Окислительное изнашивание, изнашивание вследствие деформации, диспергирования и выкрашивания

 

Окислительное изнашивание происходит в том случае, когда на соприкасающихся поверхностях образуются пленки окислов, которые в процессе трения разрушаются и вновь образуются; продукты изнашивания состоят из окислов. От других видов коррозионно-механического изнашивания оно отличается отсутствием агрессивной среды, протекает при нормальных и повышенных температурах при трении без смазочного материала или при недостаточном его количестве. Интенсивность изнашивания может быть весьма значительной, но поверхности трения сохраняют малую шероховатость; это объясняется тем, что окислы препятствуют схватыванию поверхностей. При комнатной температуре окисление поверхностей активизируется пластической деформацией, поэтому одним из методов борьбы с окислительным изнашиванием является создание поверхностей трения с высокой твердостью.

 

Для окислительного изнашивания необходимо, чтобы про­межуток времени между последовательными разрушениями пленки был достаточен для образования пленки относительно большой толщины. Естественно, что в случае циклического раз­рушения окислов высокой твердости изнашивание будет носить характер абразивного.

Окислительному изнашиванию подвергаются калибры, де­тали шарнирно-болтовых соединений тяг и рычагов механиз­мов управления; шарнирно-болтовые соединения подвесных уст­ройств машин, работающих без смазочного материала; метал­лические колеса фрикционных передач и чашки вариаторов, а также некоторые детали в парах трения качения. В ряде слу­чаев интенсивность окислительного изнашивания можно умень­шить, сменив смазочный материал, понизив температуру узла.

Повышение температуры способствует росту окисных пле­нок, а вибрация — их разрушению. С интенсивным окислитель­ным изнашиванием в подобных условиях приходится встречать­ся, например, в деталях крепления выхлопных коллекторов авиационных двигателей внутреннего сгорания (рис. 4.3). Ка­залось бы, что применение коррозионно-стойкой стали должно дать дополнительный эффект, однако аустенитные стали, по­мимо склонности их к схватыванию, быстро окисляются в про­цессе трения.

Изнашивание вследствие пластической деформации. Этот вид изнашивания (смятие) заключается в изменении размеров или формы детали в результате пластической деформации ее микрообъемов. Смятие является характерным видом повреж­дения шпоночных пазов и шпонок, шлицевых соединений, штиф­тов и упоров, резьбовых соединений и других деталей, Пластическая деформация вызывается либо

 

 

 

Рис. 4.5. Профиль бандажа колеса электровоза ново­го (сплошная линия) и изношенного (штриховая ли­ния)

 

либо чрез­мерными допускаемыми напряжениями, ли­бо случайными значительными перегрузка­ми. Во избежание смятия шпоночных пазов и среза шпонок (по опыту эксплуатации металлорежущих станков) для неподвиж­ных соединений при стальной ступице ре­комендуется выбирать допускаемые напря­жения смятия 1,5 ГПа при знакоперемен-

ной нагрузке с толчками и 2 ГПа при постоянной на­грузке. При чугунной ступице допускаемые напряжения ниже на 60%.

Смятие характерно для деталей, входящих в контакт с уда­ром. К ним относятся, например, регулировочные болты коро­мысел приводов клапанов и седла шаровых клапанов (рис. 4.4).

В тихоходных зубчатых передачах с колесами из сталей не­высокой твердости возникают значительные пластические де­формации с образованием канавок по полюсной линии у веду­щих зубьев. Под действием высоких контактных напряжений разрушается масляная пленка, и происходит течение поверх­ностных слоев металла в направлении скольжения. Впрочем, не исключается такое течение и при неповрежденной масляной пленке. Повышением вязкости масла можно уменьшить силы трения и интенсивность пластической деформации. Вообще же рекомендуется применять стали большей твердости.

В колесах конических и гипоидных передач пластическая деформация вязкого, а иногда твердого материала, проявляет­ся в результате ударного приложения нагрузки к зубьям од­ного или обоих сопряженных колес и имеет вид борозд, от ко­торых металл течет через кромку зуба с образованием волни­стого наплыва — заусенцев. На зубьях шестерен гипоидных пе­редач и крайне редко на зубьях колес наблюдаются следы пла­стической деформации при значительных различиях твердости поверхностей зубьев.

Из стальных деталей пластической деформации подвержены рельсы, бандажи колес подвижного состава железных дорог. При эксплуатации рельсов на железнодорожных путях вслед­ствие прокатывающего (качение со скольжением) действия ко­лес под нагрузкой, удара колес на стыках и неуравновешенных инерционных сил механизма локомотива пластическая дефор­мация распространяется на глубину почти всей головки рельса и сопровождается отчетливо различаемым смятием верха и ра­бочих краев головки.

Буксование колес, трение о тормозные колодки, удары на стыках рельсов и на стрелках при высокой нагрузке на колесо свойственны колесным парам (скатам) тепловозов и электро­возов и служат причинами пластического деформирования бан­дажей (рис. 4.5), изготовленных обычно из среднеуглеродистой стали. Особенно интенсивно изнашивается гребень по внутрен­нему контуру и примыкающий к нему участок с уклоном 1:20; со стороны фаски имеется наплыв металла.

Образование вмятин и углублений на поверхностях тре­ния— один из видов повреждения подшипников качения. При сдавливании посторонних частиц, попавших между телами ка­чения и кольцами, могут образоваться вмятины на дорожках качения.

Ударная, а также особо тяжелая нагрузка может вызвать местную деформацию кольца в контакте с шариками или ро­ликами— особый вид пластической деформации на дорожках качения, известный под названием бринеллирования.

В роликовых и шариковых опорных устройствах поворотных частей портальных и других кранов несущие кольца обычно большого диаметра выполняют из проката или литья. При не­достаточной твердости материала кольца под действием на­грузки его поверхность может пластически деформироваться, а затем разрушиться (отслаивание вследствие перенаклепа).

Постепенное развитие макродеформации под нагрузкой, ча­ще всего динамического характера, наблюдается у вкладышей и втулок, обычно изготовляемых из цветных металлов, и про­является в смещении металла за пределы поверхности сопри­косновения с неподвижной контрдеталью в осевом направлении. Это является причиной ослабления прессовой посадки и при­водит к увеличению зазора в подвижном сопряжении.

Одним из видов повреждений подшипников скольжения яв­ляется выдавливание баббитового слоя, которое связано с его низкой твердостью либо с чрезмерными нагрузками на под­шипник, возникающими в числе других причин вследствие де­фектов монтажа или из-за недостаточной жесткости узлов. Со­противление смятию баббитового слоя повышается с уменьше­нием его толщины.

В антифрикционном слое из мягких подшипниковых спла­вов происходит иногда постепенное перемещение поверхностных слоев в направлении скольжения под действием сил трения, что приводит к изменению размеров подшипника, погрешностям формы рабочей поверхности, образованию трещин в баббитовом слое в местах расположения пазов для крепления баббита и за­волакиванию смазочных канавок и отверстий. Эта деформация развивается только во время работы подшипника и, по-видимому, в значительной степени связана с динамическим силовым воздействием. Повышенные температуры и пластифицирующее действие смазочного материала облегчают условия пластиче­ского течения поверхностных слоев антифрикционного сплава.

Интенсивное течение материала под действием сил трения обнаруживается даже у чугуна. Так, у поршневых колес двига­телей внутреннего сгорания после износа на глубину фаски об­разуется заусенец за пределами нижней опорной поверхности кольца. Разрушение заусенца несколько усиливает абразивное изнашивание цилиндров.

Изнашивание вследствие диспергирования. Многие трущие­ся детали не имеют на рабочих поверхностях следов схватыва­ния и заметных царапин; они работают при достаточно хоро­шем смазывании и умеренных температурах. В тонких поверх­ностных слоях таких деталей не происходит каких-либо хими­ческих и структурных изменений. При этих условиях разруше­ние поверхностного слоя происходит в результате диспергиро­вания (измельчения) отдельных участков контакта. Интенсив­ность этого вида изнашивания невысока, а шероховатость по­верхности деталей малая.

Процесс изнашивания протекает так: на площадках факти­ческого контакта материал подвергается многократной упругой и пластической деформации, что приводит к разупрочнению, разрыхлению в отдельных местах структуры материала с после­дующим отделением небольших блоков. Процесс разрыхления, вероятно, подобен процессу зарождения и развития усталостной трещины в детали под действием циклических нагрузок. По­верхностная пластическая деформация приводит также к охрупчиванию материала на отдельных микроучастках и его вы­крашиванию. Не исключаются повреждения, связанные с вза­имным внедрением микроучастков поверхностей без разруше­ния масляной пленки.

Изнашиванию вследствие диспергирования подвергаются хорошо смазываемые шарнирно-болтовые соединения, валики различных агрегатов и сопряженные с ними подшипники, порш­невые пальцы прицепных шатунов, пары трения топливной ап­паратуры и др.

Диспергирование рабочих поверхностей может происходить также в случае жидкостной смазки. Так, поверхность шипа при вращении, переходя из ненагруженной зоны в нагруженную, испытывает переменное давление, влияющее на циклы напря­жений изгиба. При высокой частоте вращения и относительно большой длительности работы, когда суммарное число циклов исчисляется десятками миллионов, легко допустить накопление субмикроскопических дефектов даже при весьма низких на­пряжениях, что в совокупности с адсорбционно-расклинивающим эффектом приводит к износу поверхности при малой интен­сивности изнашивания.

Изнашивание в результате выкрашивания вновь образуе­мых структур. При тяжелых условиях работы на поверхностях трения происходят физико-химические изменения. Они являют­ся результатом пластического деформирования, повышения температуры слоев металла, прилегающих к зоне контакта, по­следующего быстрого охлаждения и химического действия ок­ружающей среды. Эти физико-химические изменения, заклю­чающиеся в образовании новых структур, в свою очередь из­меняют вид взаимодействия и характер разрушения поверхно­стей.

На поверхностях трения стальных и чугунных деталей иног­да образуются блестящие белые пятна или полосы, полностью или почти не травящиеся обычными металлографическими ре­активами. Эти образования, открытые В. П. Кравз-Тарнавским в 1928 г., получили наименование белого слоя. Твердость белых слоев того же порядка, что и материала детали, но бывает значительно выше твердости мартенсита среднеуглеродистой стали. Слой отличается высокой хрупкостью, структура слоя высокодисперсная. В зависимости от условий образования бе­лые слои могут состоять из мартенсита, смеси аустенита и мар­тенсита, цементита и феррита и из других сочетаний структур. На одной детали могут быть разные по структуре белые слои, образующиеся вследствие быстро протекающих термических либо химико-термических процессов.

Образованию белого слоя способствуют также воздух и смазочный материал. Встречаются белые слои, содержащие азот и кислород, а также насыщенный углеродом аустенит и сложного состава карбиды. Очаги с повышенным содержанием углерода на поверхности образуются в результате диффузии его из более глубоких слоев материала или вследствие разло­жения смазочного масла.

Пластическая деформация стимулирует диффузионную ак­тивность металла вследствие образования микро- и субмикро-дефектов (микротрещин, микропор и вакансий), а также отно­сительно значительных перемещений металла и обнажения юве-нильных поверхностей.

Одновременно с образованием белого слоя возникают внут­ренние напряжения, которые совместно с рабочими напряже­ниями приводят к растрескиванию слоя и выкрашиванию его отдельных частиц. Продукты изнашивания, попадая в зазоры между сопряженными деталями, могут вызывать интенсивное, доходящее до катастрофического, изнашивание.

Белые слои образуются на рабочих поверхностях рельсов и бандажей колес локомотивов и вагонов, на зубьях шестерен, подшипниках качения, поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания, на лопатках быстроходных керосиновых насо­сов и их корпусах и других деталях. Белый слой обнаружива­ется при обработке сталей при скоростях резания 12— 27 м/мин и несколько выше, при шлифовочных ожогах, накле­пе, а также под воздействием горячих газовых струй. Белые слои искусственно создают при электроупрочнении для повы­шения износостойкости деталей и упрочнения инструмента.

Образование и выкрашивание белого слоя в некоторых слу­чаях является основным видом изнашивания бандажей желез­нодорожных колес. Высокие нагрузки в контакте, значитель­ное теплообразование во время проскальзывания колеса по рельсу, дополнительный нагрев при торможении, быстрое ох­лаждение в результате теплоотвода во внутрь металла — фак­торы, способствующие образованию белой фазы. Низкие тем­пературы в зимнее время могут влиять на глубину закаленно­го слоя и его твердость.

Белый слой является характерным проявлением образова­ния новых структур. Помимо него в процессе трения в связи с температурным воздействием возможны коагуляция структур­ных составляющих, закалка и отпуск, что может привести к образованию ультрамикроскопических трещин.

На вкладышах подшипников с антифрикционным слоем оло­вянного баббита иногда образуется напоминающая по внеш­нему виду нагар твердая корка, не поддающаяся действию на­пильника и шабера. Чаще такая корка толщиной в наиболее нагруженной части подшипника до 0,4 мм встречается в мо-тылевых и головных подшипниках дизелей. По данным хими­ческого анализа она содержит окислы олова, меди, сурьмы и небольшое количество углеродистых веществ. Твердость корки определяется содержанием наиболее твердого из окислов — окисла олова. Причины образования корки —местные повторя­ющиеся перегревы поверхностей трения вследствие недостаточ­ного смазывания либо наличие воздуха в масле. Эта корка име­ет высокую износостойкость, однако при разрушении ее круп­ные частицы будут действовать как абразив.