Трение является важнейшим механическим свойством крепежа. Однако это не один параметр, а сложная система, которая требует тщательного анализа.
Чтобы обеспечить длительный срок службы, крепежные детали в автомобильной промышленности необходимо защищать от коррозии.
В качестве катодной защиты от коррозии обычно используются чистый цинк или цинковые сплавы, которые могут выдерживать 720 часов и более в нейтральном солевом тумане в зависимости от выбранной системы. Кроме того, цинк-никелевые системы легко выдерживают большинство циклических коррозионных испытаний и уменьшают риск появления гальванической коррозии.
Однако к деталям крепежа может выставляться гораздо больше требований, чем просто качественная защита от коррозии.
Как правило, важным критерием является внешний вид изделия, который зависит от типа цинка или цинкового сплава, а также от пассивации. Она может быть бесцветной, серебристой, голубой, радужной или черной. Верхний слой покрытия также может повлиять на внешний вид и стабилизировать его. В зависимости от целевого назначения, детали могут иметь такие свойства, как твердость, износостойкость, электропроводность.
Но, пожалуй, самым важным механическим свойством крепежа является заданный коэффициент трения (CoF).
ТРЕНИЕ ПОВСЮДУ ВОКРУГ НАС
Когда два соприкасающихся предмета движутся друг против друга, возникает трение, иногда больше, иногда меньше. Например, для эффективной работы шарикоподшипников коэффициент трения, который часто обозначается греческой буквой μ, должен быть как можно ниже, обычно 0,0015. Коэффициент трения, равный 0,005 — 0,03, заставляет конькобежцев скользить по замерзшему озеру. В то же время, существуют ситуации, когда необходимо высокое трение. Например, чтобы обеспечить безопасную остановку автомобилей, тормозные системы (тормозная колодка и диск) должны иметь CoF 0,4. Величина трения между шинами и асфальтом на дороге составляет приблизительно 1,0 – очевидно, что чем выше, тем лучше.
Трение – это сопротивление, с которым встречается одна поверхность или предмет при движении против другого. Это системное свойство, поэтому необходимо учитывать все вовлеченные поверхности и параметры. Для упрощения в данной статье мы будем рассматривать только трение двух тел. CoF важен для установления сцепления и прижимного усилия, стабилизирующего это сцепление.
Прижимное усилие существенно зависит от приложенного усилия сборки или вращающего момента. Приложенный вращающий момент распределяется на разные зоны соединения; примерно 90% приходится на трение и только около 10% — на натяжение.
ЧТО ВЛИЯЕТ НА КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ?
Примерно 85% неисправностей транспортных средств обусловлено проблемами сборки, и многие из них связаны с некачественными соединениями. Поэтому качество крепежных деталей и, прежде всего, их поверхностная обработка имеет существенное значение. Также важно знать факторы, которые позволяют выбрать оптимальную систему поверхностной обработки для каждого конкретного применения.
Как уже упоминалось, трение – это системное свойство, поэтому необходимо учитывать множество разных факторов. Смазка не только снижает трение, но и помогает контролировать фактическое значение при условии, что остальные факторы остаются неизменными.
Также оказывает влияние и тип антикоррозионного покрытия; органическое покрытие будет отличаться от электролитически осажденного металлического покрытия. Мягкое цинковое покрытие твердостью примерно 80 HV будет отличаться от твердого цинк-никелевого слоя с твердостью примерно 450 HV. Опорная поверхность обычно изготавливается из разных материалов, таких как углеродистая сталь, термообработанная высокопрочная сталь, алюминий и другие. Сопрягаемые гайки могут быть просто стальными, оцинкованными, фосфатированными, смазанными и т.д. Другие влияющие факторы включают толщину слоя, чистоту поверхностей и геометрию сопрягаемых деталей. Важно понимать, что, если любой из этих факторов существенно изменится, то изменится и вся система, а также CoF.
В жизненном цикле крепежного изделия существует три момента, когда трение играет важную роль: первый, когда соединение изначально скрепляется; второй — при эксплуатации сборного изделия; и третий, когда соединение разбирается. Некоторые соединения предназначены для постоянного использования, то есть они скрепляются один раз и больше не разбираются. Другие соединения в процессе эксплуатации подвергаются повторяющемуся привинчиванию / отвинчиванию, например, колесные гайки.
ПРАВИЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ
К сожалению, не существует “идеального” CoF. Помимо вышеупомянутых воздействующих факторов, необходимо также учитывать параметры сборки. На сегодняшний день в автомобильной промышленности, как правило, требуется CoF в диапазоне от 0,10 до 0,19 с допустимым отклонением ±0,03.
При недостаточной величине коэффициента трения (меньше 0,08) существует потенциальная опасность самопроизвольного ослабления узла соединения. Если CoF слишком высокий, существует риск недостаточного усилия зажима, приводящий к разрушению соединения вследствие неполной затяжки или полного разрушения винта. Для некоторых специальных соединений зачастую требуются более высокие значения коэффициента трения (0,21 — 0,24). Это основная задача верхнего слоя покрытия: высокий CoF, но в более узком диапазоне. Покрытая поверхность без верхнего слоя может иметь сопоставимый CoF, однако его практически невозможно контролировать в пределах ±0,03.
Уплотнение, нанесение верхних слоев и дополнительное погружение используются в качестве последующей обработки креплений, покрытых цинком и/или цинковым сплавом, но что именно представляют собой эти процессы?
Уплотнители – это органические (акриловые) полимеры. Как и предполагает термин “уплотнитель”, их основная задача заключается в уплотнении поверхности. Это выполняется путем закрытия всех пор поверхности для четкого разделения между гальваническим слоем под уплотнителем и агрессивной окружающей средой. Уплотнитель, по сути, обеспечивает водонепроницаемость для металла. Следует отметить, что механические повреждения, такие как удары камней, снижают их защитное действие.
Верхние слои могут содержать органические и неорганические материалы. В качестве первого часто используют полиэтиленовый воск, а неорганическим компонентом могут быть, например, наночастицы кремнезема. Эти наноразмерные частицы кремнезема способствуют регидрации при пассивации и действуют как ингибитор коррозии. Органический воск обеспечивает необходимое регулирование трения.
Для поиска оптимального верхнего слоя требуются точные знания о трибологической системе со всеми участвующими параметрами. Это возможно только при тесном взаимодействии клиента и поставщика.
Составы для дополнительного погружения неорганические, например, соли хрома. Главным образом, они увеличивают вес слоя пассивирующей пленки и, таким образом, усиливают антикоррозионные свойства. При черной пассивации дополнительное погружение заполняет губчатую структуру.
Благодаря включению частиц диоксида кремния некоторые изделия могут обладать повышенной стойкостью к действию солевого тумана (100 часов и более); эти частицы также отвечают за самовосстановление всей системы. Они могут способствовать улучшению внешнего вида запассивированных деталей, поскольку снижают радужность синих и прозрачных пассивирующих составов и помогают достигнуть более однородной, глубоко черной пассивации. Количество и тип воска влияет на регулирование коэффициента трения. Таким образом, CoF может быть оптимизирован в соответствии с требованиями заказчика. Стандартное отклонение составляет ±0,03.
Трение имеет критически важное значение для сборки и поэтому является параметром качества для крепежных деталей. Однако это не один параметр, а сложная система, которая требует тщательного анализа. С помощью верхнего слоя покрытия можно регулировать трение крепежных деталей в узком диапазоне, независимо от того, требуется ли высокое, среднее или низкое трение. Верхние слои могут быть разработаны в соответствии с требованиями заказчика, и состоять из различных компонентов для разных областей применения, например, крепление стали и/или алюминия.
