в поверхностных слоях металла. Микротвердость поверхности как среднее значение из 20 -30 измерений при каждой нагрузке или скорости имеет наибольшее значение при трении на воздухе и наименьшее в минеральном масле и в аргоне (рис. 87, б). Одновременно с этим установлено, что максимальное упрочнение поверхности титана происходит еще в процессе приработки или во время первых 25-50 м пути скольжения, что подтверждено измерением микротвердости и рентгенографическими исследо-

ваниями.

3 ю го 30 д, кес/см

10 28 , 30

20 , 30 q, кгс/см

Рис. 87. Зависимость интенсивности износа сплава ВТ5 (а), среднего значения микротвердости поверхности трения (б), коэффициента трения (в) от удельной нагрузки:

/ - иа воздухе без смазки; г - в воде с 3% NaCl, 3 - в минеральном масле; 4 - в аргоне

На рис. 88 представлена зависимость от нагрузки суммарного количества кислорода и азота, а также водорода в продуктах износа при трении в различных средах, а на рис. 89 -те же зависимости, пересчитанные на единицу поверхности трения и отнесенные к одному километру пути. Количественное содержание кислорода в продукатах износа определялось изотопным методом водорода - вакуумным плавлением, азота - химическим анализом. Азот в продуктах износа был обнаружен толькопри трении на воздухе; в 3%-ном растворе NaCl и в масле его содержание сохранялось на уровне исходного количества в металле.

Данные рис. 88 и 89 хорошо согласуются с изменением интенсивности износа от нагрузки и среды (рис. 87, а). При более высоком содержании кислорода и азота износ меньше, а с повышением содержания водорода и уменьшением количества поглощенного кислорода износ увеличивается. Известно, что водород

в титане при содержании выше 0,002% (при комнатной температуре) присутствует в виде гидрида титана. Последний способствует увеличению скорости распространения трещин под действием растягивающих напряжений, возникающих в титане у концов гидридных пластинок за счет большего удельного объема гидрида, чем у титана. Трещины образуются при деформаций на месте пластинок гидридов, которые, как правило, располагаются по границам зерен, плоскостям скольжения и двойникования. При

iOiNz)°/o 15

{OzNz)-10U

Нг-10,г

го 3D

f, K8C/CM

Рис. 88. Массовая доля (%) кислорода и азота {1-3) и водорода {4-6) в продуктах износа в зависимости от удельной нагрузки:

/, 5 - иа воздухе без смазки; 2,4 - в воде, 3, 5 - в масле

q, кго/см

Рис. 89. Массовая доля кислорода и азота t(/-5) и водорода (4-6) в продуктах износа с 1 см поверхности трения на 1 км пути в зависимости от удельной нагрузки:

/, 4 - иа воздухе без смазки, 2,5 - в воде; 3, 6 - в масле

металлографических исследованиях обнаружено, что непосредственно примыкающий к поверхности трения слой, микроструктура которого после испытания в воде показана на рис. 90, претерпевает значительные пластические деформации, характеризуемые появлением большого числа линий скольжения и двойникования. Глубина измененного наклепанного слоя, определенная на поперечных микрошлифах методом микротвердости, составляла: при трении на воздухе и в воде - 30 мкм, а в масле - 20 мкм.

Температура образца на расстоянии 1-1,5 мм от поверхности при трении на воздухе изменялась от 30 до 140° С с увеличением нагрузки. Однако надо учесть, что благодаря низкой теплопроводности титана на микровыступах поверхности может иметь место и более высокая температура, при которой происходит интенсивное взаимодействие титана с окружающей средой. Высокие температуры на поверхности трения (до 800° С) наблюдали Боуден и Тейбор [9] при специальных измерениях методом естественной термопары.

Износ титана в аргоне в несколько раз меньше, чем на воздухе, что, видимо, можно объяснить тем, что в опытах наблюдалось

явление интенсивного взаимного переноса металла с одной трущейся поверхности на другую, и тем, что, несмотря на применявшуюся специальную осушку и очистку аргона селикогелем, в продуктах износа было все же обнаружено от 2 до 5% кислорода при сохранении количества азота и водорода на уровне их содержания в исходном металле.

Влияние изменения скорости на характеристики трения и состояние подповерхностного слоя титанового сплава марки ВТ5 аналогично влиянию нагрузки [23]. Суммарная интенсивность износа Ih образцов и контртел при постоянном давлении

Рис. 90. Микроструктура поверхностного слоя сплава марки ВТб после испытания в воде {q = 10 кгс/см; V = 0,2 м/с; L = 700 м), ХбОО

10 кгс/см* экспоненционально зависит от- скорости (рис. 91, а). Если для кривых 2, 3 и участка подъема кривой 1 по оси ординат отложить In Ih, а по оси ординат скорость у, то получится линейная зависимость

Jh = Ihoexp (kiv),

где Iho - величина интенсивности износа в начале подъема кривой; ki - коэффициент, зависящий в основном от давления и среды. Наибольший износ также наблюдается в масле, а наименьший - на воздухе. Среднее значение микротвердости поверхности (рис. 91, б) было наибольшим при трении на воздухе и наименьшим - в масле. С ростом скорости происходило уменьшение микротвердости поверхности, а износ соответственно возрастал, возрастали также и коэффициент трения (рис. 91, в), и температура образцов (рис. 91, г), замеренная на расстоянии 1-1,5 мм от поверхности трения. С увеличением скорости уменьшается суммарное количество поглощенных продуктами износа кислорода и азота на единицу пути трения (рис. 92, а), а водо-

рода - увеличивается (рис. 92,6). При повышении .скорости интенсивность схватывания возрастает, поэтому скорость износа опережает скорость диффузии кислорода и азота из окружающей среды. Уменьшение количества поглощенного кислорода и азота с увеличением скорости приводит к падению микротвердости

а) 8

500 Ш 300

0,4 0,3

5)f-

поверхности (см. рис. 91, б).

Таким образом, проведенные исследования показали, что ки-

D 0,6 1,2 V,M/C

Рнс. 91. Зависимость интенсивности износа (а), средней микротвердости поверхности (б), коэффициента трения (в), средней температуры в зоне трения (г) от скорости:

/ - на воздухе без смазкн; 2 - & воде; 3 - в масле. Однородная пара из сплава BT5, <? = 10 кгс/см

Рис. 92. Массовая доля кислорода и азота (а) и водорода (б) в продуктах износа с 1 см поверхности трения на 1 км пути в зависимости от скорости:

1 - на воздухе без смазки; 2 - в воде; 3 - в масле

слород И азот, являясь упрочнителями титана, в некоторой степени уменьшают износ. Упрочнение поверхности титана, по-видимому, происходит за счет образования окислов и нитридных пленок, а также диффузии этих газов вглубь металла при значительном повышении температуры на локальных участках трущейся поверхности. Можно полагать, что поглощение водорода трущейся поверхностью титана снособствует увеличению износа. При этом несколько процессов, сопровождающих трение, - пластическая деформация, повышение температуры и вибрация из-за микровыступов и процесса схватывания - проскальзывания, с одной стороны, интенсифицируют диффузию водорода в титан и образование пластинчатых гидридов, а с другой - обусловливают их

быстрое разрушение (вибрация и микроудары). Кроме того, сам гидрид титана обладает высокой хрупкостью и поэтому при трении нроисходит непрерывное диспергирование микровыступов, покрытых гидридами титана.

Эффективность смазок для титана. Обладая высокой поверхностной активностью, тихан очень интенсивно образует окисные пленки (хемсорбция кислорода) и адсорбирует газы из окружающей среды (активированная физическая адсорбция газов). Защищенная газами активная поверхность титана теряет способность адсорбировать обычно применяемые в промышленности виды смазок. В работах Е. Рабиновича и А. Кингсбери [136] показано, что минеральные масла (испытывалось 15 марок масел с различными антифрикционными добавками и без них) с вязкостью от 50 до 1000 сСт не эффективны (/ = 0,45 н- 0,47); производные углеводородов с длинной цепью также не эффективны (/ близок к 0,47); реагирующие с поверхностью титана неорганические жидкости (крепкий раствор каустической соды в воде, раствор йода в спирте, раствор сероводорода в воде и др.) значительно снижают коэффициент трения, но свойства этих жидкостей (низкая вязкость, испарение составляющих и др.) не позволяют использовать их для практического применения в качестве смазки; синтетические соединения с длинной цепью (силиконовые масла, полиэтиленовые и полипропиленовые гликоли, растворы сахара, патока, мед и др.) уменьшают коэффициент трения; причем самыми эффективными являются полиэтиленовые гликоли (/ =0,26); некоторый положительный результат в снижении коэффициента трения отмечается для углеводородов, содержащих галогены.

Йодистый метилен и трибромпропан дают уменьшение коэффициента трения до / = 0,18 и 0,27, а четыреххлористый углерод (/ = 0,34) малоэффективен, как и другие жидкости с низкой точкой кипения. Углеводороды с длинной цепью являются относительно эффективными смазками в тех случаях, когда каждый атом углерода галогенизирован. Такие углеводороды, как спирты с длинной цепью, кислоты, мыла, малоэффективны в качестве смазок для титана.

Г. А. Клабуковым была испытана смазочная способность некоторых соединений, содержащих хлор и фтор. Проверялась группа полихлорфторсилоксановых жидкостей с различными вязкостью и содержанием хлора и фтора. Все испытанные жидкости оказались неэффективными при трении пары из титана и титана и стали.

В работе [136] и в ряде других было установлено, что из обычно применяемых смазок только твердые смазки - графит и двусернистый молибден - способны давэть удовлетворительную, хотя и недолговечную, смазку для титана.

После обработки поверхности титана в парах йода было получено снижение коэффициента трения титана по титану до 0,2- 0,3. В этом случае на поверхности образуется пленка двуйоди-

стого титана TiJj, долговечность которой, однако, невысока. Натирка поверхноети металла порошком йода снизила коэффициент трения до 0,15, а сильно натертая йодистым кадмием поверхность титана показала коэффициент трения 0,04. , В работе [138] предложена новая эффективная для титана смазка, представляющая собой соединение йода (массовая доля 9%) с нормальным бутилфенолом. Коэффициент трения пары титан-титан указанная смазка снижает в 2,5 раза по сравнению с минеральным маслом. В. П. Дубинкиным с соавторами предложены смазки, содержащие йод и их комплексные соединения Кг (CdJi). Эти смазки дают снижение коэффициента трения титана по титану в 2 раза по сравнению с минеральными маслами, но они обладают корродирующим воздействием на сталь, бронзу, алюминий, имеют низкую теплостойкость, растворимы в воде. Низкомолекулярные хлорированные продукты (например, дихлорэтан C2H4CI2) снижали коэффициент трения титана по титану до 0,21-0,23. В работе отмечается, что 40%-ный хлорпарафин имеет хорошую адгезию к титану и значительно снижает коэффициент трения (до 0,03-

a.)f 0,6 0,4 0,2 0,1 ШО 5)14 12 10 8 6 4-2 О

10 20 39 40 50 60 70 80 q, кгс/см

Рис. 93. Зависимость коэффициента трения (а) и интенсивности износа (б) от удельной нагрузки. Смазки: 1,2 - CH2CI2; 3 - минеральное масло; 4 без смазки; I - ВТ5 по ЗОХГСА; 2,3, 4 - ВТ5 по ВТ5; v = 0,2 м/с

0,06). Предложен ряд смазок на основе 40%-ного хлорпарафина, загущенного перхлорвиниловой смолой и 70%-ным хлорпарафином. Смазки на основе хлор-парафина на один порядок повышали нагрузку схватывания (до 80-ЮОкгс/см).

А. Г. Клабуковым и др. были испытаны в качестве смазки ряд углеводородов с открытой углеродной цепью (парафины), в которых некоторые атомы углерода замещены хлором: хлористый метилен CH2CI2 с одним атомом углерода и хлорпарафины с различным содержанием хлора (от 28 до 70%), получаемые хлорированием нефтяных парафинов, углеродная цепь которых состоит в среднем из 15 атомов.

Коэффициент трения с увеличением давления при смазке хлористым метиленом уменьшался (рис. 93, а); особенно это заметно для пары сплав ВТ5 - закаленная {HRC 45-50) сталь марки ЗОХГСА. Значительно снижается также интенсивность износа (рис. 93, б).

В опытах по трению титанового сплава со смазкой хлорпара-финами ХП-40 и ХП-470 (при нагрузках 10 кгс/см и больших) в начальный период испытаний наблюдалось значительное колебание коэффициента трения от 0,3 до 0,5, начиналось схватывание