Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Что предпринимают для борьбы с износом?

Есть материалы, способные оказать сопротивление

Для эффективности борьбы с явлениями изнашивания необходимо в тех частях детали, которые подвергаются нагрузке, избежать способствующих ему изменений материала. Это значит, что применяемые материалы должны достаточно сильно сопротивляться изнашиванию, а в поверхностных слоях обладать незначительной склонностью к образованию трещин. Таким требованиям удовлетворяют, к примеру, тугоплавкие металлические сплавы (50MnSi4 или 55SiMn7), неорганические материалы, такие как карбиды, бориды, нитриды, оксиды и силициды, а также композиции металлов с неорганическими материалами (Al2O3-Ni, A12O3-A1, ThO3-Al, SiO2-Al).

При небольших нагрузках можно рекомендовать такие легко формуемые материалы, как легкоплавкие сплавы на основе свинца и олова (баббиты), пластмассы (политетрафторэтилен) или композиции пластмасс с металлами (спрелафлон). Из последних особо выделяется полученный в Советском Союзе маслянит. Они особенно сильно снижают сопротивление трению и без образования микротрещин воспринимают касательные напряжения. В качестве материала тормозных колодок ценятся металлы, легированные фосфором.

Спрелафлон представляет собой комбинированный материал, в котором частички свинца тонко распределены в матрице из политетрафторэтилена ( 125). Благодаря этому возникает автоматическая смазка. Аналогичное действие оказывает разработанный советскими учеными материал маслянит, который по своим физико-механическим свойствам приближается к металлам, а по скольжению - к полимерам. Маслянит это не металл и не пластмасса, а комбинация металлов с полимерами. Он является самосмазывающимся материалом, чье сопротивление изнашиванию значительно выше, чем у бронзы и баббитов. Обладая к тому же высокой стойкостью к коррозии, маслянит может применяться в химической промышленности, в машиностроении, в автомобилестроении, в судостроении, в гидротехнике и в энергетике. Из него делают корпуса подшипников, шестерни и детали машин, работающих в агрессивных средах, а также подшипники в насосах для перекачки жидкостей. Советские специалисты указали, прежде всего, на возможность использования его в вакууме, где пары металлов, например, сталь и бронза, не могут работать, так как необходимая смазка тотчас испарилась бы и произошла бы сварка обоих металлов. Если один из металлов заменить самосмазывающимся материалом, то такие пары могут применяться и в вакууме.

Прослойки

Смазочные материалы с успехом применяются также в качестве прокладок. Мы знаем твердые смазки: графит, дисульфид молибдена, иодиды кадмия и свинца, фосфаты и сульфиды металлов. Еще чаще применяются жидкие и консистентные смазки: минеральные масла (осевое, моторное) с добавками или без них, буровое масло, эмульсионное масло для металлорежущих станков, штамповочное масло, синтетические масла, эмульсии типа масло в воде и вода в масле, суспензии графит-масло, дисульфид молибдена -масло, тавоты и специальные пасты.

Наиболее часто применяемые смазочные масла представляют собой высокочистые углеводороды с добавками. Добавки -это, как правило, высокополярные соединения или соединения, содержащие в молекуле одну или несколько реакционноспособных групп. Эти полярные группы ориентированно связываются на нагруженной поверхности материала. Смазочное масло распределяется при этом в молекулярных структурах. Кроме того, при повышенных температурах параллельно с процессом связи протекают химические реакции между активными группами или атомами смазки и подвергающейся воздействию поверхностью, что ведет к образованию продуктов реакции, уменьшающих износ. Благодаря этому возникает промежуточная субстанция, содержащая жиры, относительно плотная и стабильная. Она увеличивает фактическую поверхность контакта между трущимися телами, затрудняет доступ воды и кислорода на эту поверхность и подавляет таким образом неконтролируемые реакции с окружающей средой.

В этом плане нужно указать и на специальную металлообрабатывающую среду, разработанную в Высшей технической школе Карл-Маркс-Штадта. Это модифицированный водный раствор электролита, который применяется в качестве промежуточной среды при резании металлов. Его вводят в места образования стружки, где он одновременно способствует процессу резания и образует защитный слой, который эффективно препятствует непосредственному контакту как между заготовкой и резцом, так и между резцом и снимаемой стружкой. Ионы, имеющиеся в электролите, в зависимости от своего заряда и величины, вызывают в зонах образования стружки коррозионное растрескивание, ориентируют вокруг себя полярные молекулы воды и создают защитный слой. С применением таких сред стало возможным при снятии стружки с металлов повысить скорость резания на 150-200%, скорость подачи на 200-400% и глубину резания на 150-300%. Благодаря этому производительность труда при фрезеровании, сверлении, точении стали на токарном станке выросла на 150-200%.

Твердые смазочные материалы также снижают износ. Кроме того, в зависимости от типа они вполне работоспособны в широком диапазоне температур, часто от — 70 до + 400 °С. Это особенно важно для авиа- и ракетостроения. Однако такие смазки повреждаются или даже разлагаются под действием частиц высоких энергий, например в ядерных реакторах. Они более или менее хорошо выполняют свои функции в вакууме и противостоят большинству химических воздействий: стойки в среде жидкого кислорода, элементарного фтора, растворителей и топлива. Самыми известными представителями этой группы являются графит и дисульфид молибдена. Оба вещества имеют гексагональную слоистую решетку ( 126). Между слоями атомов углерода у графита и молибдена и серы у дисульфида молибдена существуют весьма слабые связи (силы Ван-дер-Ваальса), которые позволяют слоям сдвигаться друг относительно друга и без потерь передавать энергию в окружающую среду. Основным фактором их действия является то, что в слоистую решетку могут встраиваться молекулы жидкостей и газов из окружающей среды. Помимо этого, между твердыми смазками, смазываемым материалом и окружающей средой происходят химические реакции, которые ведут к образованию различных продуктов, снижающих износ. Так, дисульфид молибдена образует с железными материалами слои из сульфида железа по реакции

MoS2 + 2Fe - 2FeS + Mo

Возникающий металлический молибден внедряется в кристаллическую решетку железа, образуя относительно, кислотостойкие смешанные кристаллы   железо — молибден. При особо высоких энергиях можно добиться окисления графита на воздухе в диоксид углерода. Еще более ускоряет этот процесс вода. В отличие от графита, дисульфид молибдена в подобных условиях может окисляться до способствующего износу триоксида молибдена. На практике твердые смазывающие материалы часто весьма эффективно применяют вместе со смазочными маслами или металлокерамическими материалами в качестве так называемых самосмазывающихся комбинированных тел. Возможно их аналогичное применение и с неорганическими материалами, в частности с металлофосфатными покрытиями.

Выборочная защита поверхности

Так как процесс изнашивания протекает только в поверхностных областях, то с экономической точки зрения целесообразно применять материалы с повышенной износостойкостью только в этих зонах. Для этого на подверженные износу детали наносят покрытия из снижающих его материалов. В настоящее время известен целый ряд таких способов, например цианирование, титанирование, плазменное напыление неорганических материалов, электролитическое осаждение неметаллических неорганических соединений в металлическую матрицу. О таких способах, как борирование и напыление в ударной волне мы просто упомянем. Что происходит при нанесении этих покрытий и где они могут применяться? При цианировании атомы азота и углерода диффундируют в материал покрываемой детали и образуют в его поверхностных областях защитные слои, содержащие карбонитриды. Особо эффективно цианирование    в газовой фазе при 350-700 °С, над разработкой которого очень интенсивно работают в ГДР. Благодаря сравнительно невысокой температуре обработки покрываемые детали лишь незначительно меняют свои размеры и форму, тогда как при традиционных способах термообработки эта опасность была серьезной. По сравнению с нитрированием значительно сократилось время нанесения покрытий, на краях детали больше не происходит обезуглероживания, а получаемые защитные слои стали намного менее хрупки, чем «чистые» нитридсодержащие слои. Они почти не подвержены отслаиванию. С помощью цианирования можно покрывать значительно большее количество разнообразных железных материалов.

Области применения низкотемпературного газового цианирования относительно велики. Таким способом защищают, например, штоки поршней в телескопических амортизаторах, играющих важную роль в грузовых автомобилях. Ранее эти детали хромировали. Благодаря переходу к цианированию на предприятиях ГДР, изготовляющих телескопические амортизаторы, освободилось десять рабочих мест, что дало в год экономии в 30000 рабочих часов (или 900000 марок). Кроме того, отпала необходимость в использовании цветных металлов: меди, хрома и никеля, а для изготовления амортизатора можно с таким же успехом применять и стали невысокого качества. Обработанные таким способом амортизаторы обладают более высокой коррозионной стойкостью и более длительным сроком службы.

Титанирование происходит также при действии тепловой энергии. Газовую реакционную смесь (например, тетрахлорид титана и метан) подводят к предварительно нагретой до 1000-1100 °С поверхности железной  детали.  Газообразные реакционные    компоненты связываются на поверхности детали. На границе твердой и газовой фаз при участии углерода материала детали протекает реакция

При этом одновременно протекают процессы диффузии и кристаллизации. Образующийся в результате этих реакций защитный слой толщиной до 0,01 мм состоит из карбида титана, обладающего особенно высоким сопротивлением износу. Детали из материалов, склонных к износу, можно этим способом защищать очень эффективно.

Многообразны возможности применения защитных покрытий, полученных титанированием. Этот способ применяется, например, при изготовлении вытяжных шпуль для производства химических волокон. Если стальную гильзу шпули покрыть карбидом титана, срок ее службы возрастает в три раза. Благодаря этому стало возможным полнее удовлетворить потребности текстильной промышленности, а следовательно, и населения в химических волокнах. Такой же рост долговечности можно наблюдать и при покрытии карбидом титана стальных нитераскладчиков и ушек-деталей текстильных машин.

По-другому происходит нанесение защитных покрытий в струе плазмы. Материалы, снижающие износ (обычно порошок с размером частиц 10-100 мкм) полностью или частично расплавляются в струе плазмы и наносятся на соответствующие поверхности детали ( 128). Путем плазменного напыления на недорогие материалы на основе железа можно наносить износостойкие покрытия из металлов, керамических и металлокерамических материалов, причем именно в тех местах, где возникает наибольший износ. Такими веществами являются вольфрам, ванадий, титан, цирконий, а также карбиды, оксиды, нитриды, бориды и силициды с добавками никеля или кобальта. Покрытия из твердых веществ ценятся прежде всего при защите тугоплавких металлов от окисления, особенно опасного для деталей двигателей и ракет. Они, помимо этого, термически изолируют материалы и снижают их потери.

Так, например, ракета, возвращающаяся в земную атмосферу, не должна нагреваться выше 400 °С, иначе измерительные приборы, расположенные под стальной оболочкой толщиной 1,6 мм, выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, на оболочку из специальной стали путем плазменного напыления наносят слой оксида циркония толщиной 0,4 мм, стабилизированный оксидом кальция. Другими примерами применения являются нанесенные в плазменной струе защитные покрытия из оксида алюминия на шарикоподшипниках и из молибдена на стальных дюзах.

Износостойкие защитные покрытия можно изготовить, наконец, и при низких температурах. Особенно ценятся так называемые дисперсионно-металлические покрытия, в которых в электролитически осажденный металл внедряется диспергированный неорганический материал или органические полимеры, например политетрафторэтилен. Благодаря этому возникает определенный смазывающий эффект.

По такому способу никель из водного раствора его соли электролитически осаждается на катоде, представляющем собой покрываемую деталь ( 129). Раствор электролита одновременно содержит частицы оксида алюминия размером от 1 до. 5 мкм, которые проникают в слой никеля. Подобные дисперсионные слои достигают толщины 0,2 мм. При небольших нагрузках на поверхность они могут существенно уменьшить износ. Дисперсионные покрытия ценятся, в основном, как поверхности скольжения в цилиндрах моторов, нажимных валиках и пресс-формах.

Эти, пусть немногочисленные примеры дают представления о разнообразии способов защиты деталей и показывают, что даже при современном уровне знаний можно успешно бороться с износом, а в будущем следует ожидать еще большего прогресса.

Кольца фар легковых и грузовых автомобилей покрываются на этой автоматической линии медью, никелем и хромом (слева вверху). С таким защитным покрытием они могут успешно противостоять коррозии (слева внизу: микроснимки коррозионных   явлений   у   стали).

В многокамерных электроннолучевых печах народного предприятия по производству специальных сталей во Фрайтале изготавливаются стальные сплавы с прекрасными свойствами (справа вверху). Они намного более устойчивы к коррозии и износу, чем обычные стали. Они выдерживают высочайшие нагрузки при применении в специальной аппаратуре. Достижения современной физики, например лазерный луч, также используются в промышленности. С его помощью в металлах можно выплавлять мельчайшие и очень точные отверстия, что необходимо при производстве промышленных фильтров (внизу: луч лазера выплавляет отверстие в кирпиче).