В.П. Котурга Твердые смазочные материалы

1

Министерство образования Российской Федерации

Кузбасский государственный технический университет

Кафедра прикладной механики

ТВЕРДЫЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Методические указания к практическим занятиям по триботехнике для студентов направления 552900

Составитель В.П. Котурга

Утверждены на заседании кафедры. Протокол № 9 от 29.06.00

Рекомендованы к печати методической комиссией направления 552900 Протокол № 281 от 25.10.00

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

2

ЦЕЛЬ: Ознакомление с принципом действия, структурой и свойствами твердосмазочных материалов

1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Принцип самосмазываемости заключается в реализации внешнего трения трущихся материалов. Из-за шероховатости поверхностей, какого бы класса чистоты они не достигали, контакт их всегда дискретен, т. е. осуществляется в отдельных точках – пятнах фактического касания, на которых формируются, развиваются и разрушаются фрикционные связи. Суммарная сила, необходимая для разрушения этих связей, есть сила трения.

На рис.1 схематически представлены контакты двух поверхностей Т1- Т2 и образование пятна фактического контакта за счет внедрения жесткой единичной неровности в более мягкий материал.

Рис. 1. Контакт шероховатых поверхностей и схема образования единичного пятна фактического контакта А — модель контакта единичной неровности с поверхностью самосмазывающегося материала

Если разрыв связи происходит по линии 1, то имеет место внешнее трение, если по линиям 2 или 3 – внутреннее. Реализация внешнего трения будет зависеть как от величины сил молекулярного взаимодействия трущихся материалов, так и от глубины внедрения микронеровностей в

3

контртело. Таким образом, самосмазываемость зависит не только от свойств материалов пары трения, но и от режима работы этой пары.

Уменьшение сил молекулярного взаимодействия трущихся поверхностей может быть достигнуто введением в зону контакта жидких или твердых слоистых смазок, химическим модифицированием поверхности, нанесением на поверхность покрытия, обладающего меньшей силой молекулярного взаимодействия с материалом контртела.

Твердые кристаллические материалы с гексагональной кристаллической структурой, обладающие анизодесмическими свойствами, т. е. резко различной прочностью связей между атомами в различных кристаллографических направлениях, и вследствие этого, смазывающим действием, по-

лучили название твердых слоистых смазок.

К таким материалам относятся графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, диселениды молибдена, вольфрама, ниобия, нитрид бора, иодиды кадмия, свинца, висмута и т. д. Смазывающим действием обладают и некоторые полимерные материалы, межмолекулярные связи которых ослаблены из-за химической инертности молекул. К таким материалам относится политетрафторэтилен (фторопласт).

Как правило, твердые смазки применяются в композициях с другими материалами, воспринимающими нагрузку на узел трения и удерживающими твердую смазку в зоне контакта. Полимерные, металлокерамические, пористые металлические материалы, в состав которых входят твер-

дые смазки, получили название самосмазывающихся конструкционных

материалов.

Твердые слоистые смазки могут наноситься тонким слоем на поверхности деталей. Закрепление твердой смазки на поверхности может осуществляться различными методами: с полимерным связующим, втиранием, виброгалтовкой, напылением в вакууме и т. д. Нанесенные таким образом на поверхности деталей тонкие пленки, обладающие смазывающим дейст-

вием, называются твердыми смазочными покрытиями [3].

В качестве твердых смазок могут быть использованы тонкие полимерные и металлические пленки, нанесенные на более твердый материал. Наличие полимерных или мягких металлических пленок на твердой поверхности обеспечивает разрыв фрикционной связи по покрытию, не распространяющийся на конструкционный материал с нанесенным покрытием, т. е. предотвращает схватывание трущихся поверхностей.

5

личие связей в кристалле приводит к большой анизотропии свойств графита.

Низкий коэффициент трения графита обусловливается способностью легко расщепляться по плоскости спайности, способностью кристаллов ориентироваться под действием нагрузки перпендикулярно направлению ее действия, способностью образовывать на поверхностях трения тонкую сплошную пленку ориентированных чешуек графита, прочно связанную с металлом в результате ненасыщенных связей, возникающих при расщеплении. Фрикционные свойства графита зависят от режима и условий эксплуатации [2].

Температура. При трении графитосодержащих материалов выше некоторой температуры наблюдается увеличение коэффициента трения. Поверхность трения теряет блестящий вид, характерный для поверхности с ориентированной пленкой, становится грубой, на ней появляются следы интенсивного износа, типичного для микрорезания. Термогравиметрический анализ (зависимость потери веса материала от температуры) показывает, что увеличение коэффициента трения при определенной температуре связано с окислением графита

Нагрузка. Трение и интенсивность износа графита и графитовых материалов в определенном диапазоне нагрузок мало изменяются с увеличением нагрузки. Однако при удельной нагрузке свыше 3-4 МПа по хрому и чугуну, 0,5 – 0,8 МПа по меди и латуни интенсивность износа резко возрастает, что связано с нарушением ориентации смазочной пленки.

Внешняя среда. Обладая хорошими смазывающими свойствами на воздухе, графит и графитовые материалы теряют смазывающее действие в среде восстановительных газов и в вакууме. Наименьшее давление, необходимое для удовлетворительной работы, зависит от окружающей среды и составляет 600 мм рт. ст. – для кислорода, 3 мм рт. ст. – для водяного пара, 0,6 × 10 –3 мм рт. ст. – для паров органических продуктов.

Поверхность трения в вакууме, так же, как и поверхность трения при высоких температурах, на воздухе, не имеет характерного для ориентированной пленки блеска, что говорит о нарушении ориентации и разрушении валентных связей основной решетки графита. Потеря смазывающих свойств графита в вакууме объясняется исследователями по-разному.

Ряд исследователей объясняет «самосмазываемость» графита наличием на поверхности трения адсорбированных паров, а не пластинчатым строением графита.

Однако «адсорбционная» теория опровергается рядом фактов, например наличием высокого коэффициента трения на воздухе при больших

6

давлениях, отсутствием влияния влаги на трение графита по хрому, радию, латуни в среде азота и, наконец, увеличением износа при трении в среде с повышенной влажностью. Повышение температуры в вакууме также приводит к снижению коэффициента трения.

Таким образом, объяснение смазывающего действия графита следует искать в его способности образовывать и сохранять пленку из ориентированных чешуек [2].

2.1.2 Дисульфид молибдена

Дисульфид молибдена имеет гексагональную кристаллическую решетку, рис. 2. В решетке MoS2 расстояние каждого слоя атомов молибдена до слоя атомов серы составляет 2,41 А. Два слоя серы, между которыми находится слой молибдена, представляют собой слоистый пакет. При соприкосновении пакетов между слоями серы происходит трение.

На трение дисульфида молибдена оказывают существенное влияние температура, нагрузка и внешние условия.

Температура. В обычных условиях с увеличением температуры до 100°С коэффициент трения дисульфида молибдена уменьшается, что связано с уменьшением влагосодержания в поверхностных слоях. Влага на поверхности трения содействует окислению молибдена до трехокиси, не обладающей смазывающей способностью. Последующее увеличение температуры и окисление дисульфида молибдена приводит к увеличению коэффициента трения.

По данным ряда исследователей, окисление дисульфида молибдена происходит при 300 – З60°С, но некоторые авторы указывают на возможность протекания окислительных процессов уже при 150-170°С [4].

Нагрузка. С увеличением нагрузки трение дисульфида молибдена уменьшается. Так, с увеличением удельной нагрузки от 0,1 до 5 МПа коэффициент трения снижается с 0,3 до 0,05. Это явление связано с улучшением ориентации частиц дисульфида молибдена и уменьшением влагосодержания поверхностных слоев вследствие тепла трения. Снижение коэффициента трения пленки дисульфида молибдена, нанесенного на стальную подложку, прекращается при достижении давления по Герцу 900 МПа.

Внешняя среда. Влажность окружающей среды оказывает решающее влияние на трение дисульфида молибдена. Если в отсутствие влаги окисление порошка MoS2 происходит при 300-350°С, то во влажной среде оно становится возможным уже при температуре 80-100°С [4]. Это, в частности, является одной из причин того, что в присутствии жидкой смазки смазочное действие дисульфида молибдена заметно снижается.

7

В вакууме смазочные свойства дисульфида молибдена улучшаются. Большинство исследователей считают, что уменьшение трения в вакууме также связано с отсутствием влаги на поверхности трения [2].

2.2 Политетрафторэтилен

Наряду с графитом и дисульфидом молибдена политетрафторэтилен нашел широкое применение в качестве твердой смазки для изготовления рецептур антифрикционных покрытий и в качестве ингредиента композиционных материалов.

Политетрафторэтилен (структурная формула − CF2− CF2− ) выпускается под торговой маркой фторопласт-4 (фторолон-4). Он представляет собой термопластичный полимерный материал с температурой стеклования - 120°С.

Вследствие большой кристалличности фторопласт-4 обладает специфическими механическими свойствами. При повышении температуры твердость кристаллических участков меняется мало, в то время как аморфные участки, находящиеся в высокоэластическом состоянии, размягчаются быстро, что вызывает падение механических свойств фторопласта. В связи с этим фторопласт-4 в чистом виде не нашел большого применения в узлах трения.

Смазывающие свойства политетрафторэтилена связывают с его малой адгезией вследствие химической инертности. Размеры атомов фтора и их расположение в молекуле политетрафторэтилена таковы, что они блокируют углеродную цепь и не дают возможности образовывать «мостики» сварки. Отщепление атомов фтора, например обработкой политетрафторэтилена натрием, приводит к увеличению коэффициента трения.

В силу этого фрикционные свойства фторопласта-4 практически не зависят от окружающей среды и температуры. На величину коэффициента трения фторопласта-4 влияет нагрузка. Так, увеличение удельной нагрузки с 2-3 до 15-30 МПа приводит к уменьшению коэффициента трения с 0,1 до

0,02.

С целью уменьшения хладотекучести фторопласта-4 и, таким образом, увеличения его несущей способности, вводят различные наполнители: порошки металлов, мелкодисперсные порошки графита и дисульфида молибдена. Введение наполнителей позволяет в несколько раз увеличить износостойкость материалов, а в ряде случаев снизить коэффициент трения [1].

8

2.3 Самосмазывающиеся конструкционные материалы

Согласно молекулярно-механической теории трения, для обеспечения эффекта самосмазываемости материалов необходимо выполнение правила положительного градиента, по которому прочность на срез фрикционной связи на границе контактирующих материалов должна быть меньше прочности нижележащих слоев. Это достигается введением твердой или жидкой смазки в пористый материал (спекание смеси твердой смазки с металлическими порошками, введение твердой смазки в качестве наполнителя в полимер).

Самосмазывающиеся полимерные материалы

Введение активных наполнителей-дисульфида молибдена и графита в полимерные материалы обеспечивает повышенную износостойкость, низкий коэффициент трения, прочность, теплопроводность, стабильность размеров [1].

Наряду с твердыми смазками в полимер вводят и мелкодисперсные порошки металлов, способствующие улучшению механических свойств материалов. В зависимости от выбора ингредиентов и связующего могут существенно изменяться физико-механические и фрикционные свойства материалов.

Наибольшее распространение получили материалы на основе полиамидных, фенольных смол и политетрафторэтилена. Наряду с положительными эксплуатационными свойствами, такими как химическая инертность, способность предохранять трущееся сочленение от заедания, эластичность, способствующая снижению ударных и вибрационных нагрузок, а также концентрации напряжений в результате перекосов, полимерные материалы обладают свойствами, ограничивающими область их применения в узлах приборов времени. Сюда следует отнести низкий предел текучести, резкое падение механических свойств с увеличением температуры, «хладотекучесть» ряда полимеров (наличие остаточных деформаций при снятии нагрузки при нормальной температуре), заметную деформацию под нагрузкой вследствие небольшого модуля упругости, малую величину допустимых контактных напряжений, старение материала (ухудшение фи- зико-механических свойств во времени), небольшой диапазон рабочих температур.

Так, верхний предел рабочих температур составляет для полиамидов 80-100°С, поликарбоната 100-130°С, фторсодержащих эластомеров 130170°С, полиформальдегида 100-120°С, фторсодержащих жестких полиме-

ров 150-200°С [1].

9

К полимерным самосмазывающимся материалам относится и довольно обширная группа материалов типа аман, тесан, эстеран, представляющих собой композиции на основе специальных смол с наполнителями. Детали из указанных материалов изготовляются методом прессования, после чего подвергаются механической обработке. Материалы различаются по физико-механическим свойствам.

Самосмазывающиеся металлокерамические материалы

Металлокерамические самосмазывающиеся материалы представляют собой пористые материалы (10-30% пор), содержащие твердую слоистую смазку или полимеры, выполняющие роль смазки.

Материалы изготовляются методами порошковой металлургии. Металлокерамические материалы обладают рядом преимуществ по

сравнению с полимерными материалами: большей несущей способностью контакта, теплопроводностью, широким температурным диапазоном работы, малым тепловым коэффициентом линейного расширения [4].

Отечественной промышленностью выпускается два типа металлокерамических материалов, включающих в себя твердую и жидкую смазку: бронзо-графит и железо-графит. Свойства этих материалов приведены в табл.1.

Эффективной оказалась пропитка металлических материалов дисульфидом молибдена. В табл. 2 приведены значения коэффициента трения при скольжении стального сферического ползуна по диску из металлокерамического материала при нагрузке 40 Н.

2.4 Антифрикционные покрытия

Эти покрытия представляют собой прочно закрепленные на поверхности трения пленки, обладающие смазочным действием. В этом случае в полной мере могут быть использованы высокая несущая способность материала детали и низкие сдвиговые напряжения, присущие твердой смазке. Антифрикционные покрытия по своему основному составу подразделяются на три группы: полимерные, твердосмазочные в виде закреп ленных на поверхности пленок слоистых твердых смазок и металлические.

10

Таблица 1 Физико-механические свойства бронзо- и железо-графита

Таблица 2 Коэффициент трения металлокерамических композиций

Эффективность действия полимерных материалов и композиции из полимера с наполнителями зависит от полимерного состава. Детали из указанных материалов изготовляются методом прессования, после чего подвергаются механической обработке. Они работоспособны до некоторых предельных значений нагрузок и скоростей скольжения.

Зависимость сопротивления сдвигу от толщины покрытия для пленок мягких металлов носит экстремальный характер. Для антифрикционных