Общие вопросы трибологии

   Защита от водородного  изнашивания имеет особое значение  для следующих отраслей:

• авиатехники (узлы трения топливных насосов, а также тормозные колодки и барабаны колес выходят из строя в результате водородного изнашивания);
• железнодорожного транспорта (водородному изнашиванию подвергаются рельсы и колеса вагонов);
• автомобильного транспорта (водородное изнашивание резко снижает срок службы цилиндров и поршневых колес двигателей, тормозных накладок, тормозных барабанов и дисков сцепления, а также лопаток бензиновых насосов и других деталей агрегатов автомобилей);
• морского флота (водородному изнашиванию подвергаются узлы трения, смазываемые водой);
• деревообрабатывающей промышленности (водородное изнашивание деревообрабатывающего инструмента и рабочих органов машин сдерживает рост производительности труда в отрасли);
• техники Севера (одной из причин быстрого изнашивания машин, работающих на Севере, является охрупчивающее действие водорода, который при низких температурах не рассасывается в поверхностных слоях, а концентрируется между зоной трения и объемом материала трущейся детали вследствие значительного перепада температур);
• химического машиностроения (узлы трения машин и оборудования химической промышленности изнашиваются, главным образом, в результате действия водорода);
• техники будущего (в новых машинах расширяется применение титана и его сплавов; при трении эти материалы, обладая низкими антифрикционными свойствами, весьма сильно поглощают водород и подвергаются водородному изнашиванию).

   При ведущейся  в России и США широкой работе  по созданию двигателей для  автомобилей и самолетов на  водородном топливе исследователи  должны заранее принять меры  защиты деталей от водородного  изнашивания.

   Проблема водородного  изнашивания имеет комплексный  межотраслевой характер, а поэтому  требует привлечения к ее решению  ученых различных специальностей (металловедов, физиков, химиков,  специалистов по триботехнике), и  должна выполняться по единому  плану.

Создание «безызносных»  узлов трения машин

   До последнего  времени генеральным направлением  по борьбе с изнашиванием в  машиностроении было повышение  твердости трущихся поверхностей  детали. В промышленности разработано  большое количество методов повышения  твердости деталей (хромирование, азотирование, цементирование и т. д.). Многолетний опыт свидетельствует, что это направление позволило в большей степени повысить надежность трущихся деталей машин. Однако постоянное стремление к уменьшению массы машин и повышению интенсификации рабочих процессов привело к увеличению давлений в узлах машин и скоростей скольжения и ухудшило условия смазывания. Кроме того, требования к повышению КПД механизмов, а также применение специальных смазочных материалов и жидкостей привело к тому, что традиционные методы увеличения износостойкости деталей повышением их твердости во многих случаях перестали себя оправдывать. В процессе поиска средств увеличения износостойкости деталей машин в нашей стране открыт избирательный перенос при трении.                                                                                                             Избирательный перенос (ИП) – это комплекс физико-химических явлений на контакте поверхностей при трении, который позволяет преодолеть ограниченность ресурса трущихся сочленений машин и снизить потери на трение. ИП есть особый вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта неокисляющейся тонкой металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной наклепываться. На пленке образуется в свою очередь полимерная пленка, которая создает дополнительный антифрикционный слой. ИП, его системы снижения износа и трения (системы СИТ), разработанные А. А. Поляковым, не вытекают из ранее имевшихся представлений о трении и изнашивании. Процессы, составляющие сущность ИП, находятся на стыках разделов химии, физической химии, физики, синергетики и механики. Сложность ИП состоит также в том, что ряд его химических и физических процессов не встречался в практике исследований трения. Большинство химических реакций ИП являются гетерогенными, поэтому их изучение затруднено.

   Но в то же  время ИП имеет в своей основе  полезные физико-химические явления  и группы явлений (систем). Они  подавляют изнашивание, снижают  сопротивление сдвигу и обладают  свойством самоорганизации, а  иногда и способностью к обратной  связи с возбуждающей причиной. Их основная ценность состоит  в том, что они работают дифференцированно  против факторов, ведущих к разрушению  поверхности. Почти каждая из  систем имеет глубокое содержание; например, система защиты от водородного  изнашивания представляет собой  целое трибологическое направление.  Традиционной системой снижения  износа и трения (СИТ) является  самопроизвольное образование слоя  смазочного материала при трении  с граничной смазкой в результате  адсорбции молекул смазочного  материала на поверхности. А  в ИП имеется максимальное  число систем СИТ, и эффект  здесь наиболее полный и существенный. Весьма полезным свойством ИП  является также свойство работать  в средах, где трение при граничной  смазке не может эффективно  выполнять свои функции. ИП  проявляет способность перестройки  защитных систем, которые варьируются в зависимости от свойств среды, являющейся исходным материалом для образования системы снижения износа и трения.

   Исследование механизма  ИП, его закономерностей и областей  рационального применения привело  к некоторому изменению установившихся  ранее взглядов на ряд вопросов  триботехники: структуру и свойства  тонких поверхностных слоев трущихся  деталей машин, механизм изнашивания  и смазочного действия, пути создания  смазочных материалов и присадок  к ним, оптимальную структуру  и свойства износостойких и  антифрикционных материалов и  приработочных покрытий и т.  д.

   ИП применен или  апробирован в машинах: самолетах,  автомобилях, станках, паровых  машинах, дизелях тепловозов, прессовом  оборудовании, редукторах, оборудовании  химической промышленности, механизмах  морских судов, магистральных  нефтепроводах, электробурах, холодильниках,  гидронасосах, нефтепромысловом оборудовании. ИП применяется также в приборах  и может быть использован для  повышения стойкости режущего  инструмента при сверлении, фрезеровании, протягивании, дорновании и резьбонарезании.

   ИП позволяет: 1) при  изготовлении машин экономить  металл (15-20%) за счет большей грузоподъемности (в 1,5-2 раза) пар трения; 2) увеличить  срок работы машин (в 2 раза), сократить период приработки  двигателей (в 3 раза) и редукторов (до 10 раз), соответственно сократить  расход электроэнергии; 3) в подшипниках  качения и скольжения уменьшить  расход смазочных материалов (до 2 раз); 4) повысить КПД глобоидных  редукторов с 0,7 до 0,85; винтовой  пары с 0,25 до 0,5; 5) увеличить экономию  драгоценных металлов (золота, платины,  серебра) в приборах в 2-3 раза  за счет большей надежности  электрических контактов.

   Необходимо отметить, что сейчас в триботехнике  ясно проступают черты новой  концепции трения, основанной на  глубокой теоретической проработке  раздела физики – термодинамики  образования самоорганизующихся  структур при необратимых процессах.  Разработка этой теории, а также  дальнейшее развитие работ по  созданию практически неизнашиваемых  узлов трения машин, оборудования  и приборов с использованием  ИП – одни из важнейших проблем  современной триботехники.

Программа исследований водородного изнашивания и избирательного переноса

   Избирательный перенос  при трении и водородное изнашивание  металлов – это два совершенно  противоположных явления, и их  физические механизмы сложны. Изучение  водородного изнашивания и ИП находится еще в начальной стадии, поэтому как в теоретическом плане, так и в плане разработки и реализации в промышленности новых методов борьбы с изнашиванием машин и оборудования на основе этих явлений необходимо создать комплекс исследований, результаты которых могут решить задачи, поставленные перед триботехникой.

   Исходя из известных  представлений о водородном изнашивании,  выполненных научно-исследовательских  работ и потребностей производства, необходимо проводить работы  в следующих направлениях:

• разработки приборов и методов исследования водородного изнашивания деталей машин;
• изучение процессов наводороживания металлов при трении с фрикционными пластмассами для оценки количественных характеристик перераспределения водорода в поверхностных слоях, изучение свойств наводороженного металла при трении, влияние режимов трения на наводороживание с широким использованием новейших методов исследования;
• исследование наводороживания наиболее изнашиваемых деталей машин и оборудования в процессе эксплуатации и оценка вклада в снижение их износостойкости как биографического, так и образуемого при трении водорода с целью разработки требований к качеству конструкционных материалов, смазочным материалам и специальным жидкостям, применяемым в узлах трения;
• исследование влияния электрического и магнитного полей на процессы наводороживания при трении с целью определения количественных характеристик процессов и разработки новых путей борьбы с водородным изнашиванием;
• изучение процессов наводороживания поверхностей трения при различных видах обработки поверхностей трения деталей (механические, термические и химико-термические);
• исследования подавления водородного изнашивания пары трения металл-древесина с целью повышения стойкости режущего инструмента при обработке древесных изделий;
• разработка методов подавления водородного изнашивания в узлах трения, смазываемых водой при высоких давлениях и скоростях скольжения;
• разработка методов подавления водородного изнашивания узлов трения с титановыми сплавами с целью повышения их антифрикционных характеристик и расширения применения в узлах трения;
• изучение общих закономерностей водородного изнашивания и выявления областей его проявления, а также создания научных основ борьбы с ним;
• изучение действия водорода при абразивном изнашивании в условиях действия коррозионно-активных сред и повышенной влажности, фреттинг-коррозии, контактной усталости, коррозионно-механического изнашивания, кавитации и эрозии;
• разработка методов подавления водородного изнашивания деталей авиатехники, нефтехимического оборудования, железнодорожного транспорта (рельсов, коле, деталей двигателей тепловозов, в частности цилиндров и поршневых колес), инструмента по обработке меховых изделий, деталей сельскохозяйственных машин и других отраслей техники.

   К первоочередным  задачам по изучению ИП при  трении следует отнести:

• создание комплекса приборов и установок для изучения ИП;
• исследование работоспособности шариковых и роликовых подшипников, а также зубчатых передач в условиях ИП;
• создание новых эффективных металлоплакирующих присадок к смазочным материалам, обеспечивающих режим ИП в двигателях внутреннего сгорания как для приработки, так и для установившегося режима работы;
• исследование конструктивных особенностей смазочных систем при работе на металлоплакирующих смазочных материалах, определение их эксплуатационных характеристик и оценка эффективности их применения;
• исследование возможности применения ИП при штамповке, дорновании, протяжке, определение оптимального состава смазочно-охлаждающих жидкостей и их эффективности;
• исследования трения без смазочного материала в режиме ИП в парах металл-металл, металлополимер-металл;
• разработка новых масел и смазок, обеспечивающих металлоплакирование в зоне контакта трущихся деталей, создание опытного производства таких материалов и внедрение их на промышленных предприятиях.

   Опыт применения  избирательного переноса в промышленности  показывает, что успех перехода  на использование принципиально  новых смазочных материалов для  узлов трения, технологических процессов,  новых материалов и конструкций  подвижных сочленений достигается  только в тех случаях, когда  проводилась систематическая научно-исследовательская  работа применительно к конкретным  узлам трения машин данной  отрасли. Попытка расширить внедрение  новых методов повышения износостойкости  узлов трения простой передачи  промышленным предприятиям технических  конструкций или даже опытных  смазочных материалов не приводила  и не может привести к положительным  результатам. Знание общих вопросов теории трения и изнашивания в машинах оказывается недостаточным, требуется изучение специальных разделов физикохимии, трибохимии, трибофизики. В каждой отрасли техники, на объектах которой предполагается проведение работ по избирательному переносу, необходимо обучение специалистов в институтах повышения квалификации или в университетах, где есть подготовка по соответствующей специальности. Опыт тех организаций, которые уже реализовали преимущества избирательного переноса в узлах трения механизмов, должен быть тщательно изучен, но в каждой отрасли в головных научно-исследовательских институтах необходимо создать лаборатории, которые бы накапливали опыт применения ИП и разрабатывали свою техническую документацию.

Расширение и  применение ФАБО

   Как известно, износостойкость  зависит от окончательной (финишной) технологической обработки поверхностей  деталей. Имеются обширные экспериментальные  исследования по влиянию шероховатости  поверхностей трения на интенсивность  изнашивания деталей. Установлено,  что от финишной обработки  деталей зависит не только  первоначальный (приработочный) износ,  но и установившийся износ.  В последние годы разработаны  новые технологические процессы  финишной обработки деталей, которые  позволяют снизить приработочный  износ деталей и повысить антифрикционные  свойства сочленения (улучшить смазку  деталей, снизить коэффициент  трения). К таким методам можно  отнести вибрационную обработку  поверхностей трения и алмазное  выглаживание. Однако триботехники  считают, что использованы еще  не все резервы повышения износостойкости  деталей в части применения  новых финишных обработок.

   В связи с изложенным  крайне необходима разработка  нового технологического метода  окончательной обработки деталей,  при котором вообще исключалась  бы абразивная обработка поверхности.  К таким методам относится  разработанная финишная антифрикционная  безабразивная обработка (ФАБО). Новая высокопроизводительная оснастка  и химические составы обеспечивают  высокое качество антифрикционного  покрытия.

   Сущность ФАБО  состоит в том, что поверхность  трения детали покрывается тонким  слоем латуни, бронзы или меди  путем использования явления  переноса металла при трении. Перед нанесением покрытия обрабатываемую  поверхность обезжиривают и покрывают  глицерином или смесью, состоящей  из двух частей глицерина и  одной части 10%-ного раствора  соляной кислоты. В процессе  трения окисная пленка на поверхности  стали разрыхляется, поверхность  медного сплава пластифицируется и создаются условия для его схватывания со сталью. Толщина перенесенного слоя бронзы или латуни 1-2 мкм.

   Преимущество ФАБО  перед другими финишными операциями  состоит в том, что этот метод  чрезвычайно прост и не требует  сложного оборудования. ФАБО придает  стальной или чугунной поверхности  высокие антифрикционные свойства. Опыт использования ФАБО для  цилиндров двигателей внутреннего  сгорания дал возможность существенно  изменить мощность двигателя,  хороший результат дало и применение  ФАБО колес железнодорожного  транспорта. Все это свидетельствует  о необходимости и целесообразности  проведения  более обширных исследовательских  работ, а также применения данного  метода в более широких масштабах.