Схватывание и заедание поверхностей при трении

Сущность процесса. Схватывание при трении — прива­ривание, сцепление, местное соединение двух твердых тел под действием молекулярных сил. При этом образуются прочные ме­таллические связи в зонах непосредственного контакта поверх­ностей. В местах схватывания исчезает граница между сопри­касающимися телами, происходит сращивание одно- и разнои­менных металлов.

На образовании прочных металлических связей между двумя заготовками основаны такие технологические процессы, как куз­нечная сварка, контактная сварка сопротивлением и плакирова­ние методом горячей прокатки. Но в отличие от схватывания при трении эти процессы характеризуются соединением метал­лов при значительном давлении и при температуре выше темпе­ратуры рекристаллизации. В этих технологических процессах, как и при спекании изделий, большое значение имеет диффузия. На явлении схватывания при совместном пластическом деформировании металлов базируются технологические процессы холодной сварки металлов и получения биметаллов методом холодной прокатки. Схватывание между инструментом и обра­батываемым металлом наблюдается при обработке давлением, а при резании оно проявляется в виде наростообразования на резце. Если при технологических процессах соединения металлов методом холодной сварки и плакирования схватывание используется целеустремленно, то при резании, холодной обработке давлением и при трении схватывание является вредным сопутствующим процессом.

Единой точки зрения на механизм процесса схватывания при трении пока нет. Остановимся на одной из гипотез схватывания. Опыты по трению чистых металлических поверхностей в вакууме показали, что при относительном движении поверхности. Повреждаются, и сопротивление их смещению того же порядка, что и сопротивление материалов срезу. Отсюда можно сделать вывод, что для образования прочных связей между металлами в холодном состоянии необходимо отсутствие на соприкасающихся поверхностях всякого рода пленок и загрязнений. Это условие является обязательным.

Что же представляет собой процесс схватывания в обычных условиях?

Если приложить нагрузку к двум соприкасающимся металлическим образцам, чтобы обеспечить между ними достаточную площадь контакта (на расстояниях порядка межатом­ных), то в результате взаимодействия атомов произойдет схва­тывание поверхностей, представляющее собой спонтанный про­цесс, протекающий с выделением энергии. Если у одного и того же металла контактируют два кристаллита с одинаковой ори­ентацией, т. е. с параллельным расположением кристаллографи­ческих плоскостей, то произойдет их простое сращивание в один общий кристаллит. Если же кристаллиты имеют различную ори­ентацию, то между ними образуется переходная зона той же природы, что и межкристаллитная зона в поликристаллах. Для построения переходной зоны используется поверхностная энер­гия, высвобождающаяся в результате исчезновения контактирую­щих поверхностей. Если контактируют два разноименных метал­ла, то между ними тоже образуется переходная зона и возника­ют металлические связи большей или меньшей прочности.

Схватывание между металлами, покрытыми пленками окис­лов или другими химическими соединениями (сульфидами, хло­ридами) и адсорбированными пленками без специальной полной очистки поверхностей, очевидно, будет возможно при наличии ус­ловий для удаления пленок на достаточном числе участков и при сближении поверхностей на этих участках на межатомное рас­стояние. Такие условия могут быть в результате пластической деформации при действии одной только нормальной нагрузки в зависимости от соотношения механических свойств пленки и ме­талла. Если сопротивление пленки деформированию значительно больше, чем сопротивление металла (твердость пленки выше твердости металла), то при достаточной нагрузке металл плас­тически деформируется. Пленка при этом не растекается, а раз­рывается на отдельные части, связанные с металлом, почти не изменяя общую площадь. Происходит выход основного металла в промежутки между частями пленки и совершается схватыва­ние на чистых вновь образованных поверхностях металла. Если твердость пленки меньше твердости металла, то пленка дефор­мируется вместе с металлом, не разрушаясь, схватывания не возникает.

Один и тот же металл в зависимости от свойств пленок на его поверхности может обладать способностью к схватыванию или такую способность не проявлять.

На процесс схватывания влияет толщина металлических и ок­сидных пленок в связи с неизменным присутствием на них адсор­бированных пленок из внешней среды. На разорванных участках толстых пленок, по-видимому, вследствие их большой пористости, загрязнения под нагрузкой почти не выдавливаются. Загрязне­ния с тонких пленок стекают и препятствуют схватыванию по­верхностей.

Схватывание металлов происходит не только при повышен­ных, но и при нормальных температурах и, что особенно примечательно, независимо от длительности пребывания металла в кон­такте. С повышением температуры процесс схватывания облег­чается.

Адгезионное действие при трении аналогично схватыванию. Прочность схватывания или адгезии двух поверхностей может быть оценена величиной напряжений растяжения, необходимых для разрушения образовавшихся связей. Эта величина зависит для данной пары трения от площади сцепления. Поскольку при контакте между телами действуют силы упругости даже в об­ласти пластического течения, то при снятии нагрузки достаточно действия только упругих сил, чтобы разорвать образовавшиеся связи. Подобного самопроизвольного разрушения связей не бу­дет, если общая площадь сцепления превышает некоторый ми­нимум.

Схватывание между металлическими поверхностями при не­которых режимах трения без смазочного материала возникает сравнительно легко. Пластическое деформирование на площад­ках фактического контакта и внедрение одной поверхности метал­ла в другую создают условия для удаления окисных и адсорби­рованных пленок масел, жиров, газов и влаги и образования уз­лов схватывания. Узел схватывания — это местное соединение поверхностей, образующееся при трении в результате схваты­вания. Местное соединение поверхностей при трении вследствие адгезии называют узлом адгезии.

Необходимой предпосылкой для образования узла схватыва­ния на поверхностях трения является разрушение смазочной пленки. Оно может произойти под действием высокой темпера­туры при упругой деформации поверхностных слоев, при наличии значительной пластической деформации или при совместном действии повышенной температуры и пластической деформа­ции [27].

В. Н. Гуляев и И. Н. Лагунцев выдвинули гипотезу для объ­яснения различной способности металлов к схватыванию. Мо­лекулы водорода, кислорода, азота и некоторые другие двух­атомные молекулы, адсарбируясь на металлических поверхно­стях, переходят в атомарное состояние, благоприятствующее диф­фузии в металл.

Доказано, что азот, углерод и водород могут входить в кристаллическую решетку металла, куда также про­никает кислород при малом количестве его на поверхности в на­чальный период окисления. Следовательно, если на поверхно­сти контакта адсорбированные атомы способны раствориться в поверхностных слоях контактирующих деталей, то наступит схватывание. Роль пластического деформирования заключает­ся в разрушении поверхностных окисных пленок и снижении концентрации адсорбированных атомов на поверхности факти­ческого контакта.

 

 

При изучении схватывания металлов Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1956 г. было установлено условие глубин­ного вырывания при схватывании. Пусть известно изменение со­противления материала срезу т по глубине z от поверхности тре­ния: т=Ф(г). Если градиент механических свойств материала dt/dz>0, то прочность поверхностных слоев меньше, чем ни­жележащих, и глубинного вырывания при схватывании не будет. Если dx/dz<0 и прочность связи выше прочности основного ме­талла, то при относительном движении поверхностей при схва­тывании произойдет глубинное вырывание.

Этот критерий в то время давал некоторые основания для создания материалов, которые обеспечивали бы благодаря по­ложительному градиенту механических свойств по глубине чисто внешнее трение без переноса материала с одной поверхности трения на другую. Однако открытие избирательного переноса (ИП) при трении опровергло это положение; оно оказалось в принципе неверным. При избирательном переносе поверхностный слой металла разупрочняется, превращаясь в квазижидкое тело; при этом происходит перенос материала на твердую стальную поверхность (сжиженная медь переносится на сталь несмотря на положительный градиент механических свойств). Перенос при трении может быть отдельными атомами, их группами, мицелла­ми и небольшими кусками медной пленки (рис. 4.11). Сущест­венным является упрочняющее дейстие твердой стальной поверх­ности на медную пленку в результате возникновения адгезион­ных сил. В зоне непосредственного контакта квазижидкая мед­ная пленка как бы упрочняется, и при тангенциальном смеще­нии разрыв получается в глубине медной пленки. Внешнее трение здесь переходит во внутреннее. Последний вид трения в данном случае выгоднее с точки зрения износостойкости деталей и энерге­тических потерь.

Изнашивание при схватывании. Процесс возникновения и раз­рушения узлов схватывания видоизменяется в зависимости от конструкции деталей, их материалов и режимов трения. Рассмот­рим проявления схватывания и адгезии, наблюдаемые при ис­пытании образцов на машинах трения и при исследовании тех­нического состояния узлов трения машин.

1. Вырывы материала в виде микроскопических и субмикро­скопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую поверхность (рис. 4.12). Площадь частиц мала, масса их может быть до К)^-10 г. При работе приваренные частицы срабатываются, вырываются и уносятся из зоны трения. Повреждения поверх­ностей наблюдаются под микроскопом, а мельчайшие частицы могут быть обнаружены лишь радиографией. Независимо от час­тоты образования узлов схватывания интенсивность изнашива­ния будет мала. Такое проявление схватывания не может выз­вать катастрофического разрушения.

2. Образование тонкой пленки (налета) мягкого материала на твердой сопряженной поверхности, например, омеднение ре­жущих кромок резца при резании меди и ее сплавов, намазыва­ние бронзы на сталь (на валы, червяки, болты), свинца на сталь, стали или алюминиевого сплава на хромовое покрытие, поли­мера, резины на вал. Последствия такого схватывания следую­щие:

может наблюдаться интенсивное изнашивание, например, в случае, когда бронзовая пленка отделяется от стальной детали, уносится из зоны трения и возникает вновь;

при высокой скорости скольжения из-за большого тепловыде­ления, вызванного значительной силой трения между одноимен­ными металлами, намазывание бронзы может закончиться за­еданием;

намазывание вызывает резкое увеличение силы трения, не влияя заметно на износ (например, намазывание полиамидов на стальной вал);

намазывание является стадией предкатастрофического пов­реждения поверхностей трения; тончайший слой стали, нама­занный на хромированную поверхность, схватывается со стальной поверхностью трения;

затем происходит обратный перенос хрома на покрытие с образованием новых больших очагов схватывания; таким обра­зом, возникает сложная цепь взаимоперекрывающихся явлений;

намазывание резины на стальную или бронзовую шейку вала, как правило, повышает силы трения, и пара трения из антифрик­ционной превращается во фрикционную пару с повреждением резиновой поверхности;

образование тонкого слоя меди на стальной поверхности при ИП не приводит к износу сопряжения и увеличению сил трения.

3. Перенос твердого материала на мягкую поверхность. Сталь переносится на бронзу, бронза вследствие адгезии переносится на резину или пластмассу. На более твердой поверхности обра­зуются риски в результате царапающего действия перенесенного металла, находящегося в состоянии наклепа. Такой вид схваты­вания приводит к потере работоспособности узла трения, хотя проявляется редко, обычно при очень высоких давлениях и тем­пературах.

4. Вырывание материала с образованием глубоких борозд, уступов и впадин (рис. 4.13). Процесс вырывания сопровожда­ется интенсивным наклепом поверхностных слоев на значитель­ную глубину.

Глубинное вырывание поверхностных слоев является недо­пустимым явлением; оно приводит к повышению скорости из­нашивания в десятки тысяч раз, увеличению сил трения, по­вреждению поверхностей, что снижает сопротивление усталости деталей, а в ряде случаев вызывает их заклинивание и полом­ку (2].

Как было показано, схватывание материалов проявляется в самых разнообразных формах. Начинается оно с субмикроско­пических повреждений, переходя постепенно к локализованному разрушению поверхностного слоя, различимому невооруженным глазом, и к глубинному вырыванию.

При эксплуатации машин для качественной оценки степени повреждения поверхностей используют следующие термины.

Натир — участок поверхности трения, отличающийся по цвету от прилегающих участков и испытывающий наибольшее давле­ние. Натир бывает светлым (результат сглаживания микронеров­ностей поверхности или образования мельчайших рисок в направлении скольжения) и темного цвета (результат местного повышения температуры и образования окисных пленок). Натиры могут образовываться при любом виде изнашивания; вместе с тем они могут стать зонами повреждения от схватывания.

 

 

 

Задир — образование в результате схватывания различимой невооруженным глазом борозды с оттеснением материала как в стороны, так и по направлению скольжения. Может образоваться и группа борозд.

Заедание — наиболее яркая форма проявления схватывания. Образуются широкие и глубокие борозды с неровными краями, иногда слившиеся; имеются крупные наросты; возможно оплав­ление поверхности. Может произойти полное заклинивание де­талей. Заедание наблюдается в тяжелонагруженных подшипни­ках скольжения, зубчатых зацеплениях, передающих значитель­ные крутящие моменты, реже в подшипниках качения; в зо­лотниковых парах, шарнирных соединениях, в деталях цилинд-ропоршневой группы двигателей, в направляющих станков и дру­гих машин, в резьбовых соединениях и т. п.

Соединение деталей вследствие роста окислов в зазоре. Схва­тывание может произойти не только при взаимном перемещении поверхностей, но и при длительном неподвижном контакте со­пряженных деталей в окислительной среде (воздухе, водяном паре и т. д.) вследствие сращивания окисных пленок в зазорах. Такое схватывание (следовало бы сказать адгезия) наблюдается в предохранительных клапанах и запорной арматуре в виде «при-кипания» тарелки к корпусу или к седлу и в резьбовых соеди­нениях, работающих при повышенной температуре, в виде заеда­ния при их разборке.

Механизм соединения сопряженных металлических тел при окислении следующий. Независимо от точности и плотности вза­имного прилегания поверхностей между ними имеются зазоры, во много раз превосходящие размер молекулы окислителя. Про­никая в эти зазоры, молекулы окислителя адсорбируются на окисных пленках, затем вступают в химическое соединение с металлом поверхностных слоев. Образование окисных пленок завершается соединением кристаллических решеток пленок на тех или иных участках (рис. 4.14). Число таких участков увели­чивается с течением времени. При высоких температурах про­цесс ускоряется. Для соединения сопряженных металлических деталей, помимо наличия окислительной среды, необходимо, что­бы объем окисной пленки превышал объем металла, перешедшего в окисел.

Разборка резьбовых соединений котлотурбинного, газотур­бинного и другого оборудования, работающего при высоких тем­пературах, часто сопровождается изломом болтов и шпилек в результате приложения значительно больших усилий, чем при сборке. Такие же трудности возникают при устранении недостаточной затяжки болтовых соединений под нагрузкой. Для по­ворота гайки требуется приложить большой крутящий момент, чтобы разрушить окисный слой в зазорах болтовой и гаечной на­резок и слой в микрозазорах между опорным торцом гайки и сопряженной поверхностью. Уже при первом страгивании гайки твердые частицы окислов железа своим абразивным воздействи­ем повреждают поверхность резьбы. При дальнейшем повороте гайки повреждения усиливаются и может наступить заедание, вероятно, прежде всего в высоконагруженной области гайки, оп­ределяемой законом передачи осевого усилия по виткам резьбы.

Легко вывинтить болты и шпильки, изготовленные из мате­риала, коэффициент линейного расширения которого ниже, чем у материала гайки. Этим нельзя пользоваться в муфтовых, резь­бовых и фланцевых соединениях, где различие коэффициентов линейного расширения материалов болтов и гаек может выз­вать потерю плотности.

Окраска крепежных деталей после сборки может предохра­нить поверхность резьбы от окисления. Некоторые смазочные материалы — дисульфидмолибденовые, графитовые и сернортутные, а также содержащие порошки меди предохраняют резьбо­вые соединения от «пригорания» и заедания.