Коэффициент трения смазки: сравнение пластичных смазок и твердосмазочных покрытий

Единого значения, по которому можно сравнить пластичную смазку типа ЦИАТИМ и твердосмазочное покрытие, нет: коэффициент трения зависит от пары материалов, нагрузки, скорости, температуры, состояния поверхностей и режима смазывания. Для пары сталь по стали справочные значения составляют примерно 0,15–0,20 без смазки и 0,05–0,12 со смазкой. Для твердосмазочных покрытий в отдельных материалах приводят значения от 0,03, но переносить их на любой узел без испытаний нельзя.

Статья поможет инженерам, техническим специалистам и снабженцам разобраться, как трактовать эти цифры и что учитывать при выборе материала для узла трения. Отдельно рассмотрим, почему коэффициент трения сам по себе не определяет ресурс, как сравнивать пластичную смазку с покрытием и что важно для смазки трубопроводной арматуры.

Как понимать коэффициент трения смазки

Коэффициент трения показывает соотношение силы трения и силы, прижимающей поверхности друг к другу. 

Для инженера это полезная характеристика контакта, но не постоянная величина материала. Даже для одной пары сталь по стали результат меняется вместе с шероховатостью и состоянием поверхностей, нагрузкой, температурой и толщиной смазочного слоя.

В справочниках коэффициент трения сталь по стали без смазки обычно находится в диапазоне 0,15–0,20. Для той же пары со смазкой приводят ориентир 0,05–0,12. Это справочные значения, а не гарантия того, что конкретный узел будет работать именно в этих пределах: результат зависит от условий испытания и фактического режима смазывания.

Важно различать коэффициент трения скольжения и коэффициент трения покоя. Для трения покоя дополнительно имеют значение влажность, оксидная пленка, нагрузка и время, в течение которого поверхности находились под нагрузкой. Поэтому данные для одного состояния контакта нельзя автоматически использовать для другого.

При оценке коэффициента трения со смазкой учитывают не только ее химический состав, но и режим контакта. В граничном режиме поверхности в значительной степени взаимодействуют через тонкий смазочный слой, в гидродинамическом их разделяет несущий слой смазочного материала. Между этими состояниями находится смешанный режим. Для стальных поверхностей справочные значения составляют 0,1–0,2 при граничной смазке, 0,03–0,1 при смешанной и 0,001–0,01 при гидродинамической.

Таким образом, число без описания метода испытаний и условий контакта мало помогает при выборе. Для корректного сравнения нужны одинаковые материалы, нагрузка, скорость, температура и состояние поверхностей.

Коэффициент трения без смазки и со смазкой

Сравнение пары сталь по стали без смазки и со смазкой показывает, насколько сильно режим контакта влияет на результат. 

Для сухого скольжения в справочных данных приводят диапазон 0,15–0,20. При смазывании ориентир составляет 0,05–0,12, но это не универсальная характеристика любой пластичной смазки или любого узла.

В одном из справочных сравнений для сталь по стали указаны такие значения: без смазки - 0,15–0,18, с минеральным маслом - 0,05–0,08, с синтетическим маслом - 0,03–0,06, с графитовой смазкой - 0,08–0,12. Эти данные нельзя считать прямым рейтингом материалов: испытания могут различаться по нагрузке, скорости и другим условиям.

Если смазочный слой не обеспечивает разделение поверхностей, контакт может оставаться граничным. В этом режиме коэффициент трения для стали может находиться в диапазоне 0,1–0,2. При смешанном режиме приводят значения 0,03–0,1, а при гидродинамическом - 0,001–0,01. Разница между диапазонами объясняется не только типом смазочного материала, но и тем, насколько полно поверхности разделены смазочным слоем.

Сухой контакт сталь по стали не следует считать штатным режимом для ответственного рабочего узла. При высоких нагрузках отсутствие смазки может привести к заеданию и схватыванию поверхностей. Переход к смазыванию обычно снижает трение, однако сам по себе не подтверждает, что смазка подходит по температуре, скорости, нагрузке и условиям окружающей среды.

Для практического сравнения нужно сопоставлять результаты, полученные в одинаковых условиях. Если исходные данные относятся к разным режимам или методикам, разницу между коэффициентами нельзя уверенно объяснить только свойствами смазки.

Пластичная смазка типа ЦИАТИМ и твердосмазочное покрытие

Пластичная смазка и твердосмазочное покрытие снижают трение разными способами. 

Смазка образует смазочный слой в контакте, а покрытие работает как твердый функциональный слой на поверхности детали. Поэтому сравнение пластичных смазок и покрытий только по одному коэффициенту может привести к неверному выбору.

Для пластичных смазок типа ЦИАТИМ нельзя указать единый коэффициент трения, опираясь только на название. В доступных справочных данных приведены значения для отдельных режимов смазки и материалов, но не универсальный показатель для всех составов этого типа. Кроме коэффициента, при подборе пластичной смазки учитывают консистенцию: ее сопоставляют по классу NLGI. Этот класс помогает оценить консистенцию и прокачиваемость, но не задает коэффициент трения напрямую.

Для твердосмазочных покрытий в обзорных материалах приводят коэффициент трения от 0,03. Это ориентир для отдельных покрытий и условий, а не гарантированный результат для любой пары материалов. Покрытия также рассматривают как вариант ресурсной защиты, в том числе в труднодоступных узлах, где обслуживание и восполнение смазочного слоя затруднены.

Пластичные смазки EFELE, включая EFELE MG-213, EFELE MG-222 и EFELE MG-252, применяются в различных условиях эксплуатации трубопроводной арматуры. Их нельзя ранжировать относительно твердосмазочного покрытия по неподтвержденному единому коэффициенту: при выборе сравнивают условия работы, возможность подачи и удержания смазки, а также требования к ресурсу.

Трение твердосмазочного покрытия в трубопроводной арматуре

Для трубопроводной арматуры важно оценивать не только коэффициент трения в лабораторном контакте, но и то, как смазочный материал ведет себя в реальном узле. 

Вымывание, износ поверхности, недостаточная подача смазки и длительные периоды между обслуживаниями могут влиять на работу пары трения. Поэтому смазка трубопроводной арматуры требует учета конструкции, нагрузки, температуры и условий среды.

Когда смазочный слой трудно восполнять, твердосмазочное покрытие рассматривают как ресурсную защиту поверхности. Это особенно актуально для труднодоступных узлов, а также для контактов, где необходимо снизить риск износа и заедания. Однако значение «от 0,03» из обзорных данных нельзя напрямую переносить на любую арматуру: оно не описывает все сочетания материалов и эксплуатационные режимы.

В химических насосах и трубопроводной арматуре применяют MODENGY 1014 - антифрикционное твердосмазочное покрытие на основе ПТФЭ и дисульфида молибдена. Такой вариант рассматривают, когда важно получить покрытие на поверхности и снизить зависимость узла от регулярно пополняемого пластичного смазочного слоя. При выборе все равно сверяют совместимость с конструкцией и условия работы: характеристика покрытия не заменяет испытание конкретного сопряжения.

Не следует считать, что любое покрытие обязательно даст меньший коэффициент трения, чем любая пластичная смазка. Справочные диапазоны для смазанных контактов и покрытия могут пересекаться, а итог зависит от режима. Для арматуры также важны требования к герметичности, доступность узла для обслуживания и состояние поверхности до нанесения материала.

Как корректно сравнить смазку и покрытие

Сравнивать материалы следует на одной и той же паре поверхностей и при одинаковых параметрах испытания. 

Если для смазки измерение проведено при одной нагрузке, а для покрытия - при другой, сравнение коэффициентов не позволяет надежно определить, какое решение лучше в узле. Условия должны соответствовать реальному контакту насколько это возможно.

Перед выбором зафиксируйте исходные параметры:

• Материалы контактирующих деталей и состояние поверхностей.

• Нагрузку и скорость скольжения.

• Температуру и внешнюю среду.

• Режим смазывания: граничный, смешанный или гидродинамический.

• Возможность пополнять смазку и доступность узла для обслуживания.

• Требуемый ресурс и последствия заедания или износа.

Для пластичной смазки дополнительно учитывают класс NLGI. Он характеризует консистенцию и связан с удержанием материала в узле и его прокачиваемостью, но не заменяет измерение коэффициента трения. Одного обозначения класса также недостаточно, чтобы судить о работоспособности смазки в конкретном режиме.

Испытания проводят на трибометрах или других испытательных установках. Чтобы результат был полезен для инженерного решения, вместе с коэффициентом фиксируют материалы пары, нагрузку, скорость, температуру и другие условия теста. Иначе значение нельзя корректно сопоставить со справочными диапазонами: например, 0,03–0,10 для смешанного режима или 0,001–0,01 для гидродинамического.

Практический вывод строят не вокруг минимального числа, а вокруг способности выбранного решения стабильно работать в узле. Если обслуживание доступно и смазочный слой можно поддерживать, рассматривают пластичную смазку. Если узел труднодоступен и важна ресурсная защита поверхности, оценивают твердосмазочное покрытие. При сомнениях сравнивают варианты испытанием в сопоставимых условиях.

Часто задаваемые вопросы

Какой коэффициент трения сталь по стали без смазки?

Для пары сталь по стали без смазки в справочных материалах обычно приводят коэффициент трения скольжения 0,15–0,20. Это ориентир, а не гарантированное значение для любой детали. На результат влияют шероховатость, состояние поверхности, нагрузка и условия контакта.

Какой коэффициент трения сталь по стали со смазкой?

Для стальных поверхностей со смазкой часто указывают ориентир 0,05–0,12. В зависимости от режима значения могут отличаться: для граничной смазки приводят 0,1–0,2, для смешанной - 0,03–0,1, для гидродинамической - 0,001–0,01. Поэтому важно знать условия измерения.

У твердосмазочного покрытия коэффициент трения всегда ниже, чем у пластичной смазки?

Нет. Для отдельных твердосмазочных покрытий приводят значения от 0,03, но диапазоны для покрытий и смазанных контактов могут пересекаться. Результат зависит от нагрузки, скорости, температуры, пары материалов и методики испытаний. Сравнивать нужно конкретные решения при одинаковых условиях, а не классы материалов в целом.

Можно ли определить коэффициент трения смазки типа ЦИАТИМ только по названию?

Нет. Название типа смазки не задает универсальный коэффициент трения. Для оценки нужны данные по конкретному составу и условиям контакта: материалам пары, нагрузке, скорости, температуре и режиму смазывания. Класс NLGI описывает консистенцию пластичной смазки, но не определяет коэффициент трения.

Заключение

Коэффициент трения смазки нельзя рассматривать отдельно от условий работы узла. Для пары сталь по стали справочный диапазон составляет 0,15–0,20 без смазки и 0,05–0,12 со смазкой; для некоторых твердосмазочных покрытий приводят значения от 0,03. Эти ориентиры не позволяют объявить пластичную смазку или покрытие универсально лучшим решением.

Следующий шаг - зафиксировать материалы пары, нагрузку, скорость, температуру и доступность узла для обслуживания, а затем сверить эти условия с данными на конкретную смазку или покрытие. Если сопоставимых данных недостаточно, проведите испытание на одинаковых режимах: это даст основу для выбора между пластичной смазкой типа ЦИАТИМ и твердосмазочным покрытием.