Коэффициент трения смазки и твердосмазочного покрытия: сравнение для пары сталь по стали

Коэффициент трения смазки нельзя напрямую сопоставлять с коэффициентом трения твердосмазочного покрытия без учета условий испытаний. Для пластичных смазок типа ЦИАТИМ в отраслевом нормативном материале приведены значения 0,14-0,21, а для покрытий на основе дисульфида молибдена в нормальной атмосфере встречается диапазон 0,04-0,12. Однако среда, приработка, состояние поверхностей и режим работы могут существенно изменить результат.

Статья полезна инженерам, техническим специалистам и закупщикам, которые подбирают материал для узлов трения, в том числе для трубопроводной арматуры. Разберем, что говорят опубликованные значения о трении стали по стали без смазки и со смазкой, почему результаты испытаний покрытий различаются и как учитывать условия эксплуатации при выборе.

Как сравнивать коэффициент трения смазки и покрытия

Коэффициент трения показывает сопротивление относительному движению контактирующих поверхностей. 

Но одно число не описывает поведение узла во всех режимах: результат зависит от материала и обработки поверхностей, нагрузки, температуры, скорости, влажности и окружающей среды. Поэтому сравнение пластичной смазки и твердосмазочного покрытия корректно только при сопоставимых условиях испытаний.

Для стальной пары в справочных материалах приведены разные ориентиры. Коэффициент трения без уточнения состояния поверхностей составляет 0,3 в одном отраслевом документе. В другой таблице для полированной стали указано 0,18, а для обработанной поверхности - 0,74 при статическом трении и 0,57 при динамическом. Эти значения не образуют единую шкалу: они относятся к различным условиям и не должны интерпретироваться как противоречие или универсальная характеристика стали.

Похожая осторожность нужна и при оценке покрытий. Для MoS₂ приведены значения 0,04-0,12 в нормальной атмосфере и 0,01-0,07 в сухом азоте. В отдельном исследовании для покрытия на основе MoS₂ коэффициент трения составил 0,163 в нормальной атмосфере. Разброс показывает, что название материала само по себе не позволяет предсказать результат.

При сравнении полезно фиксировать:

• материалы и состояние контактных поверхностей;

• вид смазки или состав покрытия;

• среду и влажность;

• температуру и нагрузку;

• стадию испытания: приработка или установившийся режим.

Коэффициент трения смазки и покрытия помогает оценить трибологические свойства, но выбор для конкретного узла требует учитывать также режим эксплуатации и требования к обслуживанию.

Коэффициент трения без смазки и со смазкой: сталь по стали

Для пары сталь по стали источники приводят разные значения коэффициента трения без смазки. 

В справочном материале указано около 0,15, в отраслевом нормативном документе - 0,3, а для обработанной поверхности приведены 0,74 при статическом и 0,57 при динамическом трении. Разница связана с тем, что коэффициент зависит не только от материала, но и от характеристик поверхности и условий контакта.

При наличии смазки для стальной пары указан диапазон 0,05-0,12. Эти данные показывают, что смазка может снижать трение по сравнению с сухим контактом, но не задают гарантированное значение для любой конструкции. Тип смазочного материала и режим работы влияют на фактический результат.

Запросы «коэффициент трения сталь по стали без смазки» и «коэффициент трения сталь по стали со смазкой» обозначают сравнение, которое имеет смысл только при одинаковой методике. Если для сухого контакта взято значение для одной обработки поверхности, а для смазанного - результат испытания другой пары, вывод о величине снижения будет некорректным.

При анализе данных важно различать статический и динамический коэффициенты. Первый относится к началу движения, второй - к скольжению. В источнике по обработанной стали указаны 0,74 и 0,57 соответственно, поэтому объединять эти значения в один показатель нельзя.

Для инженерной оценки стоит использовать значения как ориентиры, а не как расчетную константу. При отсутствии сопоставимых испытаний нужно сверять данные с условиями конкретного узла: состояние стали, нагрузку, температуру и наличие смазочного материала.

ЦИАТИМ и твердосмазочное покрытие: сравнение чисел

Для пластичных смазок типа ЦИАТИМ в нормативном материале приведены диапазоны коэффициента трения 0,14-0,21 для ЦИАТИМ-201 и 0,17-0,21 для ЦИАТИМ-221. 

Это данные для конкретных смазок, а не общий диапазон для всех пластичных материалов. Сравнивать их с результатами испытаний покрытий следует с учетом среды и методики.

Для твердосмазочных покрытий на основе MoS₂ в нормальной атмосфере указано 0,04-0,12, а в сухом азоте - 0,01-0,07. В другом исследовании коэффициент трения покрытия в сухом азоте снизился с 0,020 на стадии приработки до 0,006 в установившемся режиме. Такие значения ниже опубликованных диапазонов для ЦИАТИМ, но относятся к другим материалам и условиям испытаний.

Пластичная смазка и твердосмазочное покрытие решают задачу снижения трения разными способами. Смазку применяют как материал для обслуживания узла, а покрытие формирует твердую смазочную прослойку на поверхности. Поэтому низкое значение коэффициента трения само по себе не определяет, какой вариант удобнее для конкретной конструкции.

Для сравнения пластичных смазок и покрытий в реальной эксплуатации важны также технологичность нанесения и повторяемость обслуживания. Пластичные смазки EFELE, включая EFELE MG-222 для водостойких условий и высоких нагрузок и силиконовую термостойкую EFELE SG-316, рассматривают в зависимости от среды и требований узла. По коэффициенту трения нельзя заранее объявить один вариант предпочтительным для всех режимов.

Почему трение покрытия меняется при испытаниях

Значения для одного типа покрытия могут различаться в зависимости от атмосферы и стадии работы. 

Для MoS₂ указаны диапазоны 0,04-0,12 в нормальной атмосфере и 0,01-0,07 в сухом азоте. В отдельной работе для сухого азота приведены 0,020 на приработке и 0,006 в установившемся режиме. Следовательно, результат начального этапа не всегда характеризует работу покрытия после приработки.

Температура тоже важна. В исследовании покрытий приведены значения коэффициента трения 0,22-0,14 в диапазоне от 20 до 350 °C. Для пары без покрытия указаны 0,8 при 20 °C и 0,46 при 350 °C. В том же материале для ионно-плазменного покрытия Ti-TiN коэффициент сохранялся на уровне 0,6-0,7 при 20 и 350 °C. Эти результаты относятся к конкретным системам и не переносятся автоматически на другие покрытия.

На показатель может влиять и толщина покрытия. В источнике отмечено, что ее увеличение не всегда снижает трение: после начального участка коэффициент способен расти, если в деформацию вовлекается больший объем материала. Поэтому принцип «чем толще, тем лучше» не подтверждается.

При оценке твердосмазочного покрытия нужно уточнять:

• соответствуют ли условия испытаний атмосфере и температуре узла;

• приведены ли данные для стадии приработки или установившегося режима;

• испытывали ли покрытие при сопоставимой нагрузке и на аналогичной поверхности;

• каким способом покрытие наносили и какую толщину использовали.

Такая проверка помогает понять, насколько опубликованный коэффициент трения применим к реальному узлу, а не только к лабораторному режиму.

Смазка трубопроводной арматуры: что учитывать при выборе

Для трубопроводной арматуры недостаточно выбрать материал только по минимальному коэффициенту трения. 

Нужно учитывать режим работы пары, температуру, среду, долговечность и регламент обслуживания конкретного узла. В нормативном материале по арматуре приведено значение 0,3 для пары сталь по стали без уточнения условий. Это ориентир из конкретного документа, а не универсальное значение для любого клапана или другого элемента арматуры.

При выборе между пластичной смазкой и покрытием следует оценить, как именно узел будет работать и обслуживаться. Для смазки важны возможность ее нанесения и повторного обслуживания; для покрытия - соответствие материала рабочей среде и состояние поверхности после нанесения. Значения для покрытий на основе MoS₂ меняются от 0,04-0,12 в нормальной атмосфере до 0,01-0,07 в сухом азоте, поэтому среду нельзя исключать из сравнения.

Инженеру и закупщику стоит сверить характеристики с требованиями конкретного узла, а затем сопоставить их с условиями испытаний, на которых получен коэффициент трения. Для этого пригодны данные из нормативных документов и протоколов испытаний, если в них указаны материал пары, состояние поверхностей, температура и режим контакта.

Если в технической документации приведено лишь одно значение, без описания условий его получения, использовать его как единственное основание для выбора рискованно. Особенно это касается сравнения данных по стальной паре без смазки, пластичной смазке типа ЦИАТИМ и твердосмазочному покрытию: цифры могут относиться к различным методикам.

Как выбрать материал по режиму работы

Выбор стоит начинать не с поиска минимального коэффициента, а с описания условий контакта. 

Для стальной пары зафиксируйте состояние поверхностей и характер движения, а для узла - нагрузку, температуру, среду и требования к обслуживанию. Затем отберите данные, полученные в сопоставимых условиях.

Для первичного сравнения можно использовать опубликованные ориентиры: 0,14-0,21 для ЦИАТИМ-201, 0,17-0,21 для ЦИАТИМ-221 и 0,04-0,12 для покрытий на основе MoS₂ в нормальной атмосфере. Значения не гарантируют такой же результат в конкретном механизме. В сухом азоте для покрытий MoS₂ указан иной диапазон - 0,01-0,07.

При выборе учитывайте, какая задача важнее: снижение трения, удобство обслуживания или соответствие условиям узла. Если параметры эксплуатации выходят за рамки опубликованных испытаний, одного справочного числа недостаточно: потребуется проверка по данным для конкретной пары и режима.

Практический порядок действий:

• Определить материалы контактирующих деталей и состояние их поверхностей.

• Уточнить температуру, нагрузку, скорость, влажность и окружающую среду.

• Сопоставить смазку или покрытие с режимом узла и регламентом обслуживания.

• Проверить, получены ли сравниваемые коэффициенты трения при сопоставимых условиях.

• Для трубопроводной арматуры сверить выбранное решение с требованиями ее документации.

Часто задаваемые вопросы

Какой коэффициент трения сталь по стали без смазки?

Единого значения для стали по стали без смазки нет. В источниках указаны около 0,15 для скольжения, 0,3 без уточнения условий, а для обработанной поверхности - 0,74 при статическом и 0,57 при динамическом трении. Разброс связан с различиями в состоянии поверхности и условиях контакта.

Какой коэффициент трения сталь по стали со смазкой?

Для пары сталь по стали со смазкой в справочном материале приведен диапазон 0,05-0,12. Это ориентир, а не гарантированное значение для любой пластичной смазки или режима. На результат влияют материал смазки, состояние поверхностей и условия испытания, поэтому важно сверять исходные параметры.

У ЦИАТИМ или твердосмазочного покрытия коэффициент трения ниже?

В опубликованных данных для ЦИАТИМ-201 указан диапазон 0,14-0,21, для ЦИАТИМ-221 - 0,17-0,21. Для покрытий на основе MoS₂ приведены 0,04-0,12 в нормальной атмосфере. Это сравнение не универсально: покрытия испытывали в разных средах и режимах, а коэффициент меняется при приработке.

Почему у твердосмазочного покрытия меняется коэффициент трения?

На результат влияют атмосфера и стадия работы покрытия. Например, для покрытия на основе MoS₂ в сухом азоте указано снижение коэффициента с 0,020 на приработке до 0,006 в установившемся режиме. В нормальной атмосфере для покрытий того же типа встречаются другие значения, поэтому условия испытаний нужно учитывать отдельно.

Заключение

Коэффициент трения смазки и твердосмазочного покрытия помогает сравнить их трибологические свойства, но не дает готового ответа без данных об условиях испытаний. Для ЦИАТИМ приведены значения 0,14-0,21, для покрытий на основе MoS₂ - 0,04-0,12 в нормальной атмосфере и 0,01-0,07 в сухом азоте. Эти диапазоны показывают различия, но сами по себе не определяют выбор для конкретного узла.

Следующий шаг - зафиксировать режим работы пары трения и сопоставить его с условиями, при которых получены справочные значения. Для трубопроводной арматуры дополнительно сверяйте решение с документацией узла и требованиями к обслуживанию.