Коэффициент трения смазки: сравнение пластичных смазок и твердосмазочных покрытий

Единого значения коэффициента трения для смазки типа ЦИАТИМ или твердосмазочного покрытия нет: результат зависит от материалов пары трения, нагрузки, скорости, температуры, атмосферы и режима приработки. Сравнивать материалы корректно только при одинаковых условиях испытания. Для оценки коэффициента трения конструкционных и смазочных материалов в России применяют ГОСТ 27640-88, который предусматривает испытания как без смазывания, так и с нанесенным смазочным материалом.

Это важно инженерам, техническим специалистам и закупщикам, которые выбирают смазку для узла или оценивают переход на покрытие. Ниже разобраны справочные данные для трения стали по стали, результаты испытаний пластичных смазок и покрытий на основе MoS2, а также ограничения, которые нужно учитывать при выборе для трубопроводной арматуры.

Коэффициент трения смазки: что именно сравнивают

Коэффициент трения, или μ, показывает соотношение силы трения и силы, прижимающей контактирующие поверхности. 

Это безразмерная величина. При сравнении важно уточнить, идет ли речь о трении покоя или скольжения: у одной и той же пары значения могут отличаться. Также следует указывать, испытывали ли поверхности без смазки, со смазочным материалом или с нанесенным твердым покрытием.

ГОСТ 27640-88 описывает экспериментальную оценку коэффициента трения конструкционных и смазочных материалов, в том числе испытания без смазывания и с нанесенным смазочным материалом. В стандарте предусмотрена и методика оценки адгезионной составляющей трения твердых тел. Поэтому при подборе данных полезно сверяться не только с числом μ, но и с описанием методики, состояния поверхностей и режима контакта.

Для корректного сравнения фиксируют как минимум:

• Материалы контактирующей пары.

• Нагрузку и скорость относительного движения.

• Температуру и атмосферу испытания.

• Шероховатость поверхностей и способ нанесения смазки или покрытия.

• Режим трения: покой, скольжение, приработка или установившаяся работа.

Если хотя бы один из этих параметров различается, результаты могут быть несопоставимы. Например, показатель покрытия на основе MoS2 в сухом азоте нельзя напрямую сопоставлять с коэффициентом пластичной смазки, полученным в климатической камере: различаются и атмосфера, и методика, и, возможно, режим контакта.

Для пластичных смазок типа ЦИАТИМ в приведенных данных нет единого значения коэффициента трения, которое можно было бы считать характеристикой всего типа. Поэтому при сравнении нужно опираться на конкретный состав и условия испытаний, а не только на название смазки. Такой подход помогает не переносить лабораторные цифры на рабочий узел без проверки.

Коэффициент трения без смазки: почему справочные цифры различаются

Справочные данные о коэффициенте трения сталь по стали без смазки заметно расходятся. 

В одном источнике для стали приводится диапазон 0,15–0,18, в другом для сухого трения покоя указан диапазон 0,50–0,80. Отдельные данные для пары сталь–сталь разделяют трение покоя и скольжения: коэффициент покоя μs составляет примерно 0,74–0,78, а коэффициент скольжения μk - 0,57–0,65.

Эти числа не следует сводить к единому «правильному» значению. Они относятся к разным справочным данным и режимам, а состояние поверхности и методика испытаний влияют на результат. Поэтому диапазон из таблицы может быть полезен для предварительной оценки, но не заменяет испытание материалов в условиях конкретного узла.

Для трубопроводной арматуры отраслевой документ СТ ЦКБА 086-2010 приводит значение 0,30 для пары «сталь, кроме 10Х18Н9Т, и твердые сплавы». Это ориентир для арматурного трения и расчетов привода, а не универсальный коэффициент для любой пары сталь–сталь. При переносе значения на другую конструкцию нужно проверить, совпадают ли материалы и условия контакта.

В инженерной оценке сухого трения полезно разделять два вопроса: какой показатель получен в испытании и насколько он применим к механизму. Если расчет опирается на коэффициент трения без смазки, необходимо проверить, что именно измеряли: начальное трогание или установившееся скольжение. Разница между этими режимами может быть существенной, а справочные таблицы не всегда дают одинаково подробное описание методики.

Коэффициент трения со смазкой: масла и пластичные составы

Справочные материалы приводят для стали по стали со смазкой разные диапазоны в зависимости от вида материала и режима испытания. 

Для минерального масла указан коэффициент 0,05–0,08, для синтетического масла - 0,03–0,06. В другом справочном материале коэффициент трения скольжения смазанной пары сталь–сталь приведен в диапазоне 0,09–0,12. Эти значения нельзя считать взаимозаменяемыми без уточнения методики и условий.

Для пластичных смазок в испытаниях на трибометре указан типичный диапазон 0,05–0,15. Он характеризует результаты испытаний пластичных смазок в описанных условиях, но не задает коэффициент для любой смазки типа ЦИАТИМ. В частности, нельзя по одному названию состава заключить, какое значение μ будет в конкретной паре трения или при другой температуре и нагрузке.

Чтобы интерпретировать показатель, нужно знать, как смазка нанесена и как меняется контакт в ходе испытания. Если в материале приведено только итоговое значение, без данных о нагрузке, скорости, температуре и паре материалов, использовать его для прямого сравнения с другим продуктом рискованно. Сопоставление становится надежнее, когда обе смазки испытывают на одном оборудовании и по одной методике.

Когда узлу требуется именно пластичная смазка, линейку пластичных смазок EFELE можно рассматривать как альтернативу ЦИАТИМ. Конкретный состав подбирают по требованиям узла и режиму работы, а коэффициент трения проверяют по данным испытаний, которые соответствуют условиям применения. Само по себе название семейства смазок не заменяет такой проверки.

Трение твердосмазочного покрытия: роль атмосферы и приработки

Для твердосмазочных покрытий на основе MoS2 коэффициент трения зависит от атмосферы. 

В одном материале приведен диапазон 0,01–0,07 в сухом азоте и 0,04–0,12 на воздухе. Уже это сравнение показывает, почему нельзя переносить показатель покрытия из одной среды в другую без оговорок.

В сравнительном исследовании покрытий на основе MoS2 в нормальной атмосфере для одного из покрытий зафиксирован коэффициент 0,163. В сухом азоте значение снижалось с 0,020 на этапе приработки до 0,006 в установившемся режиме. Для покрытия состава MoS2 + B2O3 + Au в нормальной атмосфере коэффициент составлял 0,127 на этапе приработки и 0,007 в установившемся режиме.

Результаты показывают, что важен не только состав покрытия, но и момент измерения. Значение на приработке может отличаться от установившегося показателя. Поэтому в техническом сравнении следует указывать атмосферу и стадию испытания, а не приводить одно число без контекста.

При выборе покрытия необходимо также учитывать условия работы узла. Низкий коэффициент трения в отдельном испытании сам по себе не подтверждает пригодность материала для любой нагрузки, поверхности или окружающей среды. Сравнение с пластичной смазкой будет корректным только при согласованных параметрах испытания и при оценке свойств, важных для конкретной конструкции.

ЦИАТИМ и твердосмазочное покрытие: как сравнивать

Сравнение пластичной смазки типа ЦИАТИМ и твердосмазочного покрытия начинается не с поиска минимального коэффициента, а с определения режима работы. 

Покрытия на основе MoS2 могут показывать низкие значения в сухом азоте, а результат пластичной смазки зависит от ее состава и условий испытания. Без одинаковых материалов пары, нагрузки, температуры, атмосферы и режима приработки цифры из разных исследований не дают прямого ответа, что лучше.

Для сравнения полезно составить таблицу параметров испытаний:

ГОСТ 27640-88 дает основу для экспериментальной оценки коэффициента трения конструкционных и смазочных материалов. При этом для сопоставления конкретной смазки с покрытием необходимо, чтобы обе системы испытывались в согласованных условиях. Если данных по ЦИАТИМ нет для нужной пары и режима, корректный вывод требует испытания, а не подстановки усредненного показателя пластичных смазок.

Практический выбор зависит и от конструкции узла. Если он требует пластичной смазки, сравнивают доступные составы по их применимости и результатам испытаний. Если рассматривается покрытие, оценивают его работу в соответствующей атмосфере и на нужной стадии эксплуатации. Утверждение, что покрытие всегда имеет меньший коэффициент трения, чем любая пластичная смазка, имеющимися данными не подтверждается.

Смазка трубопроводной арматуры: выбор не по одному коэффициенту

Для трубопроводной арматуры коэффициент трения влияет на оценку усилия привода, однако выбор материала контакта не сводится к этому показателю. 

Важно учитывать риск заедания, износ, герметичность и диапазон температур работы узла. Значение 0,30 из СТ ЦКБА 086-2010 относится к паре стали, кроме 10Х18Н9Т, и твердых сплавов, поэтому его нельзя автоматически переносить на другие пары и конструкции.

Когда арматура работает в агрессивной среде, к расчету трения добавляется требование химической стойкости материала. Для такой задачи в качестве варианта покрытия рассматривают MODENGY 1014: для него заявлены низкий коэффициент трения и высокая химическая стойкость. Перед выбором нужно соотнести свойства покрытия с материалами узла и фактической средой, а затем проверить данные испытаний для нужных условий.

Если в конструкции предусмотрена пластичная смазка, ее подбирают с учетом требований узла и режима эксплуатации. При этом типичный диапазон 0,05–0,15 для испытанных пластичных смазок нельзя считать гарантированным значением для конкретной арматуры или состава типа ЦИАТИМ. Для расчета привода и оценки работы пары требуется показатель, полученный в сопоставимых условиях.

Инженеру полезно разделять два этапа: предварительный отбор по требованиям конструкции и проверку коэффициента трения по подходящим испытаниям. Закупщику, в свою очередь, важно сверять техническую документацию с параметрами узла, а не выбирать материал только по минимальной цифре μ. Такой порядок снижает риск неверного сравнения покрытия и пластичной смазки.

Часто задаваемые вопросы

Какой коэффициент трения сталь по стали без смазки?

Единого значения нет. В справочных материалах встречаются диапазоны 0,15–0,18 и 0,50–0,80, а также отдельные значения для трения покоя и скольжения: примерно 0,74–0,78 и 0,57–0,65 соответственно. Разница связана с условиями и методиками, поэтому для расчета нужно использовать данные, соответствующие конкретной паре и режиму.

Какой коэффициент трения сталь по стали со смазкой?

В справочных данных для смазанной пары сталь–сталь приведены диапазоны 0,05–0,08 для минерального масла и 0,03–0,06 для синтетического масла. Другой материал указывает 0,09–0,12 для коэффициента трения скольжения. Сопоставлять эти значения напрямую нельзя без сведений о методике, нагрузке, скорости и состоянии поверхности.

Можно ли сравнить ЦИАТИМ и твердосмазочное покрытие по одной цифре?

Нет, если значения получены при разных условиях. На коэффициент влияют материалы пары трения, нагрузка, скорость, температура, атмосфера и стадия приработки. Для пластичных смазок в испытаниях на трибометре приводится диапазон 0,05–0,15, но он не является характеристикой всех составов типа ЦИАТИМ. Сравнивать нужно результаты сопоставимых испытаний.

Почему коэффициент трения покрытия на основе MoS2 отличается на воздухе и в азоте?

Атмосфера влияет на результаты испытания покрытия. Для MoS2 в одном материале указан диапазон 0,01–0,07 в сухом азоте и 0,04–0,12 на воздухе. Кроме того, значение может меняться между приработкой и установившимся режимом. Поэтому в техническом сравнении всегда указывают среду и стадию испытания.

Заключение

Коэффициент трения смазки нельзя оценивать отдельно от методики и условий контакта. Справочные диапазоны для стали по стали без смазки различаются, пластичные смазки типа ЦИАТИМ не имеют единого показателя для всех составов, а коэффициент твердосмазочного покрытия зависит, в частности, от атмосферы и приработки. Для корректного сравнения применяют испытания по ГОСТ 27640-88 и сопоставляют результаты, полученные в одинаковых условиях.

Практический следующий шаг - зафиксировать материалы пары, нагрузку, скорость, температуру, атмосферу и режим работы узла, затем сверить с ними технические данные смазки или покрытия. Для трубопроводной арматуры дополнительно оценивают риск заедания, износ, герметичность и требования среды, а не выбирают материал только по наименьшему коэффициенту.