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

Подождите немного. Документ загружается.

131

Выводы по влиянию твердости абразива на износ металлов следую-

щие: если твердость абразивных зерен значительно превышает твердость

металла, то износ не зависит от разности твердостей абразива и металла;

если твердость абразивных зерен ниже, чем твердость металла, то износ

зависит от разницы твердостей и быстро уменьшается с увеличением этой

разницы.

По данным М.М. Тененбаума, при твердости металлической поверх-

ности, превышающей 60% твердости абразива, износостойкость резко

возрастает. Такое отношение твердостей можно назвать критическим.

Влияние скорости. При большой относительной скорости рабочей

поверхности и абразива длительность взаимодействия с абразивной час-

тицей мала, и выделившаяся теплота вследствие пластического деформи-

рования не успевает распространиться в глубь материала. Местный высо-

кий нагрев изменит механические свойства материала, что повлияет на

интенсивность изнашивания.

Не исключаются также структурные превращения. Удары абразивных

частиц о выступающие зерна металлической поверхности расшатывают

их связи с основой и способствуют разрушению.

Некоторые элементы конструкции работают при повышенной темпе-

ратуре, при которой возможно понижение механических свойств мате-

риала. В таких случаях можно ожидать усиления абразивного действия

частиц.

Агрессивная среда, вызывая электрохимические процессы на поверх-

ности детали, интенсифицирует изнашивание, превращая его в коррози-

онно-механическое или водородное изнашивание.

Механизм абразивного изнашивания полимерных материалов опреде-

ляется степенью их эластичности. В высокоэластичный материал – рези-

ну, вулкаллан, полиуретановый вулканизат и другие, абразивные частицы

легко вдавливаются, не вызывая пластической деформации даже при глу-

боком внедрении. Абразивное зерно, перемещаясь по поверхности, прила-

гает к ней силы трения. Нетрудно представить, что силы трения впереди

зерна вызовут сжатие, а сзади него – растяжение. Под действием много-

кратных растягивающих напряжений происходят микроразрывы, часть

материала с поверхности уносится с образованием волнообразного релье-

фа из выступов и впадин в направлении, перпендикулярном движению

абразива (рисунок 4.3 [1]).

а)

б)

Рисунок 4.3 – Поверхность

резины после испытания на

абразивное изнашивание

по бетонным дорогам с

грубой (а) и гладкой (б)

поверхностями

132

Если в высокоэластичных полимерах изнашивание по своей природе

является фрикционным (повреждение обусловлено силами трения), то

изнашивание более жестких и хрупких полимеров происходит в основном

в результате микрорезания. На интенсивность изнашивания сильно влияет

структура материала. При трении с граничной смазкой преобладание в

полимере кристаллических областей над аморфными обеспечивает более

высокую его твердость и износостойкость. Между тем увеличение степе-

ни кристаллизации ухудшает стойкость при абразивном изнашивании.

Дело в том, что даже при повышении твердости за счет увеличения кри-

сталлических областей она остается в несколько раз ниже твердости абра-

зива, поэтому фактор повышения твердости оказывается неэффективным.

Уменьшение эластичности полимера создаѐт более благоприятные ус-

ловия для начала срезания абразивными частицами микрообъемов мате-

риала, при срезе отделяются большие объемы, чем при фрикционной при-

роде разрушения поверхности.

Сопротивление срезу недостаточно для характеристики стойкости по-

лимера абразивному изнашиванию. Полиметилметакрилат, более проч-

ный на срез в сравнении с капроном и полиамидом П-68, оказывается ме-

нее износостойким. Помимо сопротивления срезу износостойкость поли-

мера определяется вероятностью начала среза вдавившимся в поверхность

абразивом. Эта вероятность уменьшается с повышением эластичности и

численно характеризуется показателями упругости материала.

4.7.3 Абразивное изнашивание при ударе

Процесс разрушения детали при ударном взаимодействии детали и аб-

разива называют ударно-абразивным изнашиванием. Этому разрушению

подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелющих агрегатов,

породоразрушающий инструмент пневмо- и гидроударников, детали гусе-

ничного хода машин и др. Ударно-абразивное изнашивание поверхности

происходит из-за воздействия монолитного или свободного абразива.

Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на по-

верхности трения лунок в результате локальной пластической деформа-

ции металла. Края лунок образуют выступы, которые внедряются в со-

пряженную поверхность и имеют твердость, превышающую твердость

металла, или имеют наиболее благоприятное расположение своих граней

к поверхности детали. Края лунок с меньшей твердостью обычно разру-

шаются, не повреждая поверхность детали. При многократном взаимо-

действии абразива с поверхностью детали лунки расширяются и углубля-

ются. В результате поверхность наклепывается, и происходит отрыв от

нее частиц. Обычно это наблюдается у пластичных материалов. Для из-

нашивания твердых материалов характерно хрупкое выкрашивание.

133

При ударно-абразивном изнашивании износостойкость углеродистых

сталей зависит не только от твердости, но и от состава и структуры стали.

Максимальной износостойкостью обладает сталь, содержащая 0,7% угле-

рода. Стали с большим содержанием углерода в результате хрупкого вы-

крашивания имеют меньшую износостойкость. При содержании углерода

менее 0,7% стали подвергаются пластической деформации и больше из-

нашиваются. Чем сильнее ударное взаимодействие, тем больше сказыва-

ется содержание углерода на износостойкости.

4.7.4 Изнашивание от абразивных частиц в зазоре пары трения

Попавшие в зазоры пар трения абразивные частицы участвуют в вос-

приятии приложенной нагрузки и могут в зависимости от условий впрес-

совываться в поверхности трения, раздавливаться на более мелкие фрак-

ции, скользить или перекатываться вдоль поверхности изнашивания, уп-

руго и пластически деформируя ее.

Абразивные частицы могут попадать в рабочие полости машин и на

поверхности трения из воздуха вместе с горючим и смазочным материа-

лами и другими путями.

Из абразивных частиц, попадающих из воздуха, наибольшее изнаши-

вающее воздействие оказывают частицы кварца, твердость которых дос-

тигает (11…12) ГПа. Эти частицы размером (1…30) мкм могут длительно

находиться в воздухе при его движении (в результате ветра или движения

транспорта).

Воздушные фильтры двигателей автомобилей и других машин могут

задерживать только крупные частицы пыли; мелкие частицы проникают в

двигатель вместе с засасываемым в цилиндры воздухом. Очищающая спо-

собность фильтров – (98…99)%, т.е. (1…2)% пыли, содержащейся в воз-

духе, попадает в цилиндры двигателя. При часто встречающейся при экс-

плуатации автомобилей и тракторов запыленности воздуха (0,5…1) г/м

(данные Н.Ф. Почтарева) с каждым кубометром воздуха засасывается в

цилиндры (5…20) мг пыли. Значительная часть поступивших абразивных

частиц удаляется вместе с отработавшими газами; остальная часть, осаж-

даясь на стенках цилиндра, участвует в его изнашивании, незначительно

изменяясь по размерам, проникает далее в картер и, распространяясь по

всей смазочной системе, изнашивает детали других пар трения, особенно

шейки коленчатого вала. Наибольшему абразивному изнашиванию под-

вергаются цилиндры и поршневые кольца. Интенсивность изнашивания

деталей двигателя в условиях загрязненного воздуха в несколько раз вы-

ше по сравнению с чистым воздухом. Так, двигатель автомобиля, экс-

плуатирующегося в песчаных районах, требует капитального ремонта

после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапылѐнного воздуха

он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.

134

Абразивное изнашивание наблюдается в стационарных и в судовых

двигателях внутреннего сгорания, причем в последних засасываемый воз-

дух отличается высокой чистотой. Здесь абразивное изнашивание обу-

словлено как продуктами износа, так и, не в меньшей мере, нагаром. На-

гар в двигателях внутреннего сгорания – это отложения на поверхности

камеры сгорания, состоящие в основном из карбенов и карбоидов.

Образование продуктов износа, не обусловленное непосредственно аб-

разивным изнашиванием, обязано пластическому деформированию поверх-

ностей, избирательному изнашиванию отдельных составляющих и другим

обстоятельствам. Абразивное изнашивание может происходить весьма ин-

тенсивно и на достаточно смазанных поверхностях, когда приложенная

нагрузка передается от одной детали к другой не только через слой смазоч-

ного материала, но и через абразивные частицы. Влияние продуктов износа,

состоящих из наклепанных, иногда отпущенных и окисленных частиц, за-

висит от интенсивности изнашивания. При малой интенсивности изнаши-

вания частицы размером около 0,01 мкм, присутствуя в зазоре, не могут

сколько-нибудь существенно влиять на силу трения. С увеличением интен-

сивности изнашивания размер частиц обычно растет, и доля их участия в

процессе изнашивания возрастает. Это часто приводит к тому, что начав-

шееся по какой-либо причине интенсивное изнашивание прогрессивно на-

растает до заметного повреждения поверхностей.

Даже такие, казалось бы, хорошо защищенные детали, как прецизи-

онные пары топливной аппаратуры дизелей, изнашиваются от случайного

воздействия абразивных частиц, попадающих вместе с топливом. Резуль-

татом изнашивания является разрушение кромок впускных окон и торцов

плунжера, а также образование продольных рисок на плунжере и стенках

насоса. Износ насосов-форсунок или насосов высокого давления наруша-

ет дозировку подачи топлива, вызывает его подтекание и ухудшает каче-

ство распыления.

Ниже приведены некоторые данные, относящиеся к абразивному из-

нашиванию подшипниковых материалов. При попадании абразивных час-

тиц в подшипники с мягким антифрикционным слоем они впрессовыва-

ются в этот слой (шаржируют его) и ускоряют износ сопряженного вала.

Способность подшипникового материала работать при смазочном мате-

риале, загрязненном абразивом, является важной его характеристикой.

При толстом слое баббитовой заливки попадание абразивных частиц в

подшипник не вызывает серьезных отклонений от нормальной работы.

Однако из-за недостатков, присущих баббиту, в особенности при большой

толщине слоя, применяют такие подшипниковые материалы, как свинцо-

вистая бронза, серебро и др. Вследствие повышенной твердости эти мате-

риалы при смазочном материале, содержащем абразив, работают хуже,

чем баббит.

135

Исследования по изучению работоспособности подшипниковых мате-

риалов при смазочном материале, содержащем абразивные частицы, пока-

зали, что при попадании последних в подшипники происходит резкое по-

вышение температуры. Для каждого подшипникового материала имеется

критическая концентрация абразива, при которой подшипники выходят из

строя. Износ цапфы также находится в линейной зависимости от концен-

трации абразива. Для абразивных частиц большего размера, чем номи-

нальная толщина масляного слоя, повышение температурного режима

подшипника пропорционально размеру частиц.

В некоторых случаях для улучшения работы твердых подшипниковых

материалов, когда при эксплуатации неизбежно попадание в смазочный

материал абразивных частиц, прибегают к изготовлению «сетчатых»

подшипников с заполнением углублений «сетки», образованной из твер-

дого материала, мягким антифрикционным металлом, например бабби-

том. Такое мероприятие значительно облегчает работу подшипника.

Разные материалы, применяемые в подшипниках, обладают различной

работоспособностью при смазочном материале, содержащем абразив. Медь,

свинцовистая бронза и алюминий наименее работоспособны и наиболее

чувствительны к попаданию в смазочный материал абразивных частиц.

Мягкие покрытия на твердых подшипниковых материалах значительно

увеличивают работоспособность подшипника при наличии абразива.

При эксплуатации двигателей в верхний слой материала подшипника

неизбежно впрессовываются твердые частицы, которые оказывают влия-

ние на его работу на протяжении всего периода работы. Возникает во-

прос, насколько снижаются антифрикционные свойства бронзовых под-

шипников двигателей за период эксплуатации вследствие шаржирования

их абразивными частицами и не может ли это привести к заеданию и вы-

ходу их из строя.

Абразивные частицы не оказывают существенного действия на рези-

новые подшипники. Податливость резины не позволяет попадающей в

зазор абразивной частице создавать высокое давление, при котором про-

исходит шлифование поверхности стального вала; она может только по-

лировать его. Для быстрого удаления абразивных частиц с поверхности

подшипника на нем делают желобки или осевые канавки. При определен-

ных условиях абразивные частицы скатываются в желобки и удаляются из

подшипника. Абразивная стойкость резиновых подшипников уменьшает-

ся при заключении резинового слоя в жесткую обойму. Резиновые под-

шипники могут работать только при смазывании водой; при достаточной

ее прокачке такие подшипники могут выдерживать очень большие ок-

ружные скорости (20 м/с и выше). Коэффициент трения резиновых под-

шипников практически не зависит от нагрузки; с увеличением частоты

вращения вала коэффициент трения подшипника снижается.

136

Подобно резине в абразивной среде ведет себя поликапролактам, ко-

торый может работать как на воде, так и на обычных маслах. Изучение

под микроскопом поверхностных слоев капролактановых втулок, рабо-

тавших в загрязненной абразивом среде, показывает, что абразивные час-

тицы и продукты износа металлической контрдетали шаржируют мягкую

поверхность поликапролактама, проникая в тело. В итоге образуется по-

добие твердой корки, связанной полимером, и появляются расположен-

ные на различной глубине механические включения. Приводятся две при-

чины проникновения их вглубь: возможный разогрев отдельных частиц в

зоне общего контакта с деталями до температуры плавления полимера и

течение полимера в отдельных местах поверхности и наволакивание его

поверх частицы.

В результате проведѐнных испытаний (С.Г. Екименков) установлено

следующее [1].

1 Износ пластмассовых пар меньше, чем пары сталь–чугун, в (2…4)

раза в полевых условиях и в (5…7) раз в лабораторных условиях.

2 Интенсивность изнашивания сопряженных деталей возрастает с

увеличением концентрации абразива в масле и повышением давления.

При содержании абразива в масле свыше 15% интенсивность изнашива-

ния несколько замедляется. Интенсивность изнашивания деталей пар с

капролактамовыми втулками возрастает равномерно при увеличении дав-

ления до 3,9 МПа; интенсивность изнашивания пар с чугунными втулками

возрастает более резко, в особенности при давлении 3,9 МПа, когда абра-

зивное изнашивание сопровождается глубинным вырыванием вследствие

схватывания.

3 Так как при смазывании чистым маслом интенсивность изнашива-

ния пары стальная цапфа – капроновая втулка весьма мала, то небольшая

добавка (2,5%) абразива к маслу вызывает резкое повышение интенсивно-

сти изнашивания, хотя она и остается меньше, чем в паре с чугунной

втулкой.

Поскольку изнашивание цапфы производится в основном абразивом,

шаржированным в поверхность полиамида, то, казалось бы, материал

подшипника должен слабо влиять на изнашивание. На самом деле влия-

ние это значительное, хотя и косвенное; большая податливость полиамида

снижает пики местных контактных давлений. Более твердые фенопласты

(ДСП, текстолит и др.) неудовлетворительно работают в условиях абра-

зивного изнашивания.

Касаясь некоторых других деталей и узлов, отметим, что усиленное

изнашивание зубьев колес конических передач тракторов и подшипников

и их валов является результатом попадания абразивных частиц в картер

из-за недостаточной герметичности трансмиссии. При эксплуатации гусе-

137

ничных тракторов на почвах, содержащих свыше 70% песка, гусеница

изнашивается через 800 ч при гарантийном сроке ее службы 2000 ч [1].

В зацеплении зубчатых колес происходит качение со скольжением.

Опытами при подобных условиях на роликах установлено, что износо-

стойкость при абразивном изнашивании прямо пропорциональна средне-

квадратичной величине твердостей трущихся поверхностей при неизмен-

ном химическом составе каждой из них. Этот вывод может быть распро-

странен на колеса открытых зубчатых передач.

Преждевременный выход из строя шарико- и роликоподшипников са-

молетов, сельскохозяйственных, дорожно-строительных, горных и других

машин часто бывает связан с проникновением в подшипник абразивных

частиц вследствие неудовлетворительного уплотнения корпусов. Эти час-

тицы вызывают износ дорожек качения, тел качения и сепараторов. Об

удельном весе этого вида повреждений можно судить по тому факту, что

ежегодно в результате абразивного износа выходят из строя (1,5…2) млн.

подшипников вагонеток для угольных шахт.

При большом скоплении абразива может произойти настолько силь-

ное заклинивание подшипника, что из-за проворачивания колец относи-

тельно посадочных поверхностей будут изнашиваться не только кольца,

но и вал, и корпус.

При запыленности окружающего пространства и сложности выполне-

ния надежных уплотнительных устройств одной из самых простых мер

предохранения тихоходных трущихся узлов от воздействия пыли является

смазывание их пластичным смазочным материалом.

4.7.5 Влияние мелких абразивных частиц на изнашивание

Экспериментально установлено, что если размер частиц не превышает

5 мкм, то они, имея большую развитую поверхность, адсорбируют на себе

продукты окисления масла, что может снизить интенсивность изнашива-

ния деталей. Кроме того, имеется мнение, что частицы способствуют, пе-

ретеканию электрических зарядов с одной поверхности трения на другую.

Это может снизить электростатическое напряжение, а, следовательно, и

силу трения. Можно также предполагать, что частицы интенсифицируют

теплопередачу между поверхностями трения. Частицы разделяют поверх-

ности, в результате контакт поверхностей становится дискретным, а наи-

более дисперсная часть этих частиц нивелирует поверхности. Если учесть,

что высокодисперсные примеси имеют адсорбционную оболочку, то

можно считать, что мелкие частицы выполняют функции противоизнос-

ной и антифрикционной присадок, препятствуя непосредственному кон-

такту поверхностей трения. Однако все это относится только к частицам

размером менее 5 мкм.

138

Наличие крупных частиц в системах с фильтрами тонкой очистки

Г.В. Виноградов объясняет тем, что мелкие частицы способны коагулиро-

вать за счет свободных связей молекул пристенного слоя (до 30…40 мкм).

Таким образом, многие исследования показывают, что частицы раз-

мером менее 5 мкм уменьшают износ и в процессе эксплуатации коагули-

руют. Частицы размером более 5 мкм увеличивают износ.

Микроабразив усиливает физико-химические процессы в зоне трения.

Вызывая незначительные деформации поверхностных слоев, микроабра-

зив вызывает появление новых поверхностей, которые являются наиболее

активными участками протекания химических реакций и диффузионных

процессов.

Исследования Г.И. Бортника и Г.П. Шпенькова показали, что микро-

абразив размером 3 мкм и менее ускоряет протекание начальной фазы

ИП – образование сервовитного слоя, и тем самым ускоряет процесс при-

работки деталей. Наличие до 1,5% микроабразива размером 3 мкм в сма-

зочном материале снижает коэффициент трения, ускоряет образование

оптимального микрорельефа и равномерного слоя меди по всей площади

касания.

4.8 Окислительное изнашивание

Окислительное изнашивание – это процесс образования на соприка-

сающихся поверхностях пленок окислов, которые в процессе трения разру-

шаются и вновь образуются; продукты износа состоят из окислов. От дру-

гих видов коррозионно-механического изнашивания оно отличается отсут-

ствием агрессивной среды, протекает при нормальных и повышенных тем-

пературах 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 обычных

температурах окисление поверхностей активизируется пластической де-

формацией. Поэтому одним из методов борьбы с окислительным изнаши-

ванием является создание поверхностей трения с высокой твердостью.

Для окислительного изнашивания необходимо, чтобы промежуток

времени между последовательными разрушениями пленки был достато-

чен для образования пленки относительно большой толщины. Естествен-

но, что в случае циклического разрушения окислов высокой твердости

изнашивание будет носить абразивный характер.

Окислительному изнашиванию подвергаются калибры, детали шар-

нирно-болтовых соединений тяг и рычагов механизмов управления; шар-

нирно-болтовые соединения подвесных устройств машин, работающих

139

без смазочного материала; металлические колеса фрикционных передач и

чашки вариаторов, а также некоторые детали в парах трения качения.

Повышение температуры способствует росту окисных пленок, а вибра-

ция – их разрушению. С интенсивным окислительным изнашиванием в по-

добных условиях приходится встречаться, например, в деталях крепления

выхлопных коллекторов авиационных двигателей внутреннего сгорания.

В ряде случаев интенсивность окислительного изнашивания можно

уменьшить, сменив смазочный материал, понизив температуру узла. Ка-

залось бы, применение коррозиестойкой стали должно дать дополнитель-

ный эффект, однако аустенитные стали, не говоря о склонности их к схва-

тыванию, быстро окисляются в процессе трения.

4.9 Усталостное изнашивание и его виды

Причиной возникновения этого вида изнашивания являются устало-

стные явления в поверхностных слоях металла, вследствие чего образу-

ются трещины, а затем и выкрашиваются поверхности (питтинг).

Усталостное изнашивание наблюдается в условиях высоких контакт-

ных нагрузок при одновременном качении и проскальзывании поверхно-

стей одной по другой в присутствии смазочных материалов. В таких ус-

ловиях работают, например, зубчатые колеса, тяжело нагруженные шес-

терни и подшипники качения, зубчатые венцы.

Процесс прогрессирующего усталостного изнашивания протекает

следующим образом. Сначала на трущейся поверхности образуются уста-

лостные трещины. Смазочный материал, попадая в трещины, способству-

ет их расклиниванию и выкрашиванию частиц металла, в результате чего

на поверхности детали появляются мелкие оспины (питтинг). Число этих

оспин и одновременно их размеры увеличиваются до тех пор, пока повы-

шающиеся контактные напряжения на рабочих поверхностях не приведут

к пластической деформации и интенсивному износу детали.

Наибольшее влияние на развитие усталостного изнашивания оказы-

вают условия трения (нагрузка и температура), свойства материалов

(твердость и шероховатость поверхности) и применяемые смазочные ма-

териалы.

При интенсивном истирании рабочих поверхностей изнашивание их

происходит быстрее, чем образование усталостных трещин. Поэтому, как

правило, в таких случаях питтинг не наблюдается.

4.9.1 Изнашивание вследствие пластической деформации

Этот вид усталостного изнашивания (смятие) заключается в измене-

нии размеров или формы детали в результате пластической деформации

ее микрообъемов. Пластическое деформирование обычно сопровождает

140

износ металлов и наблюдается в зоне, непосредственно прилегающей к

поверхности трения. Здесь же имеется в виду деформация, распростра-

няющаяся на всю деталь или на значительные ее объемы. Смятие может

произойти при трении, но может быть и не связано непосредственно со

скольжением или качением поверхностей.

Смятие является характерным видом повреждения шпоночных пазов

и шпонок, шлицевых соединений, штифтов и упоров, резьбовых соедине-

ний и других деталей. Пластическая деформация вызывается либо чрез-

мерными допускаемыми напряжениями, либо случайными значительны-

ми перегрузками. Во избежание смятия шпоночных пазов и среза шпонок,

по опыту эксплуатации металлорежущих станков, для неподвижных со-

единений при стальной ступице рекомендуется выбирать допускаемые

напряжения смятия 1,5 ГПа при знакопеременной нагрузке с толчками и

2 ГПа при постоянной нагрузке. При чугунной ступице допускаемые на-

пряжения ниже на 60%.

Смятие характерно для деталей, входящих в контакт с ударом. К ним

относятся, например, регулировочные болты коромысел приводов клапа-

нов и седла шаровых клапанов.

В тихоходных зубчатых передачах с колесами из сталей невысокой

твердости возникают значительные пластические деформации с образова-

нием канавок по полюсной линии у ведущих зубьев (рисунок 4.4).

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. Скольжение в полосе зацепления изменяет свое направ-

ление, в результате меняется направление сил трения на поверхностях ве-

дущих зубьев: они направлены от полюса к вершине и впадине зуба, а от

ведомых зубьев – к полюсу. Этим предопределяется форма повреждения.

Поэтому при появлении «хребта» в передаче его необходимо время от вре-

мени срезать шабером. Повышением вязкости масла можно снизить силы

трения и уменьшить интенсивность пластической деформации. Вообще же

рекомендуется применять стали большей твердости.

Рисунок 4.4 – Силы трения на поверхностях ведущих и ведомых зубьев (а)

и схема образования впадины и хребта (б) (Р – Р –линия зацепления)