Министерство образования и науки Российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» Факультет авиационных двигателей, энергетики и транспорта Кафедра прикладной гидромеханики Реферат по дисциплине: «Исследование в энергетическом машиностроении» на тему: «Износостойкие материалы» Группа ЭМГ-108Б ФИО Подпись Студент Исмагилов Э.С. Принял Шайдаков В.В. Дата Уфа 2021 1 Содержание Введение .............................................................................................................. 3 1. Определение износостойкости материала ............................................. 4 2. Классификация износостойких материалов ......................................... 6 2.1. Материалы с высокой твёрдостью поверхности. ............................. 6 2.1.1. Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию. .......... 6 2.1.2. Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания. 7 2.1.3. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузках ................................................................ 8 2.2. Антифрикционные материалы ............................................................ 9 2.2.1. Металлические материалы ........................................................ 10 2.2.2. Неметаллические материалы. ...................................................... 10 2.3. Фрикционные материалы. .................................................................. 11 Заключение ................................................. Ошибка! Закладка не определена. Список литературы......................................................................................... 15 2 Введение Проблема контактного взаимодействия твердых тел в современной технике имеет очень важное значение. В первую очередь это связано с долговечностью и надежностью машин, которые, как показала практика, в основном определяются выходом из строя подвижных сопряжений, меняющих свои размеры под воздействием сил трения. Это приводит к потере точности, к вибрации, уменьшению герметичности сочленений и понижению КПД машин. Более 80% мирового парка машин выходит из строя в результате износа узлов трения, а интенсивность изнашивания находиться в прямой зависимости от материалов, скоростей нагрузки, мощностей и режимов эксплуатации подвижных сопряжений. 3 1. Определение износостойкости материала Возможность продолжительной эксплуатации деталей машин и других изделий, их долговечность во многих случаях связаны с износостойкостью материалов, из которых они изготовлены. Итак, износостойкость определенных условиях - свойство трения, материала оказывать, сопротивление в изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материалов путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Различают линейный, массовый или объемный износ. Линейный объем определяют по изменению размеров, массовый и объемный износ определяют по уменьшению массы или объема. Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. Скорость или интенсивность изнашивания представляет собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. [3. Учебник – Металлургия // Материаловедение // Курс лекций Александров В.М. -2010 год // http://sinref.ru/000_uchebniki/03400metalurg/013_materialovedenie_aleksandro v_2010/037.htm Рисунок 1 – Схема интенсивности износа [2] На рисунке 1 изображена схема износостойкости, которая определяет три периода износа: I – начальный, или период приработки, 4 когда изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью; II – период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания; III – период катастрофического износа. Материаловедение [1. Учебник // производства Моряков // О.С. http://sinref.ru/000_uchebniki/04400proizvodstvo/005_01_mateialoveden_m orakov/016.htm] Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скоростей начального и установившегося изнашивания. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки. Детали, которые подвергаются изнашиванию можно подразделить на две группы: детали образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи); детали, изнашивающиеся в результате воздействия рабочей среды (жидкость, газ и т.п.) Причина изнашивания сопряженных деталей - работа сил трения. Под действием этих сил происходит деформирование участков поверхности, их упрочнение, разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости. Существует два основных пути повышения износостойкости материала: увеличение твердости трущейся поверхности, снижение прочности адгезионной связи. Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание. Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей смазочным материалом. [1. Учебник производства // Материаловедение // Моряков О.С. 5 http://sinref.ru/000_uchebniki/04400proizvodstvo/005_01_mateialoveden_m orakov/016.htm 6 2. Классификация износостойких материалов В зависимости от механических и фрикционных свойств износостойкие материалы подразделяют на три труппы: 1. Материалы с высокой твердостью поверхности. 2. Антифрикционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения скольжения. 3. Фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения скольжения. [2. Классификация износостойких материалов // https://lektsii.org/10-49700.html 2.1. Материалы с высокой твёрдостью поверхности. 2.1.1. Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию. Наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура которых состоит из твёрдой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицей. Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжёлых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержания углерода (до 4%) и карбидообразующими элементами ( Cr, W, Ti ). Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенито-мартенситной, аустенитной. Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой 25Х38,30Х23Г2С2Т. Детали, работающие при значительных ударных нагрузках – зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др., изготовляют из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустенитно-мартенситной или аустенитной матрицей 37Х7Г7С, 110Г13, 30Г34. На рисунке 2 изображена шестерня, подвергшаяся абразивному изнашиванию. [3. Учебник – Металлургия // Материаловедение // Курс лекций Александров 7 В.М. год -2010 // http://sinref.ru/000_uchebniki/03400metalurg/013_materialovedenie_aleksandro v_2010/037.htm] Рисунок 2 – Шестерня, подвергшаяся абразивному изнашиванию [1. Учебник производства // Материаловедение // Моряков О.С. http://sinref.ru/000_uchebniki/04400proizvodstvo/005_01_mateialoveden_mo rakov/016.htm 2.1.2. Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания. Это материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колёса. Высокая контактная выносливость может быть обеспечена лишь при высокой твёрдости поверхности. На рисунке 3 изображено внутренние кольцо подшипника, которое подверглось усталостному изнашиванию. 8 Рисунок 3 – Внутреннее кольцо подшипника [2. Классификация износостойких материалов // https://lektsii.org/10-49700.html Подшипниковая сталь. Подшипники качения работают при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС, ШХ20ГС. Прокаливаемость стали увеличивается по мере увеличения хрома в стали. Применяют - Сталь ШХ15-Ш с электрошлаковым переплавом для высокоточных приборных подшипников, детали которых требуют тщательного полирования с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения. Сталь ШХ4 для роликовых подшипников железнодорожного транспорта, после закалки с индукционным нагревом с глубиной прокаливаемости до 2 – 3 мм и вязкой сердцевиной. Сталь 12ХН3А, 12Х2Н4А для крупно габаритных роликовых подшипников (диаметром до 2м). Сталь 95Х18 для подшипников, работающих в агрессивных средах. Стали для зубчатых колёс. Основное требование – контактная выносливость, кроме этого сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Выбор стали и метода упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, требований технологии и имеющегося оборудования. [1. 9 Учебник производства // Материаловедение // Моряков О.С. http://sinref.ru/000_uchebniki/04400proizvodstvo/005_01_mateialoveden_mora kov/016.htm 2.1.3. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузках Трение с высокими давлениями и ударным нагружением характерно для работы траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. На рисунке 4 изображен ковш экскаватора, который изношен в условиях больших нагрузках. Их изготовляют из высокомарганцовистых аустенитной стали 110Г13Л. Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьём (буква Л в марке стали) или ковкой. Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному упрочнению (наклёпу). Рисунок 4 - ковш экскаватора [4. Стали с высокой технологической свариваемостью // https://studopedia.su/15_72279_stali-s-visokoytehnologicheskoy-svarivaemostyu.html] 10 Изнашивание, связанное с ударным нагружением поверхности, наблюдается также при кавитации, которое возникает при работе гребных винтов, лопастей гидротурбин, цилиндров гидронасосов. Кавитационное изнашивание создают струи жидкости в момент захлопывания пузырьков газа или воздуха (микроудары). В качестве кавитационно-стойких сталей применяют 08Х18Н10Т, 30Х10Г10 и др. При ударном воздействии аустенит этих сталей испытывает наклёп и частичное мартенситное превращение, на развитие которых расходуется энергия удара. Упрочнение поверхности стали в условиях эксплуатации затрудняет образования трещин усталости. [4. Стали с высокой технологической свариваемостью // https://studopedia.su/15_72279_stali-s-visokoy-tehnologicheskoysvarivaemostyu.html] 2.2. Антифрикционные материалы Основное служебное свойство подшипникового материала – антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность – способность материала обеспечивать: а) низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и б) малую скорость изнашивания сопряжённой детали – стального или чугунного вала. [4. Стали с высокой технологической свариваемостью // https://studopedia.su/15_72279_stali-s-visokoy-tehnologicheskoysvarivaemostyu.html 2.2.1. Металлические материалы Металлические материалы по своей структуре подразделяют на два типа: 1. Сплавы с мягкой матрицей и твёрдыми включениями. 2. Сплавы с твёрдой матрицей и мягкими включениями. 11 По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. Лучшими свойствами обладают оловянистые баббиты, но из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т.п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов состоит из твёрдого раствора сурьмы (Sn) в олове (Sb), мягкая фаза и твёрдых включений SnSb и Cu3Sn. Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовые бронзы. БрО10Ф1, БрО10Ц2, и БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3 и др. К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза с 30% РЬ (ГОСТ 493-79) и алюминиевые сплавы. [3. Материаловедение // Курс лекций Учебник – Металлургия // Александров В.М. -2010 год // http://sinref.ru/000_uchebniki/03400metalurg/013_materialovedenie_aleksandro v_2010/037.htm] 2.2.2. Неметаллические материалы. Пластмассы – термореактивные (текстолит) и термопластичные (полимеры). Текстолит – тяжёлый режим работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой. Применяют: подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Полимеры – наиболее широко применяют полиамиды: ПС10, анид, капрон, фторопласт (Ф4, Ф40). Низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость. Работают при небольших нагрузках и плохо отводит тепло. [4. Стали с высокой технологической свариваемостью // https://studopedia.su/15_72279_stali-s-visokoy- tehnologicheskoy-svarivaemostyu.html] 12 2.3. Фрикционные материалы. Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающий крутящий момент. Они работают в тяжёлых условиях изнашивания – при высоких давлениях (до 6МПа), скоростях скольжения (до 40м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000оС. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь: Высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения. Минимальный износ. Высокие теплопроводность и теплостойкость. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например, дискам трения. На рисунке 6 изображены тормозные колодки, из фрикционного материала. В свою очередь, они разделяются на металлические и неметаллические материалы. Неметаллические материалы – применяют при лёгких (Т = 200оС, p = 0,8МПа) и средних (Т= 400оС, p = 1,5МПа) режимах трения. Состав – асбест, связующие смола, каучук и специальные добавки, а также металлы в виде стружки медь, алюминий, свинец и т.д. ФК-24А, ФК-16Л. Недостатки – невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение. Металлические спечённые материалы – применяют при тяжёлых режимах трения (Т = 1200оС, p = 6МПа). Их производят на основе железа ФМК-8, ФМК-11 и меди МК-5. [2. Классификация износостойких материалов // https://lektsii.org/10-49700.html] Статистический анализ патентной и научной технической информации по теме «Износостойкие материалы» 13 3.1. Поиск и анализ информации на научной электронной библиотеке eLIBRARY.ru. В поисковой системе Google нашел сайт eLIBRARY.ru. В поиске библиотечной информации написал «Жаропрочные материалы», указал годы публикаций с 2010 года по 2020 год и нажал на поиск. Общее количество информации за последние 10 лет было найдено 91 публикаций. Нашел количество публикаций за каждый год с 2010 год по 2020 год. Сделал таблицу (Таблица 1) и график (Рисунок 5). 3.2. Поиск и анализ информации в Федеральном институте промышленной собственности (ФИПС) В поисковой системе Google нашел сайт ФИПС. Выбрал «Изобретения и полезные модели», навел мышкой на окно «Поиск» и выбрал «Поисковая система», перешел к поиску, выбрал «Патентные документы РФ (рус.)» и галочкой отметил «Рефераты российский изобретений» и перешел к поиску. В окошке «Основная область запроса» написал тему своего реферата, затем в окошке «Опубликовано» выбрал дату (2010.01.01-2020.12.31), нажал на поиск, общее количество информации за последние 10 лет было найдено 226. Сделал таблицу (Таблица 2) и график (Рисунок 6). Год 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Кол-во публикаций, шт. 44 39 48 36 31 67 41 45 64 53 10 14 80 70 количество публикаций, шт. 60 50 40 30 20 10 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 год Рисунок 6 — Общее количество патентов по теме «Износостойкие материалы» с 2010 года по 2020 год. Вывод: Исходя из вышеперечисленных данных, можно сделать вывод, что данная тема в России молодая и требует дальнейшего развития. Пик развития темы был в 2015 и в период с 2018 по 2019 год. Количество патентов колебалось каждый год, кроме периодов с 2014 по 2015 год, и с 2019 по 2020 год. 15 Выводы В ⅩⅪ человечество не может обойтись без автоматизированных машин. И проблема износостойкости деталей машин остается актуальной и по сей день. Это важно, как и с технической точки зрения, так и с экономической, ведь куда дешевле проводить профилактические меры по защите материалов, чем заменять целые детали машин. Из проделанного анализа можно сделать вывод, что изностойкие материалы находят применение во многих направлениях машиностроения. В настоящее время потребность в более совершенных износостойких материалах растёт, и будет расти в будущем. 16 Список литературы 1. Учебник производства // Материаловедение // Моряков О.С. http://sinref.ru/000_uchebniki/04400proizvodstvo/005_01_mateialoveden_mora kov/016.htm (дата обращения 18.11.2020) 2. Классификация износостойких материалов // https://lektsii.org/1049700.html (дата обращения 18.11.2020) 3. Учебник – Металлургия // Материаловедение // Курс лекций Александров В.М. -2010 год // http://sinref.ru/000_uchebniki/03400metalurg/013_materialovedenie_aleksandro v_2010/037.htm (дата обращения 18.11.2020) 4. Стали с высокой технологической свариваемостью // https://studopedia.su/15_72279_stali-s-visokoy-tehnologicheskoysvarivaemostyu.html (дата обращения 18.11.2020) 17
