и повышение температуры до 80° С. Однако после остановки, охлаждения образцов и дополнительной смазки величина коэффициента трения уменьшалась до 0,04-0,06, его значение сохранялось при увеличении нагрузки до 50 кгс/см*. Было установлено, что приработкой при малом удельном давлении можно снять верхний слой на металле, не вызывая его интенсивного разогрева, и после дополнительной смазки коэффициент трения снижается от 0,4 до 0,04-0,06. В этих условиях износ уменьшался в -30 раз по сравнению со смазкой минеральным маслом.

Для проверки характера взаимодействия хлорпарафина с поверхностью титана нами были проведены пробные опыты, имеющие в основном методическое значение для установления эффективности смазки на титане. Образцы титана, предварительно облученные в реакторе, после очистки покрывались смазками и через один час выдержки смазка удалялась ватой с поверхности титана. Вата со стертой смазкой исследовалась на радиоактивность. В случае, если адсорбция смазки носит физический характер, радиоактивный металл в смазку перейти не может. Если же адсорбция химическая, то частицы радиоактивного металла могут образовывать соответствующие соединения (металлические мыла, хлориды, фториды и т. п.). После обтирки ватой образцов без смазки и смазанных минеральным маслом не было обнаружено на ней следов радиоактивности. При обтирке образцов, смазанных хлор-парафином (смазкой Т-4ХЖ, разработанной В. П. Дубинкиным с соавторами) была обнаружена радиактивность смазки и установлено образование ею с титаном химического соединения. При дальнейшем развитии такого метода исследования могут быть разработаны количественные зависимости и подобраны смазки, эффективные для титана.

На титане, как уже отмечалось выше, обладающем низкой адгезионной способностью поверхности, твердые смазки, разработанные ВНИИНП, оказались практически неработоспособными [15, 80]. Только нанесение промеужуточных слоев молибдена (напыление) и никеля (химическим путем) позволило повысить, по словам авторов, долговечность твердосмазочного покрытия (смазки ВНИИНП-214 и ВНИИНП-230) до уровня его долговечности на стальной поверхности, кстати, тоже обеспечивающей только нескблькочасовую работу узла трения.

Таким образом, следует считать, что вопрос разработки эффективных смазок для титана, обеспечивающих значительное повышение сопротивления схватыванию и снижение коэффициента трения и износа в реальных узлах трения, несмотря на ряд положительных результатов, требует еще своего разрешения, так как ни одна из описанных выше смазок не может гарантировать отсутствие схватывания в узле, выполненном из титана без поверхностной упрочняющей обработики.

Антифрикционные свойства неупрочненного титана в паре с другими материалами. До сих пор не было найдено материала,

удовлетворительно работающего в паре с неупрочненным титаном [128]. Исследования показывают, что титан и его сплавы при работе с другими металлами либо переносятся (налипают) на поверхность более твердого металла, после чего трение протекает как в паре титан-титан, либо на поверхность титана происходит перенос более мягкого металла и трение протекает как в одноименной паре из мягкого металла. В таких парах наблюдается и взаимный перенос.

При трении титана в паре с неметаллами (пластмассами, углеграфитами) частицы износа титана внедряются в поверхность детали из неметалла, после чего титан начинает интенсивно изнашиваться и в результате обратного переноса частиц износа и образования наростов интенсивно изнашивается антифрикционный материал. Рассмотрим более подробно поведение титана в трех описанных выше случаях. К первому типичному случаю можно отнести пары трения титан-сталь, второму - титан-цветные металлы и к третьему - титан-неметаллические материалы.

Трение титанового сплава марки ВТ 14 по закаленной {HRC 45-50) стали ЗОХГСА как без смазки, так и со смазкой минеральным маслом протекает аналогично описанному выше для пары титан-титан. Интенсивность износа титана в этом случае обычно пропорциональна давлению, коэффициент трения достигает значений, близких к его значениям при трении титана по титану. Износ в масле в несколько раз выше, чем на воздухе; соответственно и микротвердость поверхности титана оказывается выше при трении на воздухе, чем в масле. Интенсивность износа стальных роликов была в -30 раз ниже, чем у титановых образцов (букс-колодочек) из сплава марки ВТ14. Трение носит характер схватывания. Разрыв упрочненных деформацией и газонасыщением мостиков сварки происходит в глубине поверхности титановых образцов; в результате поверхность стального контртела оказывается покрытой частицами налипшего сплава титана.

Различие в природе трения в паре титан-сталь на воздухе и в минеральном масле можно, по-видимому, также объяснить различием в газонасыщении трущейся поверхности в этих средах. Особенно заметно это сказывается при повышении скорости трения на воздухе. В этом случае температура на расстоянии 1-1,5 мм от поверхности возрастает от 80° С при скорости 0,2 м/с до 900° С при скорости 3,8 м/с и удельном давлении 10 кгс/см*.

При сухом трении цветных сплавов по титану схватывание, приводившее к заклиниванию в реальных узлах, наблюдалось при нагрузках от 20 до 60 кгс/см* в зависимости от скорости трения, типа узла и марки цветного сплава. Коэффициент трения находится в пределах 0,2-0,5. Наибольшей работоспособностью с титаном обладают высокооловянные бронзы. Как и в случае однородной пары трения из титана интенсивность износа бронзы по сплаву марки ВТ5 в 3%-ном растворе NaCl в 3-4 раза ниже, чем в минеральном масле (рис. 94). Интенсивность износа бронзы

Jh-10

28 24 20 IS 12 8 Ч

растет с нагрузкой почти линейно до некоторого критического давления , величина которого зависит от вида смазки н марок материала пары. При превышении этого давления интенсивность износа резко возрастает, что указывает на изменение вида фрикционной связи и на переход от одного вида связи к другому [41 ]. Для пары ВТ5-БрОЦ8-4 qp равно 200 кгс/см при трении в воде и 80 кгс/см при трении в веретенном масле. Для пары ВТЗ-1 - БрОЦ10-2 равно 100 кгс/см. Трение до достижения критического давления сопровождается схватыванием и взаимным переносом с одновременным ухудшением шероховатости поверхности при увеличении нагрузки.

После достижения критического давления поверхность титана почти полностью покрывается бронзой, трение протекает как в одноименной паре из наклепанной бронзы и сопровождается вырывами крупных частиц бронзы вместе с частицами титана. Интенсивность износа титана уменьшается (кривая 4), благодаря сильному намазыванию бронзы. В минеральном масле намазывание бронзы еще интенсивнее, что можно связать с влиянием меньшего, чем в 3%-ном растворе NaCl, насыщения поверхности титана кислородом.

Сравнительные испытания трения оловянной бронзы по нормализованной стали 45 (кривая 8) в воде показали, что интенсивность износа бронзы в этом случае после достижения критической нагрузки 200 кгс/см примерно на один порядок ниже, чем при трении по сплаву ВТ5. Бронза при трении переносится на сталь так же, как и при трении по титану, однако интенсивность ее переноса значительно меньше. Изменение шероховатости поверхности стальных образцов (с 7-8 до 5-8 классов) также меньше, чем у титановых; она становится менее однородной из-за образования кольцевых рисок и отдельных участков вырывов, объем которых заполнен перенесенной бронзой. Коэффициент трения возрастает при увеличении продолжительности испытаний, незначительно снижаясь с увеличением нагрузки, и находится в пределах 0,22-0,4.

При испытаниях различных неметаллических материалов: углеграфитовых, текстолита, полиамидов, фторопласта-4, интенсивный износ наблюдается даже при низких нагрузках в начале испытаний либо после прохождения небольших участков пути

50 100150 200230 300350т д,кгс/см

Рис. 94. Зависимость интенсивности износа бронзы (/-3, 8), сплава ВТЗ-1 (4) и коэффициента трения (5-7) от нагрузки, v = 0,2 м/с:

/, 2, S.6 - ВТ5 - Бр0Ц8-4; 3, 4, 7- ВТЗ-1 - БрОЦ10-2; 8 - сталь 45 - ВрОФ10-1, смазка водой с 3% NaCl - /, 3-5, 7, 8; смазка минеральным маслом - 2, б

трения. Для отдельных материалов в табл. 51 приводятся характерные результаты испытаний. Следует учитывать, что в процессе испытаний фторопласта-4 при нагрузках выше 10 кгс/см наблюдалась повышенная деформация образцов (хладотекучесть), что ограничивает его применение при этой нагрузке. Предельная нагрузка для полиамидов, по данным работы [70], составляла 15 кгс/см при сухом трении и смазке 3%-ным водным раствором NaCl и 50 кгс/см при смазке маслом. Влияние добавок графита или талька в полиамиды на уменьшение износа больше всего сказывается при сухом трении, при котором износ полиамидов весьма велик из-за быстрого повреждения поверхностей трения. По этим же причинам коэффициент трения весьма нестабилен.

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что неупрочненный титан и его сплавы имеют низкие природные антифрикционные свойства и что их применение в реальных узлах трения возможно только при низких параметрах трения.

Таблица 51. Результаты испытаний неметаллических материалов на трение в паре со сплавом ВТ5

13 Б Б Чечулин и др.

2. Общие характеристики трения титановых сплавов в поверхностно-упрочненном состоянии

Существует ряд методов повышения антифрикционных свойств титана. Диффузионное упрочнение поверхностей деталей осуществляется путем насыщения поверхностного слоя кислородом, азотом, бором, углеродом, кремнием и т. п. [6, 7, 35, 55, 881.

Нанесение металлов на поверхность титана возможно гальваническим и химическим способами, а также осаждением из расплавов, паров и т. п. [3, 124, 129].

В последние годы все больше разрабатывается вопрос о наплавках на поверхность твердых сплавов на основе титана или различных видов напыления - плазменного, детонационного и т. п. [124, 130].

Следует отметить, что методы, относящиеся ко второй и третьей группам, существенно уступают предыдущим методам по ряду свойств-прочности сцепления, технологичности, влиянию на изменение размеров деталей и т. п., и поэтому находят меньшее применение, чем методы диффузионного упрочнения, в частности оксидирования. Поэтому нами основное внимание уделено антифрикционным свойствам титана, упрочненного диффузионными методами.

Оценка работоспособности при трении титановых сплавов, подвергнутых различным методам поверхностного упрочнения по опубликованным литературным данным, представляет значительные трудности по следующим основным причинам.

В настоящее время нет единой методики определения антифрикционных свойств материалов, и поэтому их исследования проводятся на различных типах машин, при различных скоростях, удельных давлениях и путях трения, при применении разнообразных смазок и пар трения. Антифрикционные свойства слоев на титане, полученные методами химико-термической обработки, изменяются по мере износа слоя, так как последний имеет пере-менные по глубине физико-механические свойства, в том числе и твердость, изменяющуюся от максимальной на поверхности до твердости исходного материала.

Работоспособность упрочненного или нанесенного слоя (гальванические, химические и напыленные покрытия), как правило, зависит от величины и времени воздействия (числа циклов) знакопеременных напряжений, возникающих при скольжении двух шероховатых поверхностей в точках реального контакта и приводящих в большинстве случаев к усталостному износу слоя или к его выкрашиванию.

По последним двум причинам испытания на работоспособность пар трения с упрочненными слоями должны, по нашему мнению, проводиться до полного износа или разрушения слоя, что позво-

I Авт. свид. № 262619, 300280, 317479.

лит устанавливать ресурс и допустимые условия работы такой пары. Этому условию наиболее полно отвечают испытания с целью определения нагрузки схватывания при ступенчатом относительно кратковременном нагружении пары трения и установления пути трения до наступления схватывания или разрушения упрочненного слоя при различных удельных нагрузках. При сравнительных испытаниях с целью определения нагрузки схватывания,

Суков трение

BoSac3%NaCl

Рис. 95. Нагрузка схватывания и коэффициенты трения сплава BT5 после различной поверхностной обработки:

/ - без обработки: 2,3,4 - оксидирование соответственно прн 800° С - 1 ч; 750* с - 12 ч, 850° С - 5 ч; 5 - азотирование; 6 - химическое никелирование, 7 - гальваническое хромирование, 8 - БрОЦ10-2

проведенных при пяточном трении на воздухе и в воде со скоростью 0,2 м/с трех столбиков диаметром 5 мм по торцевой поверхности кольца, диаметрами 32x52 были получены данные (рис. 95), показывающие, что оксидирование, азотирование, химическое никелирование и гальваническое хромирование сплава ВТ5 в 5-15 раз увеличивает нагрузку схватывания. Однако коэффициент трения для этих сочетаний упрочнения поверхности титана, за исключением химического никелирования, падает всего в 1,5-2 раза. При сухом трении оловянной бронзы марки БрОЦ10-2 по сплаву ВТ5, после всех испытывавшихся методов его поверхностного упрочнения, величина нагрузки схватывания значительно повышается. В воде при трении бронзы по оксидированному титану схватывания не наблюдается при удельных нагрузках