Антифрикционные покрытия крепежей и соединений

При конструировании различных машин и механизмов инженер решает целый комплекс самых разносторонних задач. Он должен обеспечить реализацию целевой функции, гарантировать прочность на протяжении какого-то ресурса, подготовить места для удобного монтажа и сборки, а также не забыть про компенсацию или защиту от изнашивания. Последний момент — один из самых важных.

Эксплуатационный износ убивает любую машину вернее, чем неправильное обращение или перегруз. Выход из строя по причине аварии — случайность, а износ всегда входит в план, поскольку полностью исключить его нельзя, только принять по внимание и каким-то образом замедлить. Одним из самых выраженных видов износа будет фрикционный, возникающий при контакте двух поверхностей и их взаимном воздействии друг на друга.

Чтобы решить задачу уменьшения фрикционного изнашивания, инженер обращается сразу к нескольким областям знаний: производит оптимизацию конструкции узла, рационально подбирает сочетание материалов, а также использует местную антифрикционную защиту — смазки и специальные покрытия.

Трение в соединениях

Когда специалист решает связать свою жизнь с механикой, он сначала изучает воздействие нагрузок на рассматриваемые объекты — изгиб, кручение, растяжение и сжатие. Затем приходит осознание, что следует учитывать не только глобальный характер нагружения, но и локальное взаимодействие между соседствующими объектами.

Чтобы лучше охарактеризовать это явление, используют термин «трение». Под ним подразумевают относительные перемещения, возникающие при поверхностном контакте двух объектов и сопровождающиеся физическими, химическими и механическими процессами.

Принцип трения интуитивно понятен любому человеку. Для его численной характеристики используют понятие «коэффициента трения» — отношение силы трения к силе нормального давления между контактирующими объектами. Этот показатель в наибольшей степени зависит от сочетания материалов:

• «сталь по стали» — 0,15;
• «сталь по бронзе» — 0,1;
• «резина — чугун» — 0,8;
• «дерево — дерево» — 0,2...0,5 (в зависимости от породы);
• «сталь — текстолит» — 0,2;
• «металл — дерево» — 0,3...0,6.

Чем выше коэффициент трения — тем сильнее сопротивление в зоне контакта и больше потенциальный износ.

Различают несколько вариантов трения:

• трение ювенильных (чистых, обнаженных) поверхностей;
• трение при граничной смазке;
• трение при гидро(газо)динамической смазке;
• трение при гидро(газо)статической смазке;
• трение при контактно-гидродинамической смазке;
• трение в условиях электромагнитных воздействий.

В упрощенном виде трение разделяют на:

• сухое (с прямым контактом поверхностей);
• полужидкостное/полусухое (с некоторым разделяющим слоем смазки и возможным обнажением до прямого контакта);
• жидкостное (со слоем смазки, полностью разделяющим контактирующие поверхности).

По характеру относительных перемещений между двумя объектами возможны несколько кинематических вариантов:

• трение покоя (неподвижное соединение);
• трение скольжения;
• трение качения.

Результатом контактного взаимодействия всегда будет изнашивание. Оно минимально при трении покоя, но не исключает возможного схватывания поверхностей между собой. Наибольший износ наблюдается при скольжении.

Изнашивание трущихся поверхностей выражается в появлении царапин, глубоких борозд и задиров, в выкрашивании или растрескивании материала, в местном налипании и переносе частиц одного объекта на тело другого. Все эти явления и противодействие им изучает наука «трибология» и дисциплина «триботехника».

Различают несколько вариантов изнашивания при трении:

• коррозионно-механическое — при химическом взаимодействии объектов с агрессивной средой и появлении очагов коррозии;
• адгезионное — при схватывании поверхностей, разделение которых приводит к местным разрушениям (в т.ч. «холодная сварка»);
• усталостное — с трещинообразованием и выкрашиванием вследствие выработки ресурса детали под нагрузкой;
• при фреттинг-коррозии — проявляется в узлах с малыми возвратно-поступательными перемещениями и проскальзыванием в зоне контакта;
• эрозионное — с воздействием на поверхности потоков газа, жидкости и движущихся твердых (абразивных) частиц;
• кавитационное — с повреждением поверхностей вследствие схлопывания пузырьков в потоке жидкости.

Трение и износ при трении — прогнозируемые величины. Их учитывают при проектировании и конструировании деталей и узлов, выражая в численных формах. А для снижения интенсивности фрикционного изнашивания используют особый подход.

Для чего нужна антифрикционная защита

Полностью исключить износ при трении пока не представляется возможным, если стоит задача работы механизма с контактом деталей между собой. Но его можно существенно снизить, вводя в соединение разграничители.

Такие компоненты призваны уменьшить сопротивление, возникающее при взаимном относительном перемещении. Это разнообразные антифрикционные смазки и покрытия, присутствие которых в существенной мере снижает фактический коэффициент трения в контактирующей паре.

Помимо главной функции, такие меры защиты также обладают дополнительными полезными свойствами:

• становятся оболочкой, исключающей химический контакт объекта с агрессивной средой, что снижает риск развития коррозии;
• стабилизируют температурный режим в зоне контакта, поскольку интенсивное трение всегда сопровождается выделением тепла (не исключены даже местные фрикционные прижоги);
• снижают до нуля риск взаимного схватывания поверхностей даже в процессе длительной эксплуатации;
• движущиеся потоки смазки удаляют из зоны трения мелкие частицы, образующиеся при отделении материалов от поверхности (выкрашивание, пылеобразование).

Антифрикционные меры защиты в существенной мере уменьшают взаимное изнашивание объектов, работающих в паре, продлевают ресурс механизма и делают его функционал более надежным и стабильным. В том числе упрощается процедура сборки и разборки устройства. Конструирование всех соединений в современной механике так или иначе требует ответа на вопрос: необходимо ли здесь заложить антифрикционную защиту или можно обойтись? И чаще всего качество всей машины зависит от того, насколько производитель решил лишний раз перестраховаться.

Разновидности антифрикционных смазок

Жидкие смазки

Самым распространенным решением проблемы антифрикционной защиты в машиностроении становится применение специальных масел — вязких, но достаточно подвижных жидкостей. Они обволакивают поверхности металлических деталей и удерживаются на них с определенным усилием, защищая как от прямого контакта с ответным объектом, так и от окисления со стороны внешней среды.

Какие бывают смазочные масла:

• моторные — для поршневых двигателей;
• трансмиссионные — для редукторов;
• индустриальные — для общепромышленных задач и станков;
• компрессорные, холодильные, турбинные — для соответствующей техники.

Ключевой характеристикой жидкой смазки становится кинематическая вязкость. Этот показатель отражает свойство оказывать сопротивление взаимному перемещению слоев масла под действием внешних сил.

Кроме того, при подборе смазочных масел обязательно учитывают температурный диапазон их эксплуатации с учетом нагрева в зоне фрикционного контакта. Что примечательно, антифрикционные параметры смазки оценивают на испытаниях с нагревом до +300°С, моделируя наиболее нагруженные условия работы.

Чтобы улучшить работу стандартных масел и получить некоторые особые свойства, используют разнообразные присадки:

• антиокислительные;
• противоизносные;
• противопенные;
• противокоррозионные;
• противозадирные;
• антифрикционные;
• диэмульгирующие;
• противоскачковые.

Применение специализированных масел взамен универсальных — общий рецепт улучшения условий эксплуатации конкретных узлов и механизмов в целом. Такой подход соответствует базовым принципам функционально-ориентированных технологий, когда инженер в своей работе руководствуется сугубо характеристиками работы рассматриваемого узла, а не привычными взглядами на технику того же типа.

Пластичные смазки

Существует отдельная категория более вязких и менее подвижных смазочных материалов. Их улучшенные антифрикционные свойства связаны с более прочным удержанием граничного слоя на поверхности контактирующих объектов. Список таких составов возглавляет солидол, хорошо известный и незаменимый в любом механосборочном цеху.

Пластичные смазки обладают определенной упругостью и формируют очень плотный слой между парой трения. При нормальной температуре они не растекаются по поверхности, в отличие от жидких. Лишь при превышении предельных нагрузок вещество начинает понемногу течь, не нарушая при этом сплошность слоя.

Какими бывают пластичные смазки:

• на кальциевых мылах;
• на натриевых мылах;
• на натриево-кальциевых мылах;
• на литиевых мылах.

Наиболее распространенными следует назвать пасты ЦИАТИМ, Литол, Униол и ГОИ-54.

Пластичные смазки обладают очень хорошими антифрикционными свойствами за счет плотности своей структуры. Некоторые составы содержат дополнительные присадки, обеспечивающие химическую и радиационную стойкость. Помимо смазывания соединений, эти материалы также используют в качестве консервационных, препятствующих контакту изделий с воздухом и влагой при длительном хранении.

Твердые смазки

Наиболее «молодым» направлением антифрикционной защиты следует считать применение твердых смазочных материалов (ТСМ). Иногда их называют твердосмазочными покрытиями, хотя это не слишком корректная формулировка. Эта продукция также способствует образованию на поверхности трущихся поверхностей достаточно стойкого граничного слоя с эффективным заполнением микровпадин.

Какой вид имеют твердые смазки:

• порошок;
• покрытие;
• присадки к жидким и пластичным составам;
• таблетки;
• брикеты;
• карандаши.

Твердые смазки изготавливают по схеме «антифрикционная составляющая + связующее». Первым компонентом могут быть:

• халькогениды тугоплавких металлов;
• фториды кальция и церия;
• графит;
• иодид серебра;
• полимерные композиции.

Широкую популярность приобрели ТСМ на основе дисульфида молибдена, графита и ПТФЭ (политетрафторэтилен, более известный как тефлон). Связующим веществом выступают органические смолы, стекла, силикаты и полиуретан. Антифрикционные полимерные покрытия — один из самых новаторских подходов к снижению износа в узлах трения.

Главные преимущества твердых смазок — их высокая несущая способность (выдерживают давление вплоть до 720 МПа, что аналогично пределу прочности на растяжение среднеуглеродистой стали) и термическая стойкость (от −186 до +540°С, тефлоновые покрытия выдерживают до +270°С). Они подходят для узлов, работающих с повышенными нагрузками и в зоне действия прямого нагрева. Кроме того, в отличие от жидких масел, ТСМ не нуждаются в охлаждении и не боятся загрязнений.

Нанесение антифрикционных покрытий

Решение проблемы изнашивания при трении также допускает еще одну область — применение специальных защитных покрытий и модификацию поверхностей для изменения свойств контактирующих слоев.

Какие традиционные технологии используют в машиностроении для уменьшения фрикционного износа:

• цементация;
• азотирование;
• цианирование;
• диффузионное хромирование;
• борирование;
• ниобирование;
• ванадирование;
• силицирование;
• электролитическое хромирование;
• электролитическое никелирование;
• гальваническое латунирование, висмутирование, сурьмирование, кобальтирование;
• наплавка медью, латунью или бронзой;
• осаждение марганцевых покрытий в сернокислой ванне;
• наплавка электродами на основе износостойкой стали Гатфилда;
• наплавка нержавеющих, быстрорежущих и штамповых сталей;
• наплавка мартенситной матрицы со сложными карбидами;
• наплавка аустенитного чугуна с карбидами хрома;
• наплавка кобальтового сплава.

Что примечательно, самое распространенное металлическое покрытие — цинковое — не обладает выраженными антифрикционными свойствами. Защиту цинком применяют лишь для «свободных» поверхностей, не входящих в контакт с ответной деталью.

В последние годы наблюдают концентрацию внимания всей машиностроительной отрасли на нанесении защитных антифрикционных покрытий — в том числе многослойных, гибридных, композиционных и наноструктурированных. Эта отрасль растет огромными темпами, демонстрируя свою очевидную эффективность в вопросах упрочнения деталей машин и увеличения суммарного ресурса.

Какие технологии нанесения покрытий используют:

• химическое осаждение из газовой фазы;
• вакуумное ионно-плазменное осаждение
• термовакуумное осаждение;
• газотермические (в т.ч. детонационные);
• лазерные и лазерно-плазменные;
• электронно-лучевые;
• электроискровые;
• гальванические (электролитические).

Выбирая конкретное антифрикционное покрытие и способ его нанесения, учитывают свойства материала покрытия и самой детали. В ряде случаев нельзя использовать технологии, подразумевающие обширный поверхностный нагрев свыше +800°С. Подобное термическое воздействие способно изменять структуру металла (к примеру, отпустить закаленную сталь).

Особый интерес представляют многофункциональные покрытия. Помимо защиты от контактного изнашивания, они способны уберечь металл от коррозионного воздействия со стороны агрессивной окисляющей среды. Такие покрытия наращивают в несколько слоев с разными свойствами и укладывают на поверхность с утолщением в наиболее нагруженных местах.

В общем случае толщина защитного слоя обычно не превышает 1 мм, а зачастую — она ограничена десятыми долями миллиметра. Это связано с тем, что полный съем покрытия означает ослабление размера до появления существенного зазора в посадке. Сохранять работоспособность пары трения в этом случае уже не имеет смысла: соединение не будет работать так, как должно.

Где используют антифрикционную защиту

Превентивные меры защиты от изнашивания поверхностей активным трением распространяются на всю область машиностроения — от закручивания резьбовых болтов на тракторе и заканчивая сборкой космических аппаратов. Базовые принципы сохраняются общими для всех отраслей, но в каждом конкретном случае учитывают особые условия эксплуатации:

• величину и характер контактных нагрузок;
• температурный режим;
• агрессивность внешней среды;
• материал деталей узла.

Во внимание принимают даже частоту и сложность обслуживания агрегатов. Скажем, если к узлу есть постоянный доступ с рециркуляцией и охлаждением смазочной среды, то можно использовать жидкие масла. В противном случае, особенно с частым загрязнением пылью и нагревом, более актуальным будет выбор твердых смазок.

Триботехническими парами, наиболее нуждающимися в антифрикционной защите, следует назвать:

• поршневые кольца и гильзы двигателей внутреннего сгорания;
• направляющие станков;
• гидроцилиндры;
• плунжера прессов;
• узлы скольжения на роторных машинах;
• тормозные диски;
• режущий инструмент (при снятии стружки кромка очень изнашивается);
• зубчатые колеса;
• червячные и глобоидные передачи;
• передачи «винт-гайка»;
• кулачковые механизмы.

Во всех перечисленных случаях ключевое место в характере работы устройства занимает трение скольжения. Но даже шариковые, роликовые и игольчатые подшипники, действующие по принципу трения качения, нуждаются в обязательной и регулярно обновляемой смазке.

Любопытными с точки зрения антифрикционных решений следует назвать узлы, в которых ответной парой для металлической детали служит уплотняемый объем жидкой среды. Например, в конструкции некоторых зуборезных станков было реализована схема, при которой рабочий механизм опирается на масляную подушку. Износ трением практически отсутствует, но за уровнем масла приходится постоянно следить, чтобы вовремя заметить утечку и вернуть толщину демпфера к базовым расчетным значениям.

Особые антифрикционные смазки и покрытия можно встретить в таких областях, как:

• авиастроение и выпуск космических аппаратов;
• автомобилестроение;
• станкостроение;
• производство техники для пищевой отрасли;
• металлургия и литейная промышленность;
• горная добыча;
• нефтепереработка;
• изготовление медицинской аппаратуры и протезов;
• атомная энергетика.

Самым простым и распространенным случаем, когда возникает необходимость защитить соединения от износа трением, следует назвать смазку крепежных метизов перед закруткой. Что это дает:

• облегчает движение гайки по виткам резьбы болта;
• косвенно уменьшает нагрузку, необходимую для затяжки;
• снижает риск развития коррозионных процессов внутри пары и возможность «прикипания» крепежа друг к другу;
• упрощает последующую разборку.

Поэтому в сборочных чертежах инженеры-конструкторы часто ставят еще одним пунктом технических требований фразу «резьбы болтов смазать». Если механизм будет работать в каких-то особых условиях — то еще и с указанием конкретной смазки для крепежа.

Еще одним ярким примером предупреждения износа будет работа обычных редукторов. Зубчатые передачи работают с ударом и постоянным контактированием боковых поверхностей зубьев, входящих в зацепление. Червячные пары демонстрируют скользящий контакт между витками червяка и зубьями колеса. Глобоидные — вместе с повышенным трением еще и интенсивно греются. Поэтому при проектировании редукторов стараются сделать так, чтобы механические передачи либо полностью находились в жидкой смазке, либо при каждом обороте зачерпывали ее на свои рабочие поверхности.

Заключение

Рассчитать все нагрузки, определиться с геометрией, подобрать материал и методы изготовления деталей — это далеко не полный перечень работ, с которыми ежедневно сталкивается какое-нибудь конструкторское бюро, занятое выпуском техники. Помимо прочего, каждый инженер должен еще помнить о мерах защиты от изнашивания.

Эксплуатационный износ любого оборудования неизбежен и неотвратим. С ним можно бороться, но его нельзя победить — лишь уменьшить, снизить, ограничить каким-то допустимыми пределами. И для достижения этой цели необходимо в том числе решить вопрос со взаимным трением контактирующих элементов.

Пренебрежение антифрикционными мерами защиты всегда негативно сказывается на суммарном ресурсе узла. Иногда для проявления первых проблем понадобятся месяцы эксплуатации, иногда — всего несколько минут. Так на нагруженных плоских направляющих продольные борозды от трения могут появиться после первого же цикла сдвига, особенно, если при изготовлении не озаботились достижением требуемой твердости поверхностей, а перед началом работы — не проверили состояние смазки.