Коэффициент трения смазки: сравнение твердосмазочных покрытий и ЦИАТИМ

Коэффициент трения смазки нельзя оценивать отдельно от условий испытания: он зависит от материалов контактирующих поверхностей, нагрузки, скорости, температуры и состояния поверхности. Поэтому сравнение твердосмазочного покрытия с пластичной смазкой типа ЦИАТИМ корректно только для одной трибопары и при одинаковом методе испытания. Справочные значения помогают понять порядок величин, но не заменяют испытаний конкретного узла.

Статья будет полезна инженерам, техническим специалистам и закупщикам, которые выбирают смазку для трубопроводной арматуры или рассматривают покрытие для узлов трения. Разберем коэффициент трения без смазки и со смазкой, значения для ЦИАТИМ-201 и ЦИАТИМ-221, а также требования к сопоставимому тестированию.

Что показывает коэффициент трения смазки

Коэффициент трения характеризует сопротивление относительному движению контактирующих поверхностей. 

Это не постоянная величина материала или смазки: в одной и той же паре результат меняется с режимом трения, нагрузкой, скоростью, температурой и качеством обработки поверхности. ГОСТ 33252-2015 задает терминологическую основу, но для выбора конкретного решения важны также условия и метод испытания.

При переходе от сухого контакта к смазанному коэффициент может снизиться в 2–10 раз. Для граничного режима приводятся ориентиры 0,08–0,15, для смешанного - 0,03–0,08, для жидкостного - менее 0,01. Это справочные диапазоны для разных условий, а не обещание такого же результата в любой детали.

На величину влияют и свойства пластичной смазки, и ее распределение в контакте. Консистенцию описывают классом NLGI: шкала охватывает значения от 000 до 6, а распространенный класс стандартных пластичных смазок - NLGI 2. Этот класс не измеряет трение и не является показателем адгезии. Он помогает описать консистенцию и учесть, как смазка будет распределяться в узле.

В исследовании трибологических свойств более густая формула NLGI 2 показала коэффициент трения примерно на 13% выше, чем менее вязкая формула в рамках того же исследования. Это не универсальная зависимость для всех смазок, а пример того, почему нельзя выбирать материал только по консистенции. Для оценки пластичных смазок применяют, в частности, ASTM D5707; результат имеет смысл лишь вместе с условиями теста.

Коэффициент трения без смазки и со смазкой

Для пары сталь по стали справочные данные дают коэффициент трения около 0,15–0,18 без смазки. 

Для смазанного контакта приводится диапазон 0,05–0,10 при использовании масла и 0,10–0,20 при использовании консистентной смазки. Коэффициент безразмерный, а сами значения зависят от конкретного режима и состояния поверхностей.

Эти диапазоны нельзя читать как рейтинг материалов. Значение для смазанной пары может оказаться выше или ниже в зависимости от режима трения и состава смазки. Кроме того, справочные таблицы и нормативные материалы могут давать разные цифры: например, в одном нормативном материале для пары сталь по стали указано 0,3. Это не отменяет справочные значения, а показывает, что цифру нельзя переносить на другую методику или условия без проверки.

Материал второй поверхности тоже меняет результат. Для пары сталь по 12Х18Н9Т в том же нормативном материале указано значение 0,4. Поэтому коэффициент трения сталь по стали без смазки и коэффициент трения сталь по стали со смазкой полезны как ориентиры, но не как расчетные данные для любого механизма.

При сравнении нужно фиксировать хотя бы пару материалов, состояние поверхностей, нагрузку, скорость, температуру и тип смазочного материала. Если эти параметры различаются, сравниваются не покрытия и смазки сами по себе, а разные условия испытаний.

ЦИАТИМ и твердосмазочное покрытие: что можно сопоставить

Для ЦИАТИМ-221 в нормативном материале приведен коэффициент трения 0,17–0,21, для ЦИАТИМ-201 - 0,14–0,21. 

Диапазоны перекрываются, поэтому по одной марке семейства нельзя автоматически судить о результате другой. Даже внутри группы ЦИАТИМ цифры не совпадают полностью.

Для твердосмазочных покрытий универсальное значение коэффициента трения не задано. Результат зависит от нагрузки, скорости, температуры, шероховатости и парности материалов, а также от метода испытания. Поэтому сравнение пластичных смазок и покрытий имеет смысл только при совпадении этих условий. Без численных результатов испытаний конкретного покрытия нельзя корректно объявить его коэффициент ниже или выше, чем у ЦИАТИМ.

При подборе важно различать лабораторное сравнение и оценку узла. Покрытие и пластичная смазка формируют контакт по-разному, поэтому одинаковое число, полученное в разных испытаниях, еще не означает одинакового поведения в механизме. Для надежного вывода нужны протокол испытания и описание режима, а затем проверка на условиях, близких к эксплуатации.

Как сравнить трение твердосмазочного покрытия и ЦИАТИМ

Перед испытанием определяют, какой узел и режим нужно оценить. 

Для достоверного сравнения материал пары, подготовка поверхности, нагрузка, скорость и температура должны быть одинаковыми. Иначе нельзя понять, связано ли различие результата с покрытием или смазкой либо с отличающимися условиями теста.

ГОСТ 23.221-84 относится к методам оценки износостойкости изделий, а ASTM D5707 используют для оценки трения и износа пластичных смазок на установке SRV. Выбор метода зависит от задачи: важно заранее определить, что сравнивают и какие данные нужны для решения. Одного значения коэффициента трения недостаточно, если для узла существенны также износ и стабильность работы.

Практический порядок сравнения:

• Зафиксировать материалы обеих поверхностей и способ их обработки.

• Выбрать нагрузку, скорость и температуру, соответствующие задаче.

• Проверить, что для покрытия и пластичной смазки применим сопоставимый метод испытания.

• Записать не только коэффициент трения, но и результат оценки износа, если метод его предусматривает.

• Сопоставить протоколы с условиями работы узла, не перенося лабораторные цифры напрямую на эксплуатацию.

Для пластичной смазки дополнительно указывают класс NLGI. Шкала включает классы от 000 до 6, однако класс не заменяет испытание на трение. В частности, исследовательский результат с разницей около 13% для NLGI 2 относится к конкретным формулам и не задает универсальное правило для других материалов.

Смазка трубопроводной арматуры и выбор решения для узла

Для трубопроводной арматуры низкий коэффициент трения - лишь одна часть выбора. 

Инженеру важно оценить, как материал работает при температурных изменениях, насколько совместим с металлами узла и сохраняет ли работоспособность при хранении. При сравнении нужно учитывать пару материалов: в нормативном материале для стали по стали указано 0,3, а для стали по 12Х18Н9Т - 0,4. Эти цифры показывают, насколько существенным может быть влияние материала контакта.

В химических насосах и трубопроводной арматуре задача может включать вымывание смазочного материала, фреттинг и трудности при холодном пуске. Если жидкая или пластичная смазка не удерживается в зоне контакта, инженер может рассматривать твердосмазочное покрытие как альтернативный подход. В таком контексте для узлов химических насосов и арматуры применяют антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1014; его коэффициент трения следует оценивать по результатам испытания в заданной паре и режиме, а не по названию покрытия.

Для сравнения с ЦИАТИМ пластичные смазки линейки EFELE рассматривают как отдельный вариант для трубопроводной арматуры. Численные значения коэффициента трения для конкретной смазки должны подтверждаться данными испытаний, выполненных в сопоставимых условиях. Если таких данных нет, нельзя подставлять вместо них справочное число для другого материала или режима.

Практический выбор лучше строить по совокупности факторов: коэффициенту трения, износу, удержанию материала в зоне контакта и требованиям эксплуатации. Сначала задают условия, затем сравнивают протоколы и только после этого проверяют решение на узле или стенде, воспроизводящем его рабочий режим.

Часто задаваемые вопросы

Какой коэффициент трения у стали по стали без смазки?

В справочных материалах для пары сталь по стали без смазки встречается диапазон около 0,15–0,18. В отдельных нормативных данных приведено значение 0,3. Разница связана с условиями и методами определения, поэтому для расчета конкретного узла нужно использовать данные, соответствующие его материалам и режиму работы.

Как меняется коэффициент трения стали по стали со смазкой?

Для пары сталь по стали справочные значения составляют 0,05–0,10 при смазывании маслом и 0,10–0,20 при использовании консистентной смазки. Это ориентиры, а не гарантированные параметры. Итог зависит от состава смазки, нагрузки, скорости, температуры и состояния контактирующих поверхностей.

У твердосмазочного покрытия коэффициент трения всегда ниже, чем у ЦИАТИМ?

Нет. Универсального коэффициента для твердосмазочного покрытия нет, а результат зависит от трибопары и условий испытания. Для ЦИАТИМ-221 приводится диапазон 0,17–0,21, для ЦИАТИМ-201 - 0,14–0,21. Сопоставлять эти значения с покрытием можно только при одинаковом методе и режиме тестирования.

Чем класс NLGI помогает при выборе смазки?

Класс NLGI описывает консистенцию пластичной смазки: шкала идет от 000 до 6, а стандартные смазки часто относятся к NLGI 2. По классу нельзя определить коэффициент трения. Для этого нужны данные испытаний; консистенцию учитывают отдельно, поскольку она связана с распределением смазки в узле.

Заключение

Коэффициент трения смазки зависит от пары материалов, режима контакта и метода испытания. Справочные значения показывают, что смазывание обычно снижает трение сталь по стали, но сравнение твердосмазочного покрытия с ЦИАТИМ требует одинаковых условий и результатов испытаний конкретных материалов. Для ЦИАТИМ-201 и ЦИАТИМ-221 приведены разные диапазоны, а универсального значения для покрытия нет.

Следующий шаг - зафиксировать материалы узла, нагрузку, скорость и температуру, затем запросить или провести сопоставимые испытания с оценкой трения и износа. Так можно выбрать решение для трубопроводной арматуры или другого узла по его реальным условиям, а не по несопоставимым справочным цифрам.