Особенности применения алюминиевого проката в узлах трения

28.08.2025

При выборе материала для деталей, работающих в условиях скольжения или качения, сразу встает вопрос стойкости к износу. Сам по себе алюминий обладает сравнительно мягкой структурой, что приводит к быстрому повреждению рабочих поверхностей.

Поэтому сплавы на основе этого металла подбирают с учетом легирующих добавок, а также применяют различные виды упрочняющих обработок.

На практике используют деформируемые марки серий 2ххх, 5ххх и 7ххх. В случае с узлами трения особенно хорошо показывают себя дюрали, содержащие медь и магний.

Их твердость в состоянии Т6 может достигать 120–140 HB, что уже сопоставимо с некоторыми углеродистыми сталями низкой прочности. Для втулок или направляющих в прессах применяют сплавы 7075 или 2024, обеспечивающие высокую прочность при сохранении малой массы.

Если речь идет о конструкциях, где требуется одновременно устойчивость к коррозии и достаточная твердость, используют материалы 5ххх серии, насыщенные магнием. Однако при всех достоинствах даже упрочненные алюминиевые сплавы без дополнительной защиты быстро теряют рабочие свойства при длительном трении. Поэтому обязательной становится обработка поверхности.

Самый распространенный метод — анодирование. Оно основано на электрохимическом образовании оксидной пленки толщиной от 5 до 25 мкм.

Такая оболочка повышает износостойкость примерно в два раза и одновременно увеличивает сопротивляемость к воздействию влаги. Но для высоконагруженных мест этот слой часто оказывается недостаточным, так как при локальном нагреве он склонен к разрушению.

Твердое анодирование — более прочный вариант. Здесь толщина оксидного слоя может составлять 40–70 мкм, а в отдельных случаях достигает 100 мкм.

Полученная поверхность имеет микротвердость до 500–600 HV. Это значение позволяет использовать обработанные детали в парах трения, работающих при контактных давлениях до 30–40 МПа. Для направляющих цилиндров, зубчатых колес малых размеров или скользящих опор этот способ является оптимальным.

Существенным преимуществом твердого анодирования является способность покрытия удерживать смазку. Благодаря развитой микропористой структуре масло или твердые добавки удерживаются значительно лучше, что снижает коэффициент трения.

При правильной эксплуатации рабочая температура может доходить до 250 градусов без потери свойств покрытия.

Нанесение внешних покрытий применяют в случаях, когда оксидный слой не обеспечивает нужного ресурса. Используются методы напыления твердых частиц, электролитические слои на основе никеля или меди, а также полимерные композиции с наполнителями.

Металлические покрытия повышают твердость рабочей зоны до 700 HV и выше, а полимерные варианты снижают коэффициент трения до значений порядка 0,1–0,12.

В условиях, когда нужно совмещать малый вес и высокую износостойкость, комбинируют технологии. Для втулки из сплава 7075 сначала проводят твердое анодирование, затем заполняют поры оксидного слоя графитом или тефлоном.

Такое решение увеличивает срок службы втулки в 5–7 раз по сравнению с необработанным материалом. На практике это оправдано в авиационных и транспортных механизмах, где каждая деталь подвергается переменным нагрузкам.

При подборе сплава для скользящих соединений учитывают не только прочность, но и теплопроводность. У алюминия она значительно выше, чем у стали, поэтому при правильной обработке рабочая температура распределяется равномернее.

В случае с анодированием теплоотвод ухудшается из-за низкой теплопроводности оксидной пленки, поэтому детали большого диаметра лучше дополнительно оснащать охлаждающими каналами.

Есть смысл учитывать и коэффициент линейного расширения. У алюминиевых сплавов он составляет примерно 22–24 мкм/м·К, что почти в два раза выше стальных значений.

В узлах, где пара трения алюминий-сталь работает при изменяющихся температурах, необходимо оставлять монтажный зазор порядка 0,05–0,1 мм на каждый 100 мм диаметра, иначе произойдет заклинивание.

Практика показывает, что при использовании твердых оксидных слоев в сочетании с графитом трение снижается почти на 30 % по сравнению с классическим анодированием. Для поршневых компрессоров это дает возможность увеличивать ресурс без применения стальных вставок.

Там, где ресурс должен быть максимальным, применяют гальванические покрытия никелем толщиной 50–70 мкм поверх анодированного слоя. Это позволяет достичь микротвердости более 800 HV.

В узлах, где нагрузка переменная и удельное давление не превышает 15 МПа, достаточно анодирования с толщиной слоя 20 мкм и смазкой на основе литиевого комплекса. В более тяжелых условиях надежнее твердое анодирование с толщиной 60 мкм и маслом с молибдендисульфидом.

Для крайне нагруженных зон требуется сочетание твердого анодирования и гальванического покрытия с последующей притиркой до шероховатости Ra 0,4.

Чтобы получить максимальный результат от упрочнения, необходимо правильно готовить поверхность перед обработкой. Обязательна механическая шлифовка до Ra 1,25, затем химическое травление и обезжиривание.

Только в этом случае оксидный слой будет равномерным, без пропусков и микрораковин, которые быстро превращаются в очаги разрушения.

Механическая обработка деталей после упрочнения практически не допускается, так как тонкий оксидный слой легко повреждается. Поэтому окончательная доводка размеров выполняется до обработки.

В редких случаях допускается легкая притирка с абразивной пастой, чтобы снизить шероховатость.

В производстве гидроцилиндров часто используют метод твердого анодирования штоков с последующим нанесением полимерного покрытия толщиной 10–15 мкм. Такая комбинация дает хорошее скольжение и минимальные утечки рабочей жидкости.

В паре с бронзовыми уплотнениями ресурс возрастает до 20 тысяч циклов при давлении до 200 бар.

В легких станочных суппортах применяют направляющие из сплава 2024 с твердой анодировкой толщиной 70 мкм. Для снижения трения в слой внедряют тефлон, что позволяет обойтись без постоянной смазки.

Под нагрузкой в пределах 25 МПа такие направляющие служат до 3 лет при среднесуточной эксплуатации.

Для зубчатых колес малых редукторов из алюминия уместно сочетание анодирования и напыления твердых частиц карбида кремния. Такой слой обеспечивает твердость 1100 HV, что сопоставимо с закаленной сталью.

При этом масса передачи снижается почти на треть, что важно для авиационной техники.

На практике я бы сказал так: если нагрузка мала, а главная задача — защита от коррозии, хватит обычного анодирования. Если речь идет о долговечной работе под нагрузкой, без твердого анодирования не обойтись.

Когда требуется предел по ресурсу и минимальное трение, придется совмещать несколько методов.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев