончайших поверхностных слоях.

Схватывание металлических поверхностей возникает между чистыми от пленок (юве-нильными) поверхностями трения, например, в условиях вакуума или при разрушении пленок пластической деформацией в местах контакта. Между очищенными участками образуются адгезионные связи, которые по прочности превосходят прочность одного из материалов пары трения. Срез происходит в менее прочном материале в глубине от места схватывания. На одной поверхности трения образуются углубления, на другой-вырванные частицы, которые повторно схватываются и бороздят трущиеся поверхности, вызывая их интенсивное разрушение, а иног-

В зависимости от условий трения, при которых пластическая деформация разрушает оксидные пленки, различают две разновидности схватывания: холодное (I рода) и тепловое (II рода).

а из-за большого тепловыделения и сваривание. Разрушение поверхностей трения при схватывании (заедании) называют адгезионным изнашиванием. Это наиболее опасный и быстротечный вид изнашивания, который служит главной причиной отказа в работе многих узлов трения.

Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала: 1) увеличение твердости трушейся поверхности; 2) снижение прочности адгезионной связи.

Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по возможности упругое деформирование участков контакта.

Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей трения жидким, твердым (иногда газовым) смазочным материалом. При использовании жидкостной смазки, когда поверхности деталей разделены несущим гидродинамическим слоем, коэффициент трения минимален (0,005-0,01), а износ практически отсутствует.

Твердая смазка обеспечивает более высокий коэффициент трения (0,02-0,15). Она незаменима для узлов трения, способных работать в вакууме, при высоких температурах и других экстремальных условиях. Из твердых смазочных материалов наиболее широко применяют графит и дисульфид молибдена (MoSj), имеющих слоистое строение.

Использование смазочных материалов, однако, не гарантирует от схватывания. Твердые смазочные материалы постепенно изнашиваются. Условия жидкостной смазки нарушаются из-за неблагоприятных режимов работы механизмов. К ним относятся периоды приработки, а также пуска и остановок машин. В этих случаях возникает гра-

ничное трение, при котором поверхности разделяются лишь тонкой масляной пленкой. Контактные напряжения и нагрев способны разрушать эту пленку и вызывать схватывание. В этих условиях решающее значение приобретает обеспечение совместимости трущейся пары. Под совместимостью понимают свойство материалов предотвращать схватьшание при работе без смазочного материала или в условиях нарушения сплошности масляного слоя. Совместимость достигается несколькими способами.

1. Использованием защитных свойств оксидных пленок. Защитные свойства оксидных пленок зависят от их состава, толщины, а также от свойств металлической подложки, увеличиваясь с ростом ее твердости. Если оксид тверд и прочен, а нижележащий металл мягок, то пленка легко разрушается, и схватывание развивается при малой нагрузке.

2. Подбором материалов пары трения. Схватывание особо опасно для контакта из двух твердых материалов. В случае разрушения защитных оксидных пленок оно приводит к значительному повреждению обеих поверхностей трения. При сочетании твердого и мягкого материалов схватывание проявляется в менее опасной форме.

3. Разделением поверхностей трения пленками полимеров (фторопласта, полиамида и т. п.), которые отличаются

НИЗКОЙ адгезией к металлам. Кроме того, под влиянием теплоты трения полимеры способны переходить в низкомолекулярное состояние и образовывать пленку с низким сопротивлением сдвигу. В силу этих особенностей полимеры имеют низкий коэффициент трения, слабо изменяющийся при применении смазочного материала.

Работоспособность многих узлов трения зависит от скорости развития поверхностного усталостного выкрашивания (питтинга).

Стали для зубчатых колес. Основным эксплуатационным свойством смазываемых колес, так же как и подшипников качения, является контактная выносливость. Она определяет габариты зубчатой передачи и ресурс ее работы. Кроме высокой контактной выносливости от зубчатых колес требуется сопротивление усталости при изгибе, износостой-

кость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют стали, имеющие твердый поверхностный слой, вязкую и достаточно прочную сердцевину, способную противостоять действию ударных нагрузок. Сочетание твердой поверхности и вязкой сердцевины достигается химико-термической обработкой или повфх-ностной закалкой низко- и среднеуглеродистых сталей. Выбор стали и метода упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, требований технологии и имеющегося оборудования.

Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали (см. табл. 8.4). Они имеют наиболее высокий предел контактной выносливости, величина которого согласно ГОСТ 21354-75 определяется пропорционально твердости поверхности (табл. 10.2).

Твердость цементованной поверхности при концентрации углерода 0,8-1,4% и структуре, состоящей из вы-сокоуглеродисгого мартенсита или его смеси с дисперсными карбидами, составляет HRC 58-<)3. Излишне высокая твердость нежелательна из-за возможности хрупкого разрушения цементованного слоя. При постоянной твердости поверхности контактная выносливость растет с увеличением толщины упрочненного слоя и твердости сердцевины. Толщина цементованного слоя принимается равной (0,20-0,26) т (т-мо-дуль колеса), но не более 2 мм. Твердость сердцевины составляет HRC 30-42.

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150-600 мм и более изготовляют из хромоникелевых сталей 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др. Их используют в редукторах вертолетов, судов, самолетов. Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР и др.

Билет9