Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

121

II (прямолинейный участок кривой) – установившееся изнашивание

(tg = соnst), наблюдаемое при нормальной эксплуатации соединения;

III – процесс резкого возрастания скорости изнашивания, соответствую-

щий стадии катастрофического изнашивания

Детали после сборки сопрягаются по выступам неровностей поверх-

ностей, и площадь их фактического контакта в начальный период трения

мала, поэтому при нагружении пары трения действуют большие давления,

результатом чего является значительная пластическая деформация; не-

ровности поверхности частично сминаются и частично разрушаются как

по выступам, так и по впадинам. Срабатывание микронеровностей, сгла-

живание макронеровностей и волнистости поверхностей сопровождается

увеличением несущей поверхности, интенсивность изнашивания снижа-

ется. Вместе с тем «пропахивание» поверхностей взаимно внедрившимися

объемами и продуктами изнашивания в направлении относительной ско-

рости поверхностей создает новые неровности, ориентированные вдоль

направления движения и не совпадающие с направлениями обработочных

рисок. Как показал П.Е. Дьяченко, по истечении определенного времени

при неизменных условиях работы создается стабильная шероховатость

поверхностей трения. Она может быть больше или меньше начальной ше-

роховатости: более грубые поверхности в процессе приработки выглажи-

ваются, а гладкие становятся более грубыми. Каждая из сопряженных

поверхностей к концу приработки приобретает свойственную ей шерохо-

ватость в данных условиях трения.

Микротвердость поверхностей трения к концу приработки стабилизи-

руется независимо от их начального состояния. За время приработки про-

исходит передеформирование поверхностей и изменение их физико-

химических свойств.

Процесс установившегося изнашивания заключается в деформирова-

нии, разрушении и непрерывном воссоздании на отдельных участках но-

вого поверхностного слоя со стабильными свойствами. Износ деталей

может существенно изменять свойства соединения. Увеличение зазоров

ухудшает условия жидкостной смазки и может повысить фактор дина-

мичности, а истирание цементованного или поверхностно закаленного

слоя открывает поверхности с пониженной износостойкостью. Изменения

в макрогеометрии поверхностей (например образование овальности и ко-

нусности шеек валов и цилиндров, местная выработка и волнистость на-

правляющих, неравномерный износ зубьев колес по длине и т.п.) также

являются причинами, ухудшающими условия трения. Подобные обстоя-

тельства могут вызвать при дальнейшей работе соединения увеличение

интенсивности изнашивания и привести к его отказу.

Кривая 2 на рисунке 4.2-а характеризует скорость изнашивания. Кри-

вая на рисунке 4.2-б соответствует случаю, когда после окончания прира-

122

ботки постепенно накапливаются факторы, ускоряющие изнашивание, в

силу чего отсутствует установившийся период. Кривые на рисунке 4.2-в

соответствуют случаям, когда отсутствует приработка и период устано-

вившегося изнашивания наступает сразу с начала работы. Кривые разли-

чаются зависимостями изменения скорости износа от времени. Эти зако-

номерности изнашивания характерны для инструмента и рабочих органов

машин. Им, например, «подчиняется» износ резца по задней поверхности

или лезвия лемеха плуга по ширине задней фаски. Подобным образом

могут изнашиваться и некоторые элементы машин, например цепные пе-

редачи сельскохозяйственных машин. Кривая изнашивания на рисун-

ке 4.2-г относится к деталям, находящимся под действием контактных

напряжений, причем эти детали работают длительное время практически

без истирания. Начавшееся усталостное выкрашивание поверхностных

слоев усиливается действием продуктов разрушения.

4.5 Виды изнашивания.

Общие сведения

Изнашивание поверхностей происходит в результате суммирования

различных по интенсивности и видам элементарных актов разрушений и

изменений механических и физико-химических свойств материала под

воздействием внешних факторов (среда, температура, давление, вид тре-

ния, скорость относительного перемещения поверхностей и др.). Сово-

купность различных факторов в процессе трения определяет вид изнаши-

вания и его интенсивность. Вследствие разнообразия исходных материа-

лов деталей, образующих пары трения, и условий их службы виды изна-

шивания чрезвычайно разнообразны.

Одну из первых классификаций видов изнашивания предложил

А.К. Зайцев. Известен ряд других классификаций, различающихся теми

или иными признаками. Весьма важным в вопросе о классификации име-

ло высказанное Б.И. Костецким положение о ведущем и сопутствующих

видах изнашивания. Ведущий вид – это преобладающий по своему каче-

ственному и количественному проявлению процесс в общей совокупности

с другими сопутствующими процессами изнашивания поверхностей при

трении. Положение о ведущем виде изнашивания делает перспективной

разработку классификации.

В зависимости от характера преобладающих факторов, действующих

при трении, различают следующие виды изнашивания (таблица 4.1).

123

Таблица 4.1 – Виды изнашивания

Признак классификации

Виды изнашивания

Виды изнашивания при дейст-

вии водорода

Водородное изнашивание диспергированием,

Водородное изнашивание разрушением

Виды механического изнаши-

вания

Абразивное изнашивание, гидроабразивное

изнашивание (газоабразивное), гидроэрозион-

ное изнашивание (газоэрозионное), кавитаци-

онное изнашивание, усталостное изнашивание,

изнашивание при фреттинге, изнашивание при

заедании

Виды коррозионно-

механического изнашивания

Окислительное изнашивание, изнашивание при

фреттинг-коррозии

Виды изнашивания при дейст-

вии электрического тока

Электроэрозионное изнашивание

Виды механического, коррозионно-механического и изнашивание при

действии электрического тока установлены ГОСТ 27674-88. Виды изна-

шивания при действии водорода в данный ГОСТ не вошли, хотя они про-

являются в большей или меньшей степени во всех других видах изнаши-

вания.

Вид изнашивания можно установить в первом приближении по тако-

му внешнему признаку, как вид поверхности трения. Для полной оценки

может потребоваться анализ состава, физических и механических свойств

тонких поверхностных слоев.

В эксплуатации машин встречаются различные повреждения трущих-

ся (рабочих) поверхностей деталей. Вид повреждения не является прису-

щим для данной пары трения, а зависит в общем случае от условий ее ра-

боты. Изменение их приводит к изменению вида изнашивания или разру-

шения рабочих поверхностей. При некоторых условиях трения одна де-

таль пары может подвергаться одному виду изнашивания, а другая – ино-

му. При работе вала по мягкому металлу и смазочном материале, загряз-

ненном твердыми частицами, последние впрессовываются в мягкий ме-

талл и вызывают абразивное изнашивание вала, в то время как подшипник

изнашивается весьма мало, подвергаясь диспергированию (при повышен-

ной кислотности масла изнашивание подшипника может быть коррозион-

но-механическим). Поскольку отдельные участки поверхности трения

могут находиться в различных условиях смазывания, воздействия внеш-

ней среды и т. д., то на одной и той же поверхности могут располагаться

участки с различными видами изнашивания. Например, кромки рабочих

поясков золотников гидроагрегатов имеют эрозионные повреждения, в то

время как средняя часть поверхности подвергается диспергированию.

Некоторые виды изнашивания, например в результате схватывания

или абразивного взаимодействия, могут иметь подвиды, характеризуемые

124

различной формой протекания процесса, интенсивностью, внешними при-

знаками. Естественно, методы борьбы с изнашиванием применительно к

отдельным подвидам будут разными. Водородное изнашивание проявля-

ется в большей или меньшей степени во всех видах изнашивания. Дейст-

вие водорода может выражаться в незначительном увеличении скорости

изнашивания того или иного вида, а также в самостоятельном полном

разрушении поверхностей трения.

4.6 Водородное изнашивание

4.6.1 Сущность и механизм водородного изнашивания

Проблема водородного изнашивания возникла сравнительно недавно

(35-40 лет назад [1]). Из всех видов разрушения поверхностей при трении

скольжения водородное изнашивание наиболее трудно поддается изуче-

нию, несмотря на то, что оно обнаруживается в узлах трения машин раз-

ных отраслей техники и по широте проявления может быть сравнимо с

абразивным изнашиванием. Процессы, происходящие при водородном

изнашивании, находятся на стыке таких областей науки, как электрохи-

мия, органическая химия, катализ, химия полимеров и смазочных мате-

риалов, механохимия и др.

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в по-

верхностных 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 сле-

дующими процессами, происходящими в зоне трения:

– интенсивным выделением водорода при трении в результате трибо-

деструкции водородсодержащих материалов, создающей источник непре-

рывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна:

– адсорбцией водорода на поверхностях трения;

– диффузией водорода в деформируемый слой стали, скорость кото-

рой определяется градиентами температур и напряжений, что создает эф-

фект накопления водорода в процессе трения;

– особым видом разрушения поверхности, связанного с одновремен-

ным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне дефор-

мирования. Характерным для разрушения является мгновенное образова-

ние мелкодисперсного порошка материала;

– водородом, проникшим в материал при выполнении технологиче-

ских операций, который при трении диффундирует в поверхность и уско-

ряет процессы еѐ изнашивания и разрушения;

125

– экзоэлектронной эмиссией, электроны которой сольватируются на

молекулах воды и разлагают их на кислород и водород.

Таким образом, водородное изнашивание возникает в результате коопе-

ративного (синергетического) взаимодействия поверхностных явлений: экзо-

эмиссии, адсорбции и трибодеструкции, которые приводят к выделению во-

дорода. Кроме того, неравновесные процессы, возникающие при деформации

поверхностного слоя металла, создают в процессе трения тепловые градиен-

ты, электрические и магнитные поля и поля напряжений. Всѐ это приводит к

диффузии водорода в металл, концентрации его в подповерхностном слое и

ускоренному износу или разрушению этого слоя.

4.6.2 Виды водородного изнашивания

Авторы водородного изнашивания А.А. Поляков и Д.Н. Гаркунов ука-

зывают на два основных вида изнашивания.

1 Водородное изнашивание диспергированием (ВИДИС). При этом

виде изнашивания каких-либо изменений в поверхностном слое деталей

вследствие обычного износа при диспергировании не наблюдается. Водо-

род усиливает (в зависимости от его количества в поверхностном слое)

диспергирование стали или чугуна. На поверхностях трения нет вырывов,

задиров, заметного переноса материала с одной поверхности трения на

другую; они могут иметь блеск и очень мелкие царапины, которые не

видны невооруженным глазом и расположены в направлении движения.

2 Водородное изнашивание разрушением (ВИРАЗ) имеет специфиче-

скую особенность: поверхностный слой стальной или чугунной детали

разрушается мгновенно на глубину до (1…2) мкм. Это происходит, когда

поверхностный слой накапливает большое количество водорода. Ранее

отмечалось, что процесс трения создает условия высокой концентрации

водорода в поверхностных слоях стали. Трение десорбирует смазочный

материал, и водород получает возможность занять большее число адсорб-

ционных центров на поверхности. Концентрация водорода в стали непре-

рывно возрастает. Водород попадает в микротрещины, поры, межкри-

сталлитные границы и др. При трении происходит периодическое дефор-

мирование поверхностного слоя, и объем дефектных мест (полостей) из-

меняется. Поступающий в полости водород молизуется и, не имея воз-

можности выйти обратно при уменьшении объема, стремится расширить

полость, создавая высокое напряжение. Повторение цикла вызывает эф-

фект накопления, продолжающийся до тех пор, пока внутреннее давление

в полостях не вызовет разрушения стали по всем развившимся и соеди-

нившимся трещинам.

126

4.6.3 Характерные проявления водородного изнашивания в

эксплуатации и некоторые рекомендации по его снижению

Анализ эксплуатационных повреждений деталей и узлов трения вы-

явил следующее. В узлах трения агрегатов авиационной техники, смазы-

ваемых керосином, пары трения закаленная сталь (12ХН3А, НRC 60) –

бронза (НВ 61) разрушаются путѐм переноса частиц твѐрдой стали на

бронзу. Внешне разрушение проявлялось как износ стальной поверхности

на глубину 0,03 мм и намазывание микроскопических лепестков стали на

поверхность бронзовой детали (золотника). Это происходит из-за наводо-

роживания стальной поверхности в процессе трения.

Водородный износ является причиной снижения надежности тормоз-

ных устройств в результате «намазывания» – переноса в процессе трения

частичек чугуна или стали из которых выполнен тормозной барабан, на

полимерный фрикционный материал тормозной колодки. Здесь также бо-

лее твердый материал переносится на более мягкий. Причиной намазыва-

ния, как выяснилось, является наводороживание стальной или чугунной

поверхности и ее быстрое разрушение с переносом частиц износа на

фрикционную пластмассу.

Влияние водородного износа было обнаружено и в парах трения, сма-

зываемых водой (например, некоторые узлы трения судов), и при трении

деталей из титана и его сплавов в условиях смазки минеральным маслом и

в некоторых других случаях.

Установлен механизм ускоренного разрушения шарикоподшипников,

основанный на образовании вакансионной диффузии водорода в высоко-

напряжѐнную сталь и еѐ охрупчивании; механизм снижения контактной

усталости при качении, обусловленной присутствием воды, растворѐнной

в смазочном материале или топливе, приводящей к образованию неболь-

ших коррозионных повреждений, которые становятся концентраторами

напряжений. Циклические напряжения, сконцентрированные у вершин

микротрещины, водная коррозия и водородное охрупчивание действуют

совместно, увеличивая рост трещины и разрушение поверхности.

Для устранения (снижения) водородного изнашивания в узлах трения

в настоящее время разработаны различные меры:

1 Одним из основных способов является учѐт степени наводорожива-

ния и охрупчивания при выборе материалов узлов трения. Наличие в ста-

ли хрома, титана, ванадия снижает проникновение в неѐ водорода в ме-

талл. Наклѐп стали увеличивает его поглощение.

Холоднодеформированная сталь может поглотить в 1000 раз больше

водорода, чем отожженная. Водородная хрупкость проявляется в большей

степени в сталях ферритного класса. В закаленных или слабоотпущенных

углеродистых и низколегированных сталях хрупкое разрушение может

быть даже при ничтожно малом количестве водорода.

127

Необходимо, где возможно, исключать из узлов трения полимеры,

способные к быстрому разложению и выделению водорода. Введение в

тормозные материалы на основе полимеров измельченной на куски ла-

тунной проволоки улучшает фрикционные характеристики. В процессе

интенсивного торможения при термомеханической деструкции полимера

выделяющийся водород будет реагировать с окисной пленкой латунной

проволоки. Это уменьшит поток водорода в стальное или чугунное контр-

тело и тем самым отодвинет границу катастрофического водородного раз-

рушения сопряженных поверхностей.

2 Для узлов трения, если имеется вероятность водородного изнашива-

ния, необходимо применять смазочные материалы, которые мало подвер-

жены гидрогенизации. Уменьшение в керосинах меркаптанов, тиоспиртов

снижает возможность протекания химической реакции на поверхностях

трения пары сталь – бронза и может исключить образование водорода.

В качестве присадок к смазочным жидкостям и фрикционным поли-

мерным материалам могут быть введены кремний и органические соеди-

нения (силаны), содержащие несколько атомов хлора, которые легко со-

единяются с выделившимся водородом. С уменьшением числа атомов

хлора эффективность присадки снижается.

3 В парах трения сталь – медный сплав необходимо исключать из по-

следнего примеси сурьмы, соединений мышьяка, серы и др., способст-

вующие выделению водорода.

4 Коррозию в узлах трения можно уменьшать путем изменения режи-

мов работы: снижением температуры, скорости скольжения и давлений.

Так, для пары трения бронза–сталь при работе в глицерине или в спиртог-

лицериновой смеси основным фактором наводороживания является тем-

пература. При (65…70) С наводороживанйе происходит в несколько раз

интенсивнее, чем при температуре 60 С.

5 Проникновение водорода можно существенно снизить, если из зоны

наводороживания удалить (при их наличии) вещества, способствующие

проникновению водорода: сероводород, фосфороводород, соединения

мышьяка, селена, сурьмы, теллура. Действие сероводорода состоит в том,

что он тормозит реакции рекомбинации атомарного водорода.

6 Оригинальный метод борьбы с водородным изнашиванием разрабо-

тан Ю.А. Евдокимовым, В.И. Колесниковым и В.И. Тер-Оганесяном. Они

установили, что при трении пластмассовой детали о стальную в зависимо-

сти от состава пластмассы детали могут заряжаться: стальная отрицатель-

но, а пластмассовая положительно, или наоборот. Когда стальная деталь

заряжается отрицательно, происходит ее усиленное наводороживание (во-

дород заряжен положительно) и интенсивное разрушение при трении.

Чтобы избежать водородного изнашивания, достаточно в пластмассу вве-

сти небольшое количество другой электроотрицательной пластмассы, на-

128

пример ПТФЭ. В этом случае стальная деталь будет заряжена положи-

тельно, а пластмассовая отрицательно. Водород не будет проникать в

стальную деталь.

Разработана технология получения нового фрикционного материала

применительно к тормозным колодкам колес железнодорожного транс-

порта. Испытания фрикционного материала в эксплуатационных условиях

дали положительные результаты.

7 Между прокатными валками и прокатываемым материалом или

только между валками образуется электрический потенциал, и в соответ-

ствии с условиями прокатки в рабочем зазоре выделяется повышенное

количество водорода, образующегося за счет использования водородсо-

держащих смазочных материалов. Затруднить проникновение водорода в

поверхности трения можно путѐм создания положительного электриче-

ского потенциала по отношению к наводороживаемой детали. На основа-

нии этого в ФРГ предложено приспособление для предотвращения износа

валков при холодной прокатке с использованием водородсодержащих

смазочных материалов.

8 В целях снижения отрицательного действия водорода при создании

новых фрикционных материалов для автомобилей во фрикционную пла-

стмассу (М.М. Бородулин и И.В. Васильев) вводят закись меди или другие

добавки, которые соединяются с водородом. Износостойкость фрикцион-

ного материала и сопряженного контртела при этом повышается в не-

сколько раз, а главное, исчезает один из основных недостатков фрикцион-

ного материала – намазывание на него стали или чугуна.

9 Разработан метод удаления технологического водорода путем поли-

рования поверхностного слоя детали (последняя технологическая обра-

ботка). При полировании, помимо незначительного удаления поверхност-

ного слоя детали, верхние слои металла нагреваются, и деталь подверга-

ется своеобразной термической обработке. Поскольку при полировании

максимальная температура находится на поверхности, водород диффун-

дирует к поверхности и десорбируется.

4.6.4 О различиях водородного изнашивания и избирательного

переноса на поверхностях трения

Как известно, сущность избирательного переноса (эффекта безызнос-

ности) состоит в том, что при трении двух сопряженных поверхностей

между ними самопроизвольно образуется тонкая металлическая пленка,

которая способна выдерживать высокие нагрузки и обладает малым сдви-

говым сопротивлением. При работе продукты изнашивания пленки пере-

носятся с одной поверхности на другую; они не уходят из зазора, а удер-

живаются в нем электрическими силами. Здесь все процессы направлены

на снижение силы трения и интенсивности изнашивания поверхностей.

129

При водородном изнашивании, наоборот, все процессы направлены на

разрушение поверхностей. При трении оба явления могут протекать одно-

временно.

4.6.5 Отличие водородного изнашивания металла

от водородного охрупчивания

Водородное изнашивание не имеет общих черт с водородным охруп-

чиванием стали ни по источникам наводороживания, ни по интенсивности

и характеру распределения водорода в стали, ни по характеру разрушения.

Водородное изнашивание связано только с процессом трения и обу-

словлено трением. Для него характерны высокая локальная концентрация

водорода в поверхностном слое стали, возникающая из-за больших гради-

ентов температуры и напряжений при трении, которые обусловливают

накопление водорода и особый характер роста трещин, приводящий к

сплошному разрушению слоя стали.

Водородное охрупчивание есть результат давления молекулярного

водорода в макро- и микропустотах, а также в трещинах внутри металла.

Здесь водород является разновидностью дефекта, понижающего проч-

ность когезионной металлической связи. Водород производит блокирую-

щее действие на дислокации.

Подавляющее большинство методов борьбы с водородным изнашива-

нием не может быть использовано для снижения водородного охрупчива-

ния ввиду принципиальных различий этих явлений. Водородное изнаши-

вание – явление самоорганизующееся; по сложности и масштабам прояв-

ления оно превосходит явление водородного охрупчивания. Между тем,

процессы водородного охрупчивания, а также процессы водородного рас-

трескивания сталей и сплавов изучены в большей степени.

4.7 Абразивное изнашивание

4.7.1 Общие сведения

Абразивным изнашиванием называют разрушение поверхности дета-

ли в результате ее взаимодействия с твердыми частицами при наличии

относительной скорости. В роли таких частиц могут быть:

а) неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по

касательной либо под небольшим углом атаки к поверхности детали (на-

пример шаржирование посторонними твердыми частицами мягких анти-

фрикционных материалов);

б) незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью де-

тали (например насыпные грузы при их транспортировании соответст-

130

вующими устройствами, абразивные частицы в почве при работе почво-

обрабатывающих машин и т.д.);

в) свободные частицы, находящиеся в зазоре между сопряженными

деталями;

г) свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью

или газом.

На процесс абразивного изнашивания может влиять природа абразив-

ных частиц, агрессивность среды, свойства изнашиваемых поверхностей,

ударное взаимодействие, нагрев и другие факторы. Общим для абразивного

изнашивания является механический характер разрушения поверхности.

Абразивное изнашивание вызывают почва, грунт, руда, уголь и поро-

да, зола, пыль, попавшие на поверхность трения, металлическая стружка,

окисные пленки, закрепленные на поверхности трения или разрушенные,

нагар и продукты износа, в особенности выкрошившиеся частицы твер-

дых структурных составляющих.

Абразивные частицы могут иметь различную форму и быть самым

различным образом ориентированы относительно сопряженной поверхно-

сти. Способность абразивного зерна вдавливаться в поверхность зависит

не только от соотношения их твердостей, но и от геометрической формы

зерна. Так, зерно выпуклой поверхностью или острым ребром может быть

вдавлено, даже без повреждений, в плоскую поверхность более твердого

тела. Это объясняет факт износа металла абразивными частицами с твер-

достью, меньшей его твердости.

4.7.2 Изнашивание поверхностей деталей твѐрдыми частицами

В зависимости от структуры абразивного материала среды, в которой

зерна находятся, они могут вдавиться в эту среду, повернуться или даже

выйти из зоны контакта, как, например, частицы кварца в почве под дав-

лением ножа грейдера. Абразивная частица вдавливается в металл детали,

если она обладает большей твердостью, чем металлическое зерно, и проч-

ностью, достаточной для восприятия нагрузки, необходимой для вдавли-

вания в металл, и если ее достаточно поддерживает основа. Внедрившаяся

частица при движении относительно поверхности может процарапать

риску или срезать микроскопическую стружку. Резание может начаться

только при определенном отношении глубины проникновения абразива к

радиусу скругления внедрившейся кромки. Так, для стали (Ст. 3) это от-

ношение должно быть больше 0,16 при сферической кромке. Если бы

микрорезание было ведущим процессом разрушения поверхности при

абразивном изнашивании или даже сопутствующим, то интенсивность

изнашивания была бы настолько высокой, что рабочие органы (например,

строительных и дорожных машин) выходили бы из строя после весьма

малого времени работы, исчисляемого несколькими часами.