Selectia materialelor pentru elemente de constructie solicitate tribologic

Materiale metalice

Contactul dintre doua suprafete aflate intr-o miscare relativa caracterizeaza o solicitare tribologica materializata printr-o pierdere de energie prin frecare si o pierdere de material prin uzare.

Intregul proces se desfasoara intr-un strat subtire de material ale carui proprietati impreuna cu actiunea mediului inconjurator definesc comportarea tribologica.

Factorii principali care influenteaza uzarea sunt:

factori legati de material - compozitia chimica, structura microscopica, tenacitatea, duritatea, etc.;

conditiile de exploatare - temperatura, viteza, presiunea, rugozitatea suprafetei;

alti factori - lubrifierea, coroziunea.

Probabil ca cea mai importanta metoda de reducere a uzarii este lubrifierea. Prin lubrifiere se reduce puterea necesara invingerii frecarii si se asigura o protectie a suprafetelor de contact. Alte metode utilizate includ alierea suprafetei, calirea de suprafata si tehnica acoperirii cu materiale dure.

Grupele de oteluri selectate pentru piese solicitate tribologic, prezentate in ordinea cresterii costului total, sunt:

oteluri cu continut redus in carbon;

oteluri cu continut ridicat in carbon;

oteluri carbon si slab aliate calite in zona de suprafata ;

oteluri aliate cu Cr-Al-Mo pentru nitrurare;

oteluri inalt aliate cu elemente care formeaza carburi;

oteluri inoxidabile si refractare durificabile prin precipitare;

oteluri speciale produse prin metalurgia pulberilor sau prin aliere mecanica.

Otelurile austenitice manganoase combina bunele caracteristici de ductilitate si tenacitate cu o inalta calibilitate de lucru, oferind o mare rezistenta la uzare prin abraziune. Comparativ cu cele mai multe aliaje feroase rezistente la uzare abraziva, otelurile manganoase au o tenacitate superioara la un pret de cost moderat. Totusi ele sunt mai putin rezistente la abraziune decat fontele albe martensitice cu continut ridicat in carbon, in schimb sunt mult mai rezistente decat fontele si otelurile cu structura perlitica.

Fontele cenusii au o rezistenta potrivita la uzare pentru aplicatii cum sunt elementele de ghidare ale strungurilor si alte componente de masini aflate in miscare de alunecare. Aplicarea unor tratamente termochimice sau a calirilor superficiale favorizeaza cresterea puternica a rezistentei la uzare a pieselor componente ale motoarelor termice (camasi de cilindri, arbori cotiti, arbori cu came, etc.)

Aliajele dure pentru acoperiri de suprafata au o rezistenta la uzare si un pret de cost care cresc continutul in elemente de aliere. Materialele feroase slab aliate au cea mai mare rezistenta la soc (exceptie facand otelurile austenitice manganoase) dintre toate aliajele dure si o mai buna rezistenta la uzare decat otelurile cu continut scazut sau mediu in carbon. Materialele feroase inalt aliate sunt mult mai rezistente la uzare, mai putin rezistente la socuri si mult mai scumpe decat cele cu un grad de aliere mai scazut.Aliajele cu baza de nichel si de cobalt au o buna rezistenta la uzare, coroziune si la cald. Unele aliaje cu baza de cobalt isi pastreaza duritatea pana la 815sC iar cele cu baza de nichel, pana la 650sC. Materialele cu carburi dispuse in diverse matrici metalice sunt destinate aplicatiilor cu rezistenta deosebita la uzare abraziva si pentru scule taietoare; tenacitatea lor este slaba sau moderata

Aliajele neferoase: Bronzurile cu aluminiu (cu o lubrifiere potrivita) sunt recomandate pentru aplicatii care implica sarcini mari si viteze mici pana la moderate. Rezistenta la abraziune este in general superioara altor aliaje cu baza de cupru. Bronzurile cu beriliu sunt printre cele mai dure si rezistente aliaje cu baza de cupru. O lubrifiere corespunzatoare le asigura o rezistenta la uzare mai buna decat a altor aliaje de cupru si a multor aliaje feroase. Proprietatile de uzare sunt mai bune la aliajele Cu-Be turnate in piese decat la cele deformabile.

Materiale ceramice

Comportarea la uzare a ceramicelor este determinata de fortele de legatura dezvoltate intre cele doua materiale indiferent daca unul dintre ele este un alt ceramic sau un alt metal. Asemanator metalelor, ceramicele sunt caracterizate de puternice legaturi interatomice. Dar in timp ce materialele metalice pot fi deformate plastic, ceramicele sunt fragile, ruperea lor nefiind insotita de o curgere plastica. Exista insa cel putin o exceptie: la anumite ceramice, pe interfata dintre cele doua suprafete aflate in contact sub sarcina si in miscare relativa s-a observat o curgere plastica. Spre deosebire de metale, in momentul depasirii limitei elastice se poate produce ruperea grosolana si curgerea plastica a acestor ceramice. In conditiile unei miscari tangentiale fortele care provoaca ruperea fragila sunt mai mici decat cele specifice unei solicitari normale.

Prezenta apei si a unor pelicule organice active pe suprafata pieselor din materiale ceramice poate afecta adeziunea, frecarea si uzarea ca urmare a schimbarii cantitative a deformatiei plastice in timpul miscarii de alunecare. Zirconia stabilzata partial a aratat o uzura crescuta in medii apoase si un coeficient ridicat de frecare. Anumiti lubrefianti, ca de exemplu acizii grasi diminueaza coeficientul de frecare.

La ceramicele oxidice, caracteristicle de adeziune si de frecare sunt anizotrope, cel mai scazut coeficient de frecare fiind observat cand miscarea de alunecare se produce de-a lungul planului si directiei de alunecare.

Ceramicele neoxidice, ca de exemplu carbura de siliciu, sunt similare oxizilor in privinta comportarii la uzare. In conditii adezive si abrazive atat frecarea cat si uzarea sunt anizotrope. Prezenta adsorbantilor la suprafata joaca un rol semnificativ in privinta micsorarii uzarii. Ridicarea temperaturii conduce insa la indepartarea adsorbantilor si ca urmare coeficientul de frecare va creste. Totodata, la temperaturi mai inalte se poate declansa grafitizarea suprafetei materialelor cu carburi si in consecinta frecarea se micsoreaza rapid; materialul isi produce singur un film de lubrefiant.

Polimeri si compozite

Indicatorii de apreciere a rezistentei la uzare a polimerilor si compozitelor sunt: coeficientul de frecare, viteza de uzare (pierderile volumetrice/unitatea de timp) si valoarea limita PV (presiune - viteza). In general, un coeficient scazut de frecare arata o buna rezistenta la uzare. In realitate, raportul dintre forta de frecare si forta normala aplicata celor doua materiale in contact, coeficientul de frecare, indica usurinta cu care un material aluneca pe celalalt. Coeficientul static de frecare se refera la forta de frecare necesara pentru initierea miscarii, iar coeficientul dinamic, la forta necesara mentinerii miscarii.

La materialele metalice coeficientul de frecare este independent de suprafata de contact, de viteza si de temperatura pana la cca.200sC. La polimeri, caracteristicile de frecare depind de sarcina aplicata, de viteza, temperatura, mediul inconjurator, etc.

Factorul de uzare K, se calculeaza cu relatia:

,

in care W reprezinta volumul uzurii, L este sarcina aplicata, v - viteza, t - timpul de incercare.

O serie de termoplaste cum sunt poliimidele, polietilena de inalta densitate, nylonul, acetalii, au coeficienti scazuti de frecare (tabelul 1.8) utilizandu-se in stare nemodificata pentru piese solicitate tribologic. Pentru obtinerea unor performante superioare sau pentru reducerea pretului de cost, in termoplaste se adauga aditivi rezistenti la uzare si/sau fibre (tabelul1.8).

Printre lubrefiantii interni se exemplifica pulberea de grafit, disulfura de molibden, PTFE (politetrafluoretilena) si siliciul; cresterea rezistentei la uzare se poate obtine prin adaosul fibrelor de carbon, Kevlar, sticla si PTFE sau a unei combinatii de aditivi sau fibre (tabelul 1.8).

Tabelul 1.8 Indicatorii de uzare ai polimerilor si compozitelor