Файл: Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения.pdf

оптимальной исходной шероховатости и направлении следов механической обработки поверхностей.

Исследования показали, что при незначительной исходной шероховатости па сопряженных поверхностях рекомендуется взаимно перпендикулярное расположение следов механиче­ ской обработки поверхностей, а при грубой исходной шерохо­ ватости — направление следов обработки целесообразно вы­ бирать параллельное направлению относительного движения сопряженных деталей.

То же наблюдается и при качении. Изменение качества об­ работки желобов колец шарикоподшипников с 8-го до 12-го класса чистоты значительно повышает долговечность работы поверхностей трения.

Понятие об эксплуатационной шероховатости показывает, что шероховатость зубьев должна быть меньшей у колеса, чем у шестерни. Объясняется это тем, что зубья шестерни ча­ ще взаимодействуют, чем зубья колеса, так как диаметр шес­ терни меньше, чем диаметр колеса. Поэтому приработка у зубьев шестерни идет более интенсивно, и для зубьев поверх­ ность может быть более грубой.

Волнистость поверхности. Роль волнистости па долговеч­ ность сопряженных трущихся поверхностен весьма слож­ ная — в одних случаях она оказывает благоприятное влия­ ние, в других — ухудшает условия эксплуатации машин.

Положительная роль волнистости сказывается в том, что она способствует удержанию смазки во впадинах и поддер­ живает этим мягкий режим трения. Однако тут же волнис­ тость оказывает и отрицательное влияние. Наличие волнисто­ сти уменьшает площадь фактического контакта поверхности и, следовательно, увеличивает величину контактных давлений, осложняя процесс трения.

• В условиях качения волнистость ухудшает условия работы поверхностей трения. Например, в кулачковых механизмах она способствует появлению вибраций и действию ударных нагрузок, расшатывающих механизм.

То же наблюдается и при работе зубчатых колес: волнис­ тость на поверхностях зубьев вызывает неравномерное по ве­ личине действие передаваемого усилия за время одного обо­ рота.

Монтаоіс конструкции. Неправильная сборка сопряженных деталей ухудшает условия контактирования поверхностей. Этим может быть вызвано нарушение режимов процесса тре­ ния. Тот же эффект уменьшения долговечности работы узлов

112

трения наблюдается и при несоблюдении размеров деталей. Например, отклонение в размерах колеса вызывает нежела­ тельное проскальзывание при его перекатывании под нагруз­ кой по другому колесу либо по какому-нибудь неподвижному телу (например, рельсу).

II. Обработка поверхностей трения

а) Термохимическая обработка

Рассмотрим четыре основных вида термохимической об­ работки поверхностей; 1) цементация, 2) азотирование, 3) ци­ анирование, 4) хромирование.

Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя (глубиной до 2 мм (малоуглеродистой стали) с содержанием углерода до 0,3 %:) углеродом с целью увеличения его твердо­ сти после термической обработки. При цементации вследствие неравномерного нагрева структурных составляющих в поверх­ ностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Под­ поверхностный слой от этих напряжений испытывает растя­ жение.

При наложении изгибных (в зубчатых передачах), кру­ тильных (у валов) напряжений, эпюра исходных напряжений изменяется. Напряжения сжатия в поверхностном слое уве­ личиваются по абсолютной величине, а напряжение от растя­ жения в подповерхностном слое — уменьшаются.

Аналогичные явления происходят и на поверхности тре­ ния. Под действием дополнительной касательной нагрузки, приложенной к поверхности, напряжения сжатия в деформи­ рованной контактной зоне увеличиваются, а па некоторой глу- -бнпе — напряжения от растяжения уменьшаются. Если проч­ ность материала при сжатии выше, чем прочность при растя­ жении, то снижение максимума растягивающих напряжений на некоторой глубине поверхностного слоя повышает устало­ стную прочность фрикционного узла. В этом случае цемента­ ция поверхности является желательной.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя азотом, позволяющий значительно повысить его твердость и улучшить термическую стойкость при воздействии высоких температур. Азотированию подвергаются детали, работающие при действии циклических нагрузок и в условиях высоких температур и возможного действия агрессивной среды. Изно­ состойкость таких азотированных деталей повышается в не­

сколько раз. Особенно ценно азотирование, когда нужно .пре­ дохранить фасонное изделие от коррозии, где процесс гальва­ низации является весьма трудоемким и ненадежным.

Цианирование — процесс одновременного насыщения по­ верхностного слоя азотом п углеродом.

Процесс цианирования отличается от предыдущих процес­ сов тем, что позволяет получить большее упрочнение при большей скорости насыщения. Регулированием температуры можно управлять процессом и менять процентное содержание азота и углерода в поверхностном слое. Широкое применение цианирование находит в инструментальной промышленности, где требуется значительное повышение стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали.

Хромирование — процесс насыщения поверхностного слоя деталей хромом. Процесс протекает при очень высоких темпе­ ратурах (порядка 950—1300°С) путем диффузии хрома и же­ леза. Поверхностный слой, подвергнутый хромированию, полу­ чается неоднородным. Нго верхняя зона обильно насыщается карбидами хрома. Затем располагается зона с повышенным содержанием азота н углерода. И на глубине располагается зона с обедненным содержанием углерода по сравнению с промежуточным слоем (сердцевиной). Из этой обедненной зо­ ны в результате встречной диффузии углерод переходит в промежуточную зону поверхностного слоя, еще больше спо­ собствуя его насыщению.

Процесс хромирования особенно эффективен для высоко­ углеродистых сталей. Он доводит твердость поверхностного слоя до 1300 н и выше. Процесс хромирования, хотя и эффек­ тивный, но широкого применения не находит: насыщенный слой получается очень тонким, а процесс протекает очень мед­ ленно.

114

б) Термическая обработка поверхностей (поверхностная закалка)

Поверхностная закалка применяется для образования твердого износостойкого поверхностногослоя у деталей из выеокоуглеродистой стали (с содержанием углерода более 0,6%).

Поверхностная закалка состоит из двух операций: нагре­ ва до температуры ѲреКр и быстрого охлаждения до нормаль­ ной температуры.

При закалке происходит уменьшение мартенсита в струк­ турном составе поверхностного слоя. Многочисленные спосо­ бы закалки позволяют закаливать поверхностный слой на зна­ чительную глубину (до нескольких мм).

в) Химическая обработка поверхностей

Никелирование. Никель — фосфорное покрытие, обладая хорошей текучестью и заполняя быстро впадины неровностей, находит применение при желании получить хорошую прирабатываемость изделий. Недостатком покрытия является низ­ кая сопротивляемость действию циклических нагрузок.

Оксидирование. — процесс образования искусственной ок­ сидной пленки на поверхности изделия. Эта пленка, обладая низкой твердостью и пористостью, хорошо удерживает смаз­ ку и предупреждает заедание. В процессе трения из пленки образуются мелкие-абразивы и этим обеспечивается ускорен­ ная прирабатываемость трущихся поверхностей. Хорошие результаты дает оксидирование на алюминии, образующаяся пленка на его поверхности обладает высокой жаростойкостью (до 1500°С)' и служит для изготовления алюминиевых под­ шипников с высокими антифрикционными свойствами.

Фосфатирование — процесс образования на поверхностях деталей пленки из нерастворимых фосфорно-кислых солей. Это покрытие более коррозиостойко, чем оксидное, и поэтому находит применение в тех случаях, когда поверхность трения может подвергаться действию щелочных растворов. Фосфо­ ритное покрытие является хорошей основой для надежного соединения поверхности с твердой дисульфидмолибденовой смазкой.

Сульфидирование — процесс насыщения поверхностного слоя серой. При сульфидировании шероховатость поверхнос­ ти увеличивается. Обладая высокой адсорбционной способно­ стью, сульфидный слой активизирует действие смазочного

масла. Обладая меньшей прочностью, чем основной металл, пленка легко отделяется и образует мелкие абразивные час­ тицы. Эти частицы совместно со смазкой способствуют весьма чистой (до 11 класса чистоты) и ускоренной обработке по­ верхностей.

III. Покрытие, наплавки, упрочнения поверхностного слоя

Электрѳлитическое хромирование, как технологический способ повышения износостойкости стальных изделий, зани­ маетведущее место в обработке поверхностей. Объясняется это тем, что хром отличается высокой твердостью, прочностью, сцепления со сталью, химической стойкостью и хорошей теп­ лопроводностью и теплостойкостью.

Хром, мало изнашиваясь, мало изнашивает и сопряженные

сним поверхности. Недостатком хромового покрытия явля­ ется невысокая усталостная прочность. Объясняется это тем, что в поверхностном слое хромового покрытия (при его де­ формировании) возникают растягивающиенапряжения. Хро­ мовые покрытия рекомендуется применять при работе в паре

сбаббитами, мелкозернистым чугуном, мягкими и среднеза­

каленными сталями при наличии смазки и невысоких давле­ ний.

Железнение — процесс электролитического осаждения же­ леза на стальных либо чугунных изношенных изделиях. При­ меняется железнение, как средство наращивания металла при восстановлении размеров изношенных деталей. Процесс железнения весьма экономичный, а скорость наращивания слоя высокая. Для повышения механических свойств наносимого слоя железнение производят в электролитах, содержащих марганец или никель.

Серебрение — процесс осаждения на поверхности изделия серебра с целью предохранения ее от действия кислот, кото­ рые могут содержаться в маслах. Однако процесс серебрения трудоемкий, так как сцепление с основой недостаточное.

Лужение — процесс покрытия поверхности изделия .оло­ вом. Используют лужение для ускорения приработки чугун­ ных и алюминиевых изделий.

Свинцевание — процесс покрытия поверхности изделия свинцом. Применяется свинцевание в тех случаях, когда стре­ мятся увеличить износостойкость деталей. Повышение изно­ состойкости поверхности, подвергнутой свинцеваний, объяс­ няется тем, что образивные частицы, попадая в свинцовый слой, застревают там и не участвуют в разрушении поверхно­

116

сти. Недостаткам свинцевания является малая стойкость по­ верхности коррозионному воздействию кислот.

Индирование применяется для предотвращения поверхно­ стей от действия кислот. Состоит индирование в нанесении на поверхность свинцово-индиевого покрытия.

Наплавки высоколегированной сталью применяются для восстановления размеров изношенных деталей и для предо­ хранения поверхностей изделий от действия абразива, корро­ зии, эрозии, каватации *.

Металлизация напылением. Процесс металлизации напы­ лением состоит в расплавлении у поверхности металлизатора проволоки из стали либо из цветного металла с последующим распылением его струей сжатого воздуха по поверхности де­ тали.

Процесс металлизации напылением, будучи весьма деше­ вой операцией при ремонте и восстановлении размеров дета­ лей, улучшает антифрикционные свойства поверхностного слоя, но .понижает усталостную прочность изделия.

Фрикционное меднение, бронзирование, латунирование стальных деталей. Фрикционные способы нанесения тонких покрытий на стальные поверхности основаны на использова­ нии явления схватывания и переноса металлов при трении.

Графитирование. Весьма эффективной добавкой к смазоч­ ным маслам, значительно улучшающей работу поверхностно­ го слоя деталей при трении, является коллоидный графит, из­ мельченный до микронной фракции. Смешанный с минераль­ ным« маслами коллоидный графит значительно увеличивает скорость растекания масла и способствует весьма эффектив­ ной приработке поверхностей.

Электроискровое упрочнение. Процесс электроискрового упрочнения поверхностного слоя деталей состоит в импульс­ ном разряде электрического тока у ее поверхности. При проскакивании искры с поверхности изделия — катода вырыва­ ются частицы материала; они выбрасываются в окружающую среду. Одновременно с этим с большой интенсивностью про­ исходит перенос материала с электрода — инструмента — анода на катод.

Протекает процесс с высокими скоростями нагрева с по­ следующим охлаждением поверхностного слоя. В результате происходит сверхскоростная закалка с формированием «бе­ лого слоя».

* Для -предохранения -выкрашивания карбидов в наллавный слой добавляют мягкую связующую основу из кобальта.

117

носятся баббитовые сплавы. Эти материалы находят приме­ нение в подшипниках скольжения.

Износостойкие материалы обладают высоким коэффици­ ентом износостойкости. Это специальным способом упрочнен­ ные стали, пластики, металлокерамика и другие материалы. Эти материалы находят применение в зубьях ковшей экскава­ торов, лемехах плугов и т. д.

Выбор материалов в конструкциях сопряженных деталей машин является наиболее сложной задачей при решении про­ блемы долговечности и надежности работы поверхностей тре­ ния. Решение этой задачи прежде всего зависит от назначе­ ния и условий работы узла трения, дефицитности и стоимости материала.

При действии малых нагрузок и наличии небольших ско­ ростей экономичны при эксплуатации чугуны. При значитель­ ных нагрузках в связи с возможностями коррозионного изно­ са чугуны легируют. Таким легированным чугуном является неризитаустенитный чугун с высоким содержанием никеля. Например, в авиационных двигателях, работающих в напря­ женных условиях, поверхности деталей должны быть износо­ стойкими. В этих усложненных условиях процесса трения хо­ рошо работает азотированная сталь.

В коленчатых валах применение находят модифицирован­ ные чугуны с пластинчатым графитом. Объясняется это тем, что эти чугуны менее чувствительны к воздействиям, вызван­ ным возможными нарушениями в ' правильности ориентиров­ ки осевой линии вала.

В станинах токарных станков, где направляющие должны обладать высоким коэффициентом износостойкости и значи­ тельным сопротивлением заеданию, применение находят хо­ рошо обрабатываемые чугуны марки СЧ 21-40 или СМ ЗЙ-52.

При действии специальных смазочных жидкостей в узлах трения, как спирто-глицериновая смесь, в амортизационных устройствах шасси самолетов в целях надежности использу­ ют для буксы бронзу Бр. АЖМЦ в паре со сталью, хотя здесь изнашиваемость и значительная. То же имеет место и в плун­ жерных парах топливной аппаратуры двигателей, где в це­ лях надежности применяют пары трения из закаленных ста­ лей.

На выбор материалов оказывают влияние и условия рабо­ ты узла трения. Так, сталь Гатфильда (0}2% С и 12% М) на­ ходит применение при изготовлении крестовины рельсов, зу­ бьев ковшей экскаваторов и в других тяжелонагруженных уз-

И9