MODULUL 8

OBIECTIVE

Obiectivele capitolului constau în prezentarea generală a proceselor de frecare generatoare de uzare.

Sunt prezentate proprietăţile principale, structura şi organizarea internă, domeniile de utilizare ale materialelor rezistente la uzare.

8. MATERIALE REZISTENTE LA UZARE

Majoritatea pieselor de maşini cu rol funcţional deosebit sunt scoase din uz datorită uzării suprafeţelor de contact aflate în mişcare relativă (în frecare). Frecarea este un fenomen complex care are drept consecinţe atât procesul termic cu pierdere de energie (căldură), cât şi procesul uzării. Cele mai frecvente cazuri de frecare se întâlnesc sub următoarele aspecte:

a) între două suprafeţe metalice: − prin alunecare - uscată (discurile de fricţiune ale cuplajelor, frânelor etc.); - lubrificată (fusurile arborilor şi osiilor în cuzineţi etc.); − prin rostogolire - uscată (roţi pe cale de rulare etc.); - lubrificată (rulmenţi, roţi dinţate etc.);

b) între o suprafaţă metalică şi alta nemetalică: − prin alunecare - uscată (organe de lucru ale maşinilor de prelucrat solul); - umedă (transportoare elicoidale pentru materiale umede); − prin rostogolire - uscată (concasoare cu fălci, cu valţuri etc.); - umedă (mori cu bile, cu ciocane etc.);

c) între suprafeţe metalice şi diferite fluide: − cu gaze uscate (turbine cu gaze de ardere) sau umede (turbine cu aburi); − cu lichide (pompe, turbine hidraulice etc.).

După rolul funcţional al cuplei, frecarea dintre elementele ei poate fi privită ca: - dăunătoare, datorită încălzirii şi uzării care conduc la deteriorarea şi, în final, la scoaterea

din uz a reperelor subansamblului de frecare (la lagăre, angrenaje, cuple piston-cilindru), sau datorită întreţinerii unor vibraţii (mişcarea sacadată ce apare la ghidajele maşinilor-unelte);

- utilă, deşi este însoţită, de asemenea, de încălzire, uzare şi vibraţii (la cuplaje, frâne, îmbinări cu pene, variatoare şi prese cu fricţiune etc.). 8.1. Materiale rezistente la uzare La alegerea unui material urmând a fi exploatat în condiţii de uzare, trebuie să fie îndeplinite următoarele condiţii esenţiale:

comportare bună la frecare, fără predispoziţie la gripare sau alte forme de uzare distructivă, bună conductivitate termică, rezistenţă la uzare şi la efecte termice, modul de elasticitate redus, valori corespunzătoare ale coeficientului de frecare, preţ de cost acceptabil etc.

a.) Oţeluri rezistente la uzare Oţelurile carbon de construcţie cu C ≤ 0,4 % sunt utilizabile (mai ales din considerente economice) - dar numai în cazul unor solicitări reduse. Oţelurile carbon cu 0,4…0,6 % C posedă - alături de bună rezistenţă şi tenacitate - o comportare superioară şi la uzare.

La frecarea - uzarea în condiţii mai severe, bune rezultate dau oţelurile cu până la 1…1,3 % C. Rezistenţa la uzare a oţelurilor poate fi substanţial îmbunătăţită prin:

tratamente termice sau termochimice: călirea superficială (cu flacără de gaz, prin inducţie sau scufundare în băi de săruri), cementare, nitrurare (cianurare, carbonitrurare) şi unele metalizări prin difuzie (cromizare, silicizare, borizare).

prezenţa adaosurilor de aliere, îndeosebi a manganului, siliciului şi cromului. Utilizări: matriţe şi poansoane, saboţi, căi de rulare, maşinilor miniere şi terasiere etc. b.) Fonte rezistente la uzare Fontele sunt, în general, materiale mai favorabile pentru suprafeţe de frecare decât oţelurile, datorită atât prezenţei grafitului (lamelar sau globular), cât şi structurii lor neomogene. Ca atare, ele sunt corespunzătoare pentru cuple de frecare greu solicitate. Dintre fontele cenuşii, cea mai bună comportare la uzare o au cele cu masa de bază perlitică lamelară. Comportarea la uzare a fontelor este influenţată substanţial de prezenţa elementelor însoţitoare sau de aliere. c.) Aliaje dure rezistente la uzare Aliajele dure sinterizate, conţinând o cantitate mare de carburi (WC, TiC, TaC) pe lângă lianţii metalici (din grupa fierului, de obicei Co) - în general larg utilizate pentru scule aşchietoare, îşi găsesc întrebuinţare şi pentru o serie de repere cărora li se pretinde rezistenţă la uzare (spre exemplu la sarcini dinamice, prin şoc sau oscilante). De asemenea utilizate, şi în acelaşi timp mai ieftine, sunt materialele (sinterizate) compuse, de tip Fero-Titanit, conţinând până la 50 % în volum carburi într-o matrice din oţel. d.) Materiale pentru acoperiri rezistente la uzare Îmbunătăţirea comportării la uzare prin acoperire cu straturi antiuzare, depuse prin galvanotehnie, prin sudare de încărcare sau prin metalizare prin pulverizare este indicată a se realiza când este necesară protejarea suplimentară contra unei uzări intensive a materialelor. Materiale de depunere: Cr, Ni, oţeluri cu C (0,4…0,8 %), aliaje Ni-Cr-B-Si etc. 8.2. Materiale antifricţiune Pentru asigurarea unei funcţionări corespunzătoare şi durabilităţii cuplelor de alunecare în frecare (lagăre şi cuzineţi – figura 8.5), materialele pentru astfel de aplicaţii trebuie să posede:

un coeficient de frecare cât mai mic, tendinţă redusă spre gripare, rezistenţă cât mai ridicată la uzare, conformabilitate (deformabilitate plastică), capacitate mare de rodare, rezistenţă suficientă (la compresiune, oboseală), duritate, stabilitate la coroziune provocată de uleiuri, conductivitate termică (pentru disiparea căldurii produse de frecare).

În general însă materialele antifricţiune pentru diferite cuple de frecare de alunecare corespund funcţional dacă au structuri eterogene (formate din mai mulţi constituenţi cu proprietăţi diferite):

fază moale, cu funcţie antigripantă; fază dură.

Astfel, sintetic, din punct de vedere al structurii lor, aliajele antifricţiune pot fi ( figura 8.1.): a) cu matrice moale şi incluziuni dure (aliaje "albe" de Sn şi Pb); b) cu matrice (semi)dură şi incluziuni moi (aliaje de Cu şi de Al);

c) (cvasi)eutectice.

Fig.8.1. Reprezentarea schematică a structurii portante

a materialelor metalice antifricţiune

Principalele tipuri de materiale pentru lagăre şi cuzineţi se prezintă în tabelul 8.1. Tabelul 8.1. Materiale antifricţiune

Denumirea materialului

STAS - Marca

E [GPa]

HB

la max. 20/100oC

α la 20-100oC [103mm/m.gra

d]

λ [W/ grd] T (limită) [oC]

(Pm) static

(Pm) dinamic

[MPa]

V [m/ s]

VmPm [Mpa.m/ s]

Fonte Fonte cu grafit nodular antifricţiune STAS 6707-79 Fgn A1 Fgn A2

160…180

260/ 200 190/ 140

9…11

40…47

300

12,5/ 5 8,5/ 5

1…5

12

Fonte maleabile antifricţiune STAS 6707-79 Fm A1 Fm A2

160…180

217/ 180 197/ 150

9…11

47…58

300

12/ 5 12/ 5

1…5

12

Aliaje pe bază de Cu, Pb, Sn, Al (bronzuri)

Aliaj Cu-Zn STAS 95-80 CuZn38Pb2Mn2

105

90/ 83

19…20

52

250

24…38

19

10

15

Aliaj Cu-Al STAS 198/2-81 CuAl9Fe3T CuAl10Fe3T

110

100/ 95

18…19

76

250

27…48

22

4

4

Aliaj Cu-Sn STAS 197/2-1976 CuSn14; CuSn10Zn2; CuSn9Zn5 etc.

112

60/ 55

17,5…18,4

37

250

31…50

25

10

15

Aliaj Cu-Pb STAS 1512-80 CuPb25 CuPb10Sn10 etc

75…80

32/ 20 70/ 65

18…19,2

76/ 52

230…240

20…35

15…22

8

10

Aliaje pe bază de Sn, Pb, Al Compoziţie de lagăr pe bază de Sn STAS 202-80 a) Y - Sn 83 b) Y - Sn 80 c) Y - Sn 89

50

24 ...28/10

20,5…22

47

100

18…28

15

60

15

Compoziţie de lagăr pe bază de Pb STAS 202-80 a) Y - PbSn 10 b) Y - PbSn6Sb6 c) Y - PbSn6Cd d) Y - PbSn5 e) Y - Pb98

30

16…38/ 14…22

23…25

24

100

15,5…20

10…12

6…12

8…12

Compoziţie de lagăr pe bază de Al STAS 202-80 Y - AlSb5

70

28 …45/ 25…36

20…24

150

200

20…30

15

4 6

Materiale sinterizate Sinterizate pe bază de Cu Cu - Sn Cu - Pb - Sn

24

35…38/ 28…30

15…16

40

60

12…24

6

2

4

Sinterizate pe bază de Fe Fe - C (grafit) Fe - Cu

45

25…40/ 20…32

12…13

35

60

12…24

6

3

5

Materiale nemetalice Politetrafloretilenă (PTFE, teflon)

0,35...0,63 şi 1,2 armat)

5…6/ 2…3

100…250

0,25…0,45

100

≤ 4

0,5…1

≤ 5

≤ 6

Poliamidă (de joasă presiune)

0,7…1,2

7…12

120…150

0,31…0,51

60

10

6

1…2

6

Textolit 40

20

14…35

0,3…0,35

90

6…13

5…8

1…5

15

Grafit 9…21

1,5…1,8

2,4…6,6

8…10

100…450

≤ 5

≤ 3,5

≤ 1

< 1

8.3. Materiale de fricţiune Creşterea continuă a vitezelor şi a forţelor impun cerinţe tot mai ridicate faţă de eficacitatea şi siguranţa în exploatare ale sistemelor de frânare şi de transmisie (cuplare) şi implicit, faţă de materialele de fricţiune (lucrând în general în regim uscat) care le echipează. Materialele de fricţiune trebuie să posede:

coeficient de frecare suficient de mare, uzare cât mai redusă stabilitatea acestor caracteristici în timp, la variaţii în limite cât mai largi ale încărcării şi

implicit temperaturii. Aliajele metalice compacte (fonte, oţeluri şi foarte rar, neferoase) sunt limitat utilizabile ca materiale de fricţiune, coeficientul lor de frecare scăzând accentuat (figura 8.2.), iar uzarea intensificându-se odată cu creşterea temperaturilor de lucru.

Fig.8.2. Variaţia cu temperatura a coeficientului de frecare al fontei cenuşii pe oţel

a.) Fonte de fricţiune Sunt mai rar utilizate (saboţii de frânare ai vehiculelor de cale ferată, tamburii de frânare ai autovehiculelor). b.) Materiale de fricţiune sinterizate Materialele de fricţiune sinterizate pe bază de fier sunt indicate în cazul unor încărcări mari pentru cuple funcţionând în regim de frecare uscată. Ele sunt substanţial mai ieftine

comparativ cu cele pe bază de bronz, au o rezistenţă superioară la uzare şi o stabilitate mai ridicată la temperaturi înalte (până la 800…1100oCC), fiind confecţionate sub formă de garnituri (fig.8.3). Utilizări: cuplajele şi frânele utilajelor terasiere, macaralelor, utilajelor agricole, frânele roţilor de avion, cuplajele şi frânele maşinilor - unelte, ale maşinilor de prelucrare a hârtiei etc. Materialele de fricţiune sinterizate pe bază de bronz, comparativ cu cele pe bază de Fe, au o conductivitate termică superioară, proprietăţi mecanice (inclusiv duritate) mai scăzute, care însă provoacă o uzare mai redusă a suprafeţelor conjugate, chiar şi la încărcări mai mari. Ele şi-au găsit utilizare corespunzătoare la cuplajele care - lucrând fie uscat, fie în ulei - dezvoltă cantităţi mari de căldură ce trebuie rapid disipate. Utilizarea largă a acestor materiale pentru cuplaje cu ulei se extinde la maşini-unelte, maşini de prelucrare neaşchietoare, cuplaje automate pentru autovehicule, vehicule speciale, tractoare, nave, excavatoare etc. Materiale de fricţiune cermetice au un conţinut mare, peste 50 % în volum, de componenţi nemetalici (ceramici, ca oxizi -SiO2, Al2O3, silicaţi) şi liant metalic (Fe, Ni, aliaje de Cu), conţinând deseori şi alte adaosuri ca metale cu punct de fuziune scăzut, sulfaţi, sulfuri, carburi, grafit. Acestea au refractaritate ridicată şi o bună rezistenţă la uzare. Coeficientul de frecare este cuprins între 0,3…0,7 putând suporta temperaturi de lucru până la 1000 oC şi chiar mai mult. Cermeţii sunt fragili şi din acest motiv se folosesc sub formă de pastile presate în cupe metalice, acestea fiind apoi nituite pe materialul suport (fig.8.4). Ei se utilizează în construcţia cuplajelor şi frânelor foarte puternic încărcate şi care, din motive constructive, trebuie să aibă gabarit şi greutate reduse (spre exemplu frânele trenurilor de aterizare ale avioanelor).

Fig.8.3. Forme de garnituri pt. cuplaje Fig.8.4. Pastile cermetice pt. cuplaje

Fig.8.5. Produse din materiale antifricţiune