Изнашивание при фреттинг-коррозии

 

Общие сведения. Фреттинг-коррозия — это процесс разрушения плотно контактирующих поверхностей пар ме­талл— металл или металл — неметалл при их колебательных перемещениях. Для возбуждения фреттинг-коррозии достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разруше­ние заключается в образовании на соприкасающихся поверхно­стях мелких язв и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Этому виду изнашивания подвержены не только уг­леродистые, но и коррозионно-стойкие стали в парах трения сталь — сталь (могут быть как одноименные, так и разноимен­ные), сталь — олово или алюминий, сурьма, а также чугун-—ба­келит или хром и многие другие пары трения.

Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающих­ся поверхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты изнашивания не могут выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.

При фреттинг-коррозии относительная скорость движения соприкасающихся поверхностей небольшая. Так, в случае гармо­нических колебаний с амплитудой 0,025 мм и частотой 50 с^-1 максимальная скорость 7,5 мм/с, а средняя — 2,5 мм/с

Если амплитуда колебательного движения большая (около 2,5 мм), то площадь поражения фреттинг-коррозией увеличивается, и изнашивание происходит как при однонаправлен­ном скольжении. Можно считать по­этому, что амплитуда перемещения по­верхностей около 2,5 мм является верхним пределом амплитуды для воз­буждения фреттинг-коррозии. Все ска­занное относится к несмазанным по­верхностям.

Фреттинг-коррозия осуществляется также в вакууме, в среде кислорода, азота и гелия. Интенсивность изнаши­вания при фреттинг-коррозии в атмо­сфере воздуха выше, чем в вакууме и в среде азота, а в кислороде больше, чем в гелии. Таким образом, фрет­тинг-коррозия представляет собой вид

разрушения металлов и их сплавов в мало- и неагрессивных коррозионных средах при одновременном воздействии механи­ческих и химических факторов [9].

Язвы и продукты коррозии на сопряженных поверхностях валов и напрессованных на них дисков, колес, муфт и колец под­шипников качения, на осях и ступицах колес подвижного соста­ва железных дорог, на запрессованных в картерах вкладышах подшипников, на пригнанных поверхностях шпонок и их пазов, на центрирующих поверхностях шлицевых соединений, на опо­рах силоизмерительных устройств, на опорных поверхностях пружин, на затянутых стыках, в заклепочных соединениях меж­ду листами, на заклепках и в отверстиях, на болтах и т. п. — ре­зультат проявления фреттинг-коррозии. Этот вид коррозии на­блюдается в проволочных канатах, электровыключателях, ру­бильниках и штепсельных разъемах (рис. 4.15).

Продукты фреттинг-коррозии накапливаются в виде порош­ков, содержащих металлические частицы. Они образуются в ре­зультате трения алюминиевого контейнера при его перевозке о металлические части транспортного средства и являются взрыво­опасными. В случае удаления порошков из зоны трения проис­ходит ослабление посадок с натягом.

Необходимые для протекания этого процесса относительные микросмещения сопряженных поверхностей совершаются вслед­ствие деформации деталей под нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происходящих в упругих системах.

Повреждения поверхностей вследствие фреттинг-коррозии служат коцентраторами напряжений и снижают предел усталости. Иногда усталостные трещины из-за фреттинг-коррозии появляются на валах под напрессованными деталями в местах, расположенных вдали от расчетных опасных сечений [55].

Контактирующие поверхности повреждаются вследствие фреттинг-коррозии и в то время, когда машина не работает из-за вибрации, возбуждаемой работающими механизмами. По­добное явление возможно и при перевозке машин.

Механизм фреттинг-коррозии. Рассмотрим один из случаев повреждения фланца корпуса агрегата. При ремонте двигателя было обнаружено значительное развитие процесса фреттинг-кор­розии на фланце агрегата двигателя — вспучивание материала (рис. 4.16). Повреждения по плоскости фланца располагались вблизи шпилек и характеризовались большой пластической де­формацией. Материал фланца в местах повреждения находил­ся как бы в расплавленном состоянии и был покрыт темной окис-ной пленкой.

При фреттинг-коррозии протекают следующие процессы. Под действием сил трения кристаллическая решетка поверхностных слоев при циклических тангенциальных смещениях расшатыва­ется и разрушается. Процесс разрушения представляет собой дис­пергирование поверхности без удаления продуктов изнашива­ния. Оторвавшиеся частицы металла подвергаются быстрому окислению. Дополнительным источником повреждения поверх­ностей может явиться возникающее местами схватывание сопря­женных металлов.

Упрощенная схема процесса фреттинг-коррозии в начальной фазе такова: перемещение и деформация поверхностей под дей­ствием переменных касательных напряжений — коррозия —раз­рушение окисных и других пленок — обнажение чистого метал­ла и местами схватывание — разрушение очагов схватывания и адсорбция кислорода на обнаженных участках.

Образование окисных пленок на металлической поверхности или продуктов изнашивания в виде окислов изменяет характер протекания процесса, который начинает определяться не только физико-химическими свойствами материалов пары трения в ис­ходном состоянии, но и природой окислов и других образовав­шихся химических соединений. Окислению металла сопутствует увеличение объема. При наличии в сопряжении замкнутых кон­туров (например, в цилиндрических сопряжениях) это приводит к местному повышению давления, что способствует повышению интенсивности изнашивания и возникновению питтингов. Окислы оказывают абразивное действие, которое зависит от прочности сцепления окисных пленок с основным металлом, твердости окислов и размеров их частиц в продуктах изнашивания. Твер­дость окислов металлов, как правило, больше твердости чистых металлов

Механизм изнашивания при фреттинг-коррозии в упрощен­ном виде показан на рис. 4.17. Первоначальное контактирова­ние деталей происходит в отдельных точках поверхности. При вибрации окисные пленки в зоне фактического контакта разру­шаются, образуются небольшие каверны, заполненные окисными пленками, которые постепенно увеличиваются в размерах и сливаются в одну большую каверну. В ней повышается давление окисленных частиц металла, образуются трещины. Не­которые трещины сливаются, и происходит откалывание отдель­ных объемов металла. Частицы окислов производят абразивное воздействие. В результате действия повышенного давления и сил трения частиц окислов повышается температура, и происхо­дит образование белых твердых нетравящихся структур в отко­ловшихся частицах и на поверхности каверн.

Твердость АЬОз превосходит твердость азотированной стали. Это объясняет странный на первый взгляд факт разрушения при фреттинг-коррозии сверхтвердых сплавов и сильного разрушения закаленной хромистой стали при трении о них алюминия. На­против, хромистая сталь при трении о цинк и медь, т. е. о ме­таллы с большей, чем у алюминия, твердостью, повреждается меньше вследствие малой твердости окислов цинка и меди. Вмес­те с тем медь изнашивается значительно медленнее цинка не столько в результате большей твердости, сколько вследствие то­го, что окисные пленки меди прочно сцепляются с основой и об­разуют плотный слой, защищающий основной металл. Внедре­ние твердых окислов олова и алюминия в мягкие металлы может значительно уменьшить их дальнейший износ. Крупный размер частиц окислов способствует повышению интенсивности изна­шивания. Так, в паре алюминий — закаленная хромистая сталь, где сталь сильно изнашивается, размер частиц корунда 10 мкм.

Можно было бы полагать, что свободный графит в серых чу-гунах, контактирующих без смазочного материала, должен сни­зить скорость изнашивания при фреттинг-коррозии. Опыты это­го не подтверждают; по-видимому, графит не обеспечивает эф­фективного смазывания в этих условиях, а структуру ослабля­ет. Перлитные чугуны в контакте друг с другом менее подвер­жены повреждению, чем ферритно-перлитные. Большая твер­дость является благоприятным фактором. Фосфидная эвтектика упрочняет ферритно-перлитные чугуны.

При фреттинг-коррозии возможно образование и белых слоев в результате диффузии азота или углерода из продуктов раз­ложения масла. В результате схватывания и пластической де­формации могут образовываться наплывы материала.

С увеличением давления, а в особенности амплитуды относи­тельных смещений, скорость изнашивания при фреттинг-корро­зии возрастает. Этот рост при повышении давления обусловлен увеличением площади контакта, поражаемой коррозией. Повышение частоты перемещений ускоряет изнашивание, но, начи­ная с некоторой частоты, снижается активность факторов, проте­кающих во времени (окислительные процессы, наклеп и др), и рост скорости изнашивания уменьшается.

Методы борьбы с фреттинг-коррозией. Универсальных средств борьбы с фреттинг-коррозией нет. Если исходить из того, что взаимное микросмещение поверхностей не может быть исклю­чено вследствие упругости материала, то для борьбы с фреттинг-
коррозией следует: а) уменьшить микросмещения; б) снизить силы трения; в) сосредоточить скольжение в промежуточной среде.

Уменьшить относительное микросмещение можно путем при­дания деталям соответствующей конфигурации или посредством повышения силы трения. Что касается конфигурации деталей, то общеизвестно, что применение разгружающих выточек в сту­пицах повышает предел выносливости валов и осей.

Силы трения можно увеличить, повысив давление путем уменьшения площади контакта деталей или повысив коэффи­циент трения за счет увеличения шероховатости поверхностей. Повышение давления может быть действенным, если проскаль­зывание поверхностей значительно снизится и будет скорее суб­микроскопического, нежели микроскопического характера; в про­тивном случае результаты будут прямо противоположны ожи­даемым. Шероховатость поверхностей может длительно влиять на коэффициент трения, если один из элементов пары не являет­ся металлом. Другой метод увеличения силы трения состоит в нанесении на поверхность электролитического слоя меди, олова, кадмия, серебра или золота. Сила трения возрастает за счет повышения фактической площади контакта сопрягаемых дета­лей. Например, можно исключить фреттинг-коррозию между ли­тым алюминиевым картером и корпусом подшипника с помощью лужения. Кадмирование вкладышей, болтов и других деталей для защиты от коррозии и фреттинг-коррозии широко распро­странено в авиационной и автомобильной промышленности. Од­нако при значительных микросмещениях эти покрытия сами подвергаются фреттинг-коррозии и быстро изнашиваются.

Если исключить вибрацию невозможно, то ослабить повреж­дение поверхностей можно снижением силы трения или перене­сением скольжения в промежуточную среду. Для снижения удель­ной силы трения достаточно понизить давление или уменьшить коэффициент трения. В условиях фреттинг-коррозии обычные смазочные материалы не влияют на коэффициент трения, так как граничная пленка в процессе работы не пополняется и быст­ро разрушается. Дисульфид молибдена в виде порошка или пас­ты уменьшает повреждения, но, по-видимому, он не является универсальным средством.

Аналогично действуют свинцовые белила или их смесь с M.0S2. Фосфатированная поверхность, обработанная водной эмульсией масла или покрытая парафином, уменьшает силы трения.

Свинцовые и индиевые покрытия при малом сопротивлении сдвигу играют роль твердых смазочных материалов. Хотя сила трения при этом и уменьшается, основное назначение покрытий состоит в перенесении процесса смещений во внутрь покрытия. Все покрытия срабатываются, большая или меньшая их эффек­тивность определяется сроком службы.

Хорошую сопротивляемость фреттинг-коррозии оказывают пары сталь — политетрафторэтилен или полиамиды. Действен­ным средством могут стать резиновые прокладки.

Наконец, уменьшить повреждение от фреттинг-коррозии мож­но, повышая твердость одной детали. При увеличении твердо­сти стали уменьшается взаимное внедрение деталей, что снижает интенсивность изнашивания; кроме того, продукты изнашивания в этом случае меньше по размерам и их абразивное действие слабее. Закалка и азотирование полезны; хромирование не пре­дотвращает и, вероятно, не уменьшает повреждения из-за высо­кой твердости окисла хрома.

 

 

 

КОРРОЗИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ВИДОВ КОРРОЗИИ

Коррозия — это процесс разрушения металлов вследствие хими­ческого или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой.

Чистая металлическая поверхность легко подвергается химиче­скому воздействию окружающей среды. Коррозионные повреждения имеют следующие основные особенности: разрушение металлов всегда начинается с поверхности; внешний вид детали, как правило, изменя­ется; металл обычно превращается в окислы или гидраты окислов.

По характеру внешней среды различают коррозию химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами и парами и жидкими неэлектролитами.

Газовой коррозии подвержены цилиндры двигателей внутреннего сгорания, выпускные клапаны, камеры сгорания газовых турбин, эле­менты паровых котлов и пароперегревателей, арматура печей и др. Га­зовая коррозия наиболее часто происходит вследствие окисления ме­талла при высоких температурах за счет кислорода воздуха или СС>2 и Ог в продуктах сгорания топлива. На поверхности металла образуется слой окислов (окалина), который становится хорошо заметным при температурах более 300 "С. При нагреве углеродистой стали выше 570 °С интенсивность окисления скачкообразно увеличивается. Такие элементы, как хром, алюминий и кремний при взаимодействии с ки­слородом образуют весьма плотные и прочные окисные пленки и по­этому обладают высоким сопротивлением окислению при повышенных температурах. Так, например, увеличение содержания хрома в стали с 12 до 22% повышает устойчивость стали к окислению при темпера­турах от 800 до 1000 "С.

Как разновидность химической коррозии в жидких средах следует отметить коррозию металла в неэлектролитах. Такими средами обычно являются различные органические вещества, весьма слабо проводящие ток (бензин, керосин, спирты и др.). Интенсивность этого вида корро­зии зависит прежде всего от химической природы органического ве­щества и его температуры.

Электрохимическая коррозия объясняется действием микрогаль­ванических элементов. В качестве анода и катода могут служить раз­личные структурные составляющие сплава: граница и сердцевина зер­на, напряженный и ненапряженный участок металла, чистый металл и его окислы. При этом анодные участки всегда имеют более высокий электронный потенциал и подвергаются растворению с образованием в контакте с водой окислов металла в виде плотной или рыхлой пленки продуктов коррозии.

Атмосферная коррозия развивается при нормальном давлении и температуре, не превышающей 80 °С. Детали машин в этом случае на­ходятся в контакте с атмосферным воздухом, который всегда содержит некоторое количество влаги. Мельчайшие частицы воды, являющейся электролитом (в связи с обязательным наличием в ней солей, щелочей и кислот), оседают на поверхности металла, образуя с ним микрогаль­ванические пары.

Наиболее интенсивно электрохимическая коррозия воздействует на металл в растворах электролитов (например, морской воды) с по­вышенным содержанием солей, кислот и щелочей. Процесс коррозии может развиваться весьма интенсивно и может составлять 0,5 мм в месяц и более. При проектировании узлов машины или оборудования, предназначенных для работы в среде электролита, следует учитывать, что изготовление деталей из разнородных материалов может привести к образованию микрогальванических элементов.

В некоторых машинах наблюдается щелевая коррозия, при которой коррозионные повреждения сосредоточены в зазорах между поверхно­стями. Это могут быть щели между листами металла, зазоры в сопря­жениях, трещины в металле и др. Это связано с тем, что малодоступ­ные для кислорода или электролита участки поверхности металла становятся анодом по отношению к остальной поверхности.

Во многих случаях коррозия протекает параллельно с различными видами изнашивания в трущихся сопряжениях, существенно влияя на износ рабочих поверхностей.

Даже небольшая коррозия подшипников качения сильно снижает контактную выносливость рабочих поверхностей. Продукты коррозии действуют как абразив. Окисление коллекторов, контактных колец и щеток электрических машин вызывает повышенное искрение и износ. При атмосферной коррозии происходит интенсивное наводораживание стальных деталей, что является причиной снижения сопротивления механическим нагрузкам.

ДЕФОРМАЦИЯ И ИЗЛОМЫ

 

В результате приложения нагрузки происходит деформация мате­риала, сопровождающаяся изменением формы и размеров детали. Различают упругие деформации, исчезающие после снятия нагрузки, и пластические, остающиеся после снятия нагрузки.

Изломом называют полное разрушение материала детали, приво­дящее к ее расчленению при растяжении, сжатии, изгибе, кручении или сложном напряженном состоянии. Изломы разделяют по характе­ру нагружения — статический и усталостный, а также по особенно­стям строения — хрупкий и вязкий.

Характер приложения нагрузки и, как следствие, механизм разру­шения могут быть самыми разнообразными. При кратковременной на­грузке возникают статические изломы. Под вязким понимают излом, происходящий при наличии макропластической деформации. Возник­новение пластичного излома свидетельствует о том, что материал не выдержал расчетной нагрузки. Хрупкий излом в отличие от пластиче­ского возникает при отсутствии или незначительных размерах макро­пластической деформации. Причиной хрупкого излома являются мгно­венное приложение нагрузки, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении детали, хладноломкость материала.

Деформации и изломы возникают при чрезмерном увеличении на­пряжений в материале детали, превосходящих предел текучести или предел прочности.

Изломы при однократном или при постоянном длительном дейст­вии нагрузки в практике наблюдаются сравнительно редко. Чаще встречаются так называемые усталостные изломы.

Явление разрушения материала под действием переменных напря­жений в течение некоторой наработки называется усталостью. Спо­собность материала сопротивляться усталостному разрушению назы­вается выносливостью, или циклической прочностью. При цикличе­ски изменяющихся напряжениях наибольшее по абсолютной величине напряжение цикла, при котором материал не разрушается при задан­ном числе циклов, называется пределом выносливости.

К числу деталей, подвергающихся усталостному разрушению, от­носятся валы и оси автомобилей, тракторов, рессоры, шпиндели и др.

Усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Зарождению усталостной трещины способствует наличие микродефектов и концентраторов напряжений в опасном сечении де­тали. Типичный усталостный излом характеризуется наличием очага разрушения, зоны усталостной трещины и зоны долома. Особенностью усталостного излома является то, что независимо от вязкости мате­риала излом имеет хрупкий характер. Процесс зарождения трещины усталости начинается в точке в результате наличия на поверхности микродефекта.

 

 

Возникнув в микрообъеме материала, усталостная тре­щина постепенно, под влиянием переменной нагрузки, распространя­ется в глубь тела детали. По мере ослабления сечения темп развития трещины усиливается и при определенном остаточном сечении проис­ходит полный долом детали.

Предел выносливости, установленный на базе 10⁶ и 10⁷ симмет­ричных знакопеременных циклов, составляет обычно 30...60% от пре­дела прочности. Поэтому усталость материала часто является факто­ром, лимитирующим долговечность деталей.

Результаты испытаний на усталостную прочность представляют графически в виде диаграммы выносливости, выражающей зависи­мость напряжения от числа циклов нагружения. Чаще всего диаграм­му выносливости изображают в полулогарифмических координатах (рис. 3.6). В этом случае по оси абсцисс откладывают логарифмы чи­сел циклов \gN, а по оси ординат — напряжения а в линейном мас­штабе. При использовании полулогарифмических координат критери­ем для суждения о пределе выносливости служит перелом кривой.

На изломы деталей существенное влияние оказывает коррозия. Наи­более типичными видами коррозионно-механических повреждений явля­ются коррозионная усталость и коррозионное растрескивание.

Коррозионная усталость представляет собой процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Возникновение усталостной трещины про­исходит при дополнительном действии коррозионного фактора. Процесс развития трещины протекает также более интенсивно, так как дно и стенки трещины подвергаются воздействию коррозионной среды.

Коррозионное растрескивание возникает под действием статиче­ских напряжений и весьма агрессивной коррозионной среды. Оно возни­кает вследствие пониженной коррозионной стойкости границ зерен, на­личия в сплаве структурной составляющей, подверженной коррозии, и наводораживания границ зерен, приводящего к уменьшению межкри­сталлической прочности.

 

 

Из имеющих место в сопряжениях автомобиля механичес­ких видов изнашивания абразивное является основным. Оно возникает вследствие режущего или царапающего действия абразивных частиц, находящихся между поверхностями трения и попадающих в зону трения извне или являющихся продукта­ми изнашивания. Абразивному изнашиванию подвергаются детали цилиндропоршневой группы при попадании в цилинд­ры пыли вместе с запыленным воздухом, зубья шестерен и подшипники агрегатов трансмиссии, сопряжения деталей хо­довой части и рулевого управления. Интенсивность абразив­ного изнашивания зависит от механических свойств материала деталей, давления в паре трения, скорости сколь­жения при трении, режущих свойств абразивных частиц. Эф­фективными путями снижения абразивного изнашивания являются: правильный подбор материала трущихся деталей; предохранение трущихся поверхностей от попадания абразив­ных частиц; своевременное удаление продуктов изнашивания с трущихся поверхностей.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание возника­ет в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых по­током жидкости (газа). Такой вид изнашивания деталей топливных, масляных и водяных насосов, гидроприводов тор­мозов нередко проявляется вместе с эрозионным изнашивани­ем вследствие воздействия на поверхность трения потока жидкости (газа). Трение потока жидкости (газа) о металл вы­зывает разрушение окисной пленки и способствует коррозион­ному разрушению материала, которое усиливается при действии абразивных частиц и микроударах в случае возник­новения кавитации.

Кавитационное изнашивание происходит в потоке жидко­сти в результате многократных микроударов образующихся и разрушающихся кавитационных полостей.

Усталостное изнашивание происходит в результате по­вторного деформирования микрообъемов материала поверх­ностного слоя, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц. Оно наиболее характерно для трения каче­ния (рабочие поверхности подшипников качения, зубьев шес­терен). Снижают интенсивность этого вида изнашивания применением специальной обработки деталей (предваритель­ный наклеп, термохимическая обработка и др.).

Изнашивание при заедании является следствием одновре­менного механического взаимодействия поверхностей и дей­ствия молекулярных или атомарных сил. Оно может иметь место в результате схватывания, молекулярного сцепления материалов в местах контакта, последующего разрушения этой связи с глубинным вырыванием материала и переносом его с одной поверхности на другую. С целью уменьшения интенсивности изнашивания при заедании прибегают к поверхностно­му упрочнению деталей, наносят на них специальные покрытия, обеспечивают обильное смазывание поверхностей и т.д.

Коррозионно-механическое изнашивание происходит в ре­зультате механического воздействия, сопровождающегося хи­мическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой.

Для окислительного изнашивания характерно наличие на поверхности трения защитных пленок, образующихся в резуль­тате химического взаимодействия материала с кислородом воздуха или окисляющей средой. В этих пленках в результате многократного нагружения и появления внутренних напряже­ний возникают и развиваются микротрещины, затем происхо­дит ослабление связей на поверхности раздела и отслаивание пленки. Последующее механическое воздействие приводит к ее разрушению. На обнаженных участках процесс повторяет­ся вновь. Окислительное изнашивание характерно для шеек коленчатых валов, гильз цилиндров, поршневых пальцев, зу­бьев шестерен и т.д.

Изнашивание при фреттинг-коррозии характерно для со­прикасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Фреттинг-коррозия возникает при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными пере­мещениями в условиях динамических нагрузок. Динамический характер нагружения обусловливает резкое повышение гради­ента деформации и температур, окисление и схватывание поверхностей. Изнашивание при фреттинг-коррозии наблюдает­ся в посадочных поверхностях подшипников поворотных цапф, шестерен, в болтовых и заклепочных соединениях рам и т.д.

Электроэрозионное изнашивание — это изнашивание по­верхности в результате воздействия разрядов при прохожде­нии электрического тока.

Большинство деталей автомобиля подвергается обычно совокупному воздействию различных видов изнашивания в за­висимости от конструктивно-технологических и эксплуатаци­онных факторов. Но, как правило, для каждого сопряжения характерен основной вид изнашивания, определяющий изно­состойкость деталей и в большинстве случаев лимитирующий время безотказной работы сопряжения.

4. Основные виды изнашивания

4.1. Классификация узлов трения

Для определения условий изнашивания деталей, работающих в узлах трения, с целью обоснованного применения отделочно-упрочняющей обработки для повышения износостойкости поверхностей требуется использование классификации узлов трения, учитывающей влияние параметров качества поверхностного слоя, образующегося в процессе изготовления деталей.

 

 

Рис.4.1. Классификация видов изнашивания.

4.2. Водородное изнашивание

4.2.1. Сущность и определение водородного изнашивания

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей. Он выделяется из материалов пары трения или из окружающей среды (смазочного материала, топлива, воды и др.) и ускоряет изнашивание. Водородное изнашивание обусловлено следующими процессами, происходящими в зоне трения:

· интенсивным выделением водорода при трении в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, создающей источник непрерывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна;

· адсорбцией водорода на поверхностях трения;

· диффузией водорода в деформируемый слой стали, скорость которой определяется градиентами температур и напряжений, что создает эффект накопления водорода в процессе трения;

· особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования и эффектом накопления водорода.

Сущность водородного изнашивания в том, что при трении двух тел максимальная температура образуется не на поверхности тел, а на некоторой глубине. Это создает условия при которых водород под действием температуры диффундирует вглубь поверхности, там концентрируется и вызывает охрупчивание поверхностных слоев, а следовательно, усиливает изнашивание.

Область проявления водородного изнашивания весьма обширна. Практически все трущиеся поверхности стальных и чугунных деталей содержат повышенное количество водорода и, следовательно, подвержены повышенному изнашиванию. Наличие в воздухе паров воды создает благоприятные условия для водородного изнашивания. водородное изнашивание может быть вызвано не только водородом, который образуется при трении, но и водородом, который может образоваться при различных технологических процессах. При выплавке чугуна в доменном процессе из влаги дутья образуется водород, который и попадает в металл При термической обработке, например в результате азотирования (при диссоциации аммиака), выделяющийся водород диффундирует в сталь и т.д.

4.2.2 Водородное охрупчивание

Влияет на прочность. Различают несколько видов охрупчивания, которые делятся на две группы:

· охрупчивание первого рода, обусловленное источниками, которые имеются в исходном металле вследствие повышенного содержания водорода.

· охрупчивание второго рода, обусловленное источниками, которые развиваются в металле с повышенным содержанием водорода в процессе пластической деформации.

Охрупчивание первого рода является обратным и усиливается с повышением скорости деформации.

Охрупчивание второго рода развивается при малых скоростях деформации и может быть как обратимым, так и необратимым.

Теории водородного охрупчивания можно разделить на четыре группы.

1. Теория давления молекулярного водорода, согласно которой охрупчивание есть результат давления молекулярного водорода в макро- и микропустотах, а также в трещинах внутри металла. Давление возникает в результате молизации атомарного водорода.

2. Адсорбционные гипотезы, объясняющие снижение разрушающего напряжения вследствие уменьшения поверхностной энергии внутри трещин при адсорбции водорода (водород действует как поверхностно-активное вещество).

3. Теория взаимодействия водорода с решеткой металла; водород является разновидностью дефекта, понижающего прочность когезионной металлической связи.

4. Теории, основанные на взаимодействии водорода с дисклокациями; водород производит блокирующее действие на дислокации.

Для защиты металлов от воздействия водорода рекомендуются методы:

· введение в сталь сильных карбидообразующих элементов (хром, молибден, ванадий, ниобий и титан) для стабилизации карбидной составляющей и предупреждения обезуглероживания стали.

· футеровка стали металлами, имеющими более низкую водородопроницаемость (например медь, алюминий и др.)

· уменьшить содержание в сталях соединений серы, сурьмы, селена и др., которые способствуют проникновению в металл водорода.

4.2.3 Отличия водородного изнашивания от водородного охрупчивания

Водородное изнашивание не имеет общих черт с водородным охрупчиванием стали ни по интенсивности и характеру распределения водорода в стали, ни по характеру разрушения. Водородное изнашивание связано только с процессом трения и обусловлено трением: трение создает условия для диффундирования водорода из смазочного материала на некоторую глубину от поверхности трения, где располагается максимум температуры при трении. Там образуются множественные трещины, которые сливаясь разрушают металл.

4.2.4 Методы уменьшения и предупреждения водородного изнашивания

1. При выборе материалов для узлов трения необходимо учитывать степень их наводороживания и охрупчивания. Введение в сталь меди, хрома, ванадия, титана снижает проникновения в нее водорода.

Холоднодеформированная сталь может поглотить в 1000 раз больше водорода, чем отожженная.

Водородная хрупкость проявляется в основном в сталях ферритного класса. В закаленных и слабоотпущенных сталях хрупкое разрушение может быть даже при ничтожно малом количестве водорода.

Необходимо, где возможно, исключать из узлов трения полимеры, способные к быстрому разложению и выделению водорода.

2. В смазывающие жидкости полезно вводить ингибиторы проникновения водорода (кремний и органические соединения, содержащие несколько атомов хлора). Механизм их действия: при электролизе ионы водорода разряжаются на внешней поверхности ионов- в результате нарушается непосредственный контакт ионов водорода с поверхностью катода.

3. Водородное изнашивание можно снизить удалением из зоны контакта веществ, способствующих проникновению водорода: селен, сурьму и др.

4.3 Абразивное изнашивание

Абразивным материалом именуют минерал естественного или искусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (скобления, царапания).

Абразивным изнашиванием называют разрушение поверхности детали в результате ее взаимодействия с твердыми частицами при наличии относительной скорости. В роли таких частиц выступают:

· неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной либо под небольшим углом атакик поверхности детали (например, шаржирование посторонними твердыми частицами мягких антифрикционных материалов);

· незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали (например, насыпные грузы при их транспортировании соответствующими устройствами, абразивные частицы в почве при работе почвообрабатывающих машин и т. д.);

· свободные частицы, пребывающие в зазоре сопряженных деталей;

· свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.

Абразивному изнашиванию подвергаются детали сельскохозяйственных, дорожно-строительных, горных, транспортных машин и транспортирующих устройств, узлы металлургического оборудования, металлорежущих станков, шасси самолетов, рабочие колеса и направляющие аппараты гидравлических турбин, лопатки газовых турбин, трубы водяных экономайзеров и паровых котлов, лопасти дымососов, трубы и насосы земснарядов, бурильное оборудование нефтяной и газовой промышленности, подшипники валов гребных колес, подшипники гребных валов судов при плавании на мелководье и т. п.

На процесс абразивного изнашивания может влиять:

· природа абразивных частиц;

· агрессивность среды;

· свойства изнашиваемых поверхностей;

· ударное взаимодействие;

· нагрев и другие факторы.

Изнашивание твердыми зернами - при контакте абразивные частицы (зерна), оставаясь целыми или разрушаясь упруго деформируют металл. При этом зерна могут вдавливаться в металл, повернуться или даже выйти из контакта, оставив полосу.

Изнашивание при ударе абразивных частиц - этот процесс называют ударно- абразивным изнашиванием. На него влияет природа и геометрическая форма, твердость, хрупкость абразивных частиц, толщина слоя абразива, энергия удара, твердость испытуемого материала, наличие жидкости в зоне удара и т.д. Поле ударно- абразивного износа на поверхности остаются лунки.