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

Подождите немного. Документ загружается.

141

В колесах конических и гипоидных передач пластическая деформация

вязкого, а иногда твердого материала проявляется в результате ударного

приложения нагрузки к зубьям одного или обоих сопряженных колес и

имеет вид борозд, от которых металл течет через кромку зуба с образова-

нием волнистого наплыва – заусенца. На зубьях шестерен гипоидных пе-

редач и крайне редко на зубьях колес наблюдается пластическая дефор-

мация в виде ряби, как в случае вязкого материала, так и цементованной

поверхности. Предполагают, что рябь типа "б" вызвана циклически изме-

няющейся нагрузкой на протяжении пребывания зуба в зацеплении. Су-

ществует мнение, что такая рябь способствует образованию устойчивой

масляной пленки, вследствие чего увеличивается сопротивление изнаши-

ванию при низких скоростях.

Пластической деформации подвержены также рельсы, колеса и банда-

жи подвижного состава железных дорог. При эксплуатации рельсов на же-

лезнодорожных путях вследствие прокатывающего (качение со скольжени-

ем) действия колес под нагрузкой, удара колес на стыках и неуравновешен-

ных инерционных сил механизма локомотива пластическая деформация

распространяется на глубину почти всей головки рельса и сопровождается

отчетливо различимым смятием верха и рабочих краев головки.

Буксование колес, трение о тормозные колодки, удары на стыках

рельсов и на стрелках при высокой нагрузке на колесо свойственны ко-

лесным парам (скатам) тепловозов и электровозов и служат причинами

пластического деформирования бандажей (рисунок 4.5), изготовленных

обычно из среднеуглеродистой стали. Особенно интенсивно изнашивают-

ся гребень по внутреннему контуру и примыкающий к нему участок с

уклоном 1:20; со стороны фаски имеется наплыв металла.

Рисунок 4.5 – Профиль бандажа колеса электровоза нового (сплошная линия) и

изношенного (штриховая линия)

142

Образование вмятин и углублений на поверхностях трения – один из

видов повреждения подшипников качения. При сдавливании посторонних

частиц, попавших между телами качения и кольцами, могут образоваться

вмятины на дорожках качения. Ударная и весьма тяжелая нагрузка может

вызвать местную деформацию кольца при контакте с шариками или роли-

ками – особый вид пластической деформации на дорожках качения, из-

вестный под названием бринеллирования.

В роликовых и шариковых опорных устройствах поворотных частей

портальных и других кранов несущие кольца обычно большого диаметра

выполняют из проката или литья. При недостаточной твердости материа-

ла кольца под действием нагрузки поверхность кольца может пластически

деформироваться, а затем разрушиться (путем отслаивания вследствие

перенаклепа); этому может сопутствовать контактная усталость.

Постепенное развитие макродеформаций под нагрузкой, чаще всего

динамического характера, наблюдается у вкладышей и втулок, обычно

изготовляемых из цветных металлов, и проявляется в смещении металла

за пределы поверхности соприкосновения с неподвижной контрдеталью в

осевом направлении. Это является причиной ослабления прессовой по-

садки и приводит к увеличению зазора в подвижном соединении. Иногда

образование заусенца вследствие смятия происходит в радиальном на-

правлении, что затрудняет демонтаж втулки. Если о наличии такой де-

формации неизвестно, то не исключа-ется последующее повреждение

корпусной детали.

Одним из видов повреждений подшипников скольжения является вы-

давливание баббитового слоя, которое связано с его низкой твердостью

либо с чрезмерными нагрузками на подшипниках, возникающими в числе

других причин вследствие дефектов монтажа или из-за недостаточной

жесткости узлов. Сопротивление смятию баббитового слоя повышается с

уменьшением толщины.

В антифрикционном слое из мягких подшипниковых сплавов иногда

происходит постепенное перемещение поверхностных слоев в направле-

нии скольжения под действием сил трения, что приводит к изменению

размеров подшипника, возникновению погрешностей формы рабочей по-

верхности, образованию трещин в баббитовом слое в местах расположе-

ния пазов для крепления баббита и заволакиванию смазочных канавок и

отверстий. Эта деформация развивается только во время работы подшип-

ника и, по-видимому, в значительной степени связана с динамическим

силовым воздействием. Повышенные температуры и пластифицирующее

действие смазочного материала облегчают условия пластического течения

поверхностных слоев антифрикционного сплава.

Интенсивное течение материала под действием сил трения обнаружи-

вается даже у чугуна. Так, у поршневых колец двигателей внутреннего

143

сгорания после износа на глубину фаски образуется заусенец за предела-

ми нижней опорной поверхности кольца. Разрушение заусенца несколько

усиливает абразивное изнашивание цилиндров.

4.9.2 Изнашивание вследствие диспергирования

Многие детали трения не имеют на рабочих поверхностях следов

схватывания и заметных царапин; они работают при достаточно хорошем

смазывании и умеренных температурах. В тонких поверхностных слоях

таких деталей не происходит каких-либо химических и структурных из-

менений. При этих условиях разрушение поверхностного слоя происходит

в результате диспергирования (измельчения) отдельных участков контак-

та. Интенсивность этого вида изнашивания невысока, а шероховатость

поверхности деталей малая.

Процесс изнашивания протекает так: на площадках фактического кон-

такта материал подвергается многократной упругой и пластической де-

формации, что приводит к разупрочнению, разрыхлению в отдельных

местах структуры материала с последующим отделением небольших бло-

ков. Процесс разрыхления, вероятно, подобен процессу зарождения и раз-

вития усталостной трещины в детали под действием циклических нагру-

зок. Поверхностная пластическая деформация приводит также к охрупчи-

ванию материала на отдельных микроучастках и его скалыванию. Не ис-

ключаются повреждения, связанные с взаимным внедрением микроучаст-

ков поверхностей без разрушения масляной пленки.

Изнашиванию вследствие диспергирования подвергаются хорошо

смазываемые шарнирно-болтовые соединения, валики различных агрега-

тов и сопряженные с ними подшипники, поршневые пальцы шатунов,

пары трения топливной аппаратуры и др.

4.9.3 Изнашивание в результате выкрашивания

вновь образуемых структур

При тяжелых условиях работы на поверхностях трения происходят

физико-химические изменения. Они являются результатом пластического

деформирования, повышения температуры слоев металла, прилегающих к

зоне контакта, последующего быстрого охлаждения и химического дейст-

вия окружающей среды. Эти физико-химические изменения, заключаю-

щиеся в образовании новых структур, в свою очередь изменяют вид взаи-

модействия и характер разрушения поверхностей.

На поверхностях трения стальных и чугунных деталей иногда обра-

зуются блестящие белые пятна или полосы, полностью или почти не тра-

вящиеся обычными металлографическими реактивами.

Эти образования, получили наименование белого слоя. Твердость бе-

лых слоев того же порядка, что и материала детали, но бывает значительно

144

выше твердости мартенсита среднеуглеродистой стали. Слой отличается

высокой хрупкостью, структура слоя высокодисперсная. В зависимости от

условий образования белые слои могут состоять из мартенсита, смеси ау-

стенита и мартенсита, цементита и феррита и из других сочетаний структур.

Может случиться, что на одной детали будут разные по структуре белые

слои. Образование белого слоя обязано быстропротекающему термическо-

му либо химико-термическому процессу. Процесс возникновения и разви-

тия белого слоя на поверхностях трения описан в разделе 3.13.

Одновременно с образованием белого слоя возникает система внут-

ренних напряжений, которая совместно с рабочими напряжениями приво-

дит к растрескиванию слоя и выкрашиванию его отдельных частиц. Про-

дукты износа, попадая в зазоры между сопряженными деталями, могут

вызывать интенсивное, доходящее до катастрофического, изнашивание.

Белые слои образуются на рабочих поверхностях рельсов и бандажей

колес локомотивов и вагонов, на зубьях шестерен, подшипниках качения,

поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания, на лопатках быст-

роходных керосиновых насосов и их корпусах и других деталях. Белые

слои могут появиться в процессе заедания чугунных деталей или деталей,

изготовленных из высокоуглеродистых сталей, а также при ударах. Белый

слой обнаруживается при обработке сталей при скоростях резания 12. ..27

м/мин и несколько выше, при шлифовочных прижогах, наклепе, а также

под воздействием горячих газовых струй. Иногда белый слой пятнами

располагается на дне и стенках образовавшихся рисок на поверхности

трения и может быть выявлен после травления поверхности кислотами.

Образование и выкрашивание белого слоя в некоторых случаях явля-

ется основным видом изнашивания бандажей железнодорожных колес.

Высокие нагрузки в точках контакта, значительное теплообразование во

время проскальзывания колеса по рельсу, дополнительный нагрев при

торможении, быстрое охлаждение в результате теплоотвода вовнутрь ме-

талла- факторы, способствующие образованию белой фазы. Низкие тем-

пературы в зимнее время могут влиять на глубину закаленного слоя и его

твердость. Поскольку белый слой в бандажах колес связан с образованием

особых закалочных структур, то от содержания углерода в стали зависит

интенсивность его возникновения.

Поэтому бандажная сталь должна содержать углерода не более 0,45%.

Для повышения сопротивления пластической деформации следует приме-

нять легирующие добавки, которые затрудняют структурные превращения.

Белый слой является ярким проявлением образования новых структур.

Помимо него в процессе трения в связи с температурным фактором воз-

можны коагуляция структурных составляющих, закалка и отпуск, что мо-

жет привести к образованию ультрамикроскопических трещин.

145

На вкладышах подшипников с антифрикционным слоем оловянного

баббита иногда образуется напоминающая по внешнему виду нагар твер-

дая корка, не поддающаяся действию напильника и шабера. Относительно

часто такая корка, неравномерная по толщине, образуется в наиболее на-

груженной части подшипника толщиной до 0,4 мм и встречается в рамо-

вых, мотылевых и головных подшипниках дизелей. По данным химиче-

ского анализа, она содержит окислы олова, меди, сурьмы и небольшое

количество углеродистых веществ. Твердость корки определяется содер-

жанием наиболее твердого из окислов -окисла олова. Причины образова-

ния корки – местные повторяющиеся перегревы поверхности трения

вследствие недостаточного смазывания либо наличие воздуха в масле. Эта

корка обладает высокой износостойкостью, однако при ее разрушении

крупные частицы будут действовать как абразив.

4.10 Кавитационное изнашивание

Кавитационное изнашивание – механическое изнашивание при дви-

жении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа

захлопываются вблизи поверхности, что создает местное, высокое удар-

ное давление или высокую температуру.

Повреждение поверхности имеет каверны диаметром от 0,2 до 1,5 мм.

Вокруг каверн имеются наплывы, создающие впечатление выдавленных

кратеров. Таким образом, вид повреждения металла в чистой воде свиде-

тельствует о том, что поверхность металла подвержена механическому

воздействию.

Кавитация возникает в тех участках, на которых нарушается сплош-

ность потока жидкости, в результате чего образуются пустоты и полости,

заполненные воздухом или паром. Эти так называемые кавитационные

пузыри, находясь у

поверхности металла, сокращаются с большой скоростью и затем раз-

рываются, что приводит к гидравлическому удару жидкости о поверх-

ность металла. При наложении на поверхность металла огромного коли-

чества таких ударов и образуются очаги разрушения.

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за

0,002 с до 6 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. По дан-

ным В.Я. Карелина, при определенных этапах кавитации на площади в

1 см

в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн. кави-

тационных пузырьков.

Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопроводах, в гид-

ромониторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных насосов,

лопасти гидравлических турбин, гребных винтов. Явление кавитации вы-

146

зывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию кре-

пежных связей, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии

стыков, нарушению уплотнений и усталостным повреждениям.

Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов и вызывает непо-

средственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Она

способствует закоксовыванию распылителей форсунок двигателей внут-

реннего сгорания.

Труднообтекаемая форма и неровности поверхностей, включая неров-

ности образовавшиеся по причине кавитационного изнашивания, служат

причиной образования вихрей и отставания струй от стенок рабочих ка-

налов, способствует возникновению или усилению кавитации.

Предпосылки для наступления и протекания кавитационного изнаши-

вания следующие. При замыкании до полного исчезновения парогазовых

пузырей у поверхности детали последняя подвергается микроскопическим

гидравлическим ударам. Из нескольких миллионов образовавшихся кави-

тационных пузырьков примерно один из 30 тыс. участвует в разрушении.

Под действием ударов поверхность металла начинает деформироваться и

подвергаться наклепу; появляются линии сдвига, и происходит как бы

своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен. Многократ-

но повторяющиеся удары вызывают разупрочнение и перенаклеп материала

на отдельных микроучастках, сопровождающиеся возникновением очагов

разрушения в виде трещин. Разрушается, прежде всего, менее прочная

структурная составляющая (в сталях – феррит, в чугунах – графитовые

включения). Затем может последовать выкрашивание и более прочных со-

ставляющих. Разрушение развивается в пределах зерен или по их границам

в зависимости от соотношения прочности зерен и связи между ними.

Методы борьбы с кавитационным изнашиванием

Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую

систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже

давления парообразования. Однако возможность кавитации всегда следу-

ет учитывать.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от температуры,

свойств жидкости и материала деталей. Влияние вязкости незначительное.

С увеличением поверхностного натяжения изнашивание происходит более

интенсивно. Введение в воду веществ, образующих и способствующих об-

разованию эмульсий (масла и эмульгаторы), понижает поверхностное на-

тяжение жидкости и снижает кавитационное изнашивание. Наибольшая

интенсивность изнашивания наблюдается в воде с температурой 50 С.

Кавитационная стойкость материала определяется его составом и

структурой. Повышение содержания углерода в углеродистой стали, уве-

личивает ее стойкость. Однако при содержании углерода 0,8% и более она

начинает падать. Пластинчатый перлит более стоек, чем зернистый. Вве-

147

дение никеля и хрома в сталь повышает ее стойкость за счет снижения

количества феррита, увеличения степени дисперсности и др. Шаровидная

форма графита благоприятна. Наиболее стойким является низколегиро-

ванный чугун (1% Ni, 0,3% Мо) с шаровидным графитом.

Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение, в

том числе твердые наплавки, сообщают, стали значительную кавитацион-

ную стойкость. То же относится к хромовому покрытию при достаточной

его толщине (около 40 мкм) и сплошности (молочный хром). При малой

толщине (менее 20 мкм) разрушение происходит под слоем хрома; суще-

ственную роль играет прочность основания. Латунь благодаря своей вяз-

кости стойка к кавитационному изнашиванию. Сравнительно хорошей

кавитационной стойкостью обладает резиновое покрытие.

4.11 Эрозионное изнашивание

Эрозия в широком понятии – процесс поверхностного разрушения

вещества под воздействием внешней среды. В машиностроении эрозия

имеет более узкое понятие – разрушение поверхности материалов вслед-

ствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости,

газа или пара. Разрушение металлов под действием электрических зарядов

также относится к эрозии. Эрозию подразделяют на газовую, кавитацион-

ную, абразивную и электрическую. Каждый вид эрозии имеет подвиды,

которые являются сочетанием отдельных видов, например, газовая эрозия

может быть газоабразивной, газоэлектрической и т.д.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа

или пара слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверх-

ность. В результате трения происходит расшатывание и вымывание от-

дельных объемов материала. Вообще говоря, скорость изнашивания в

этом случае мала. Большая роль принадлежит динамическому действию

потока или струи. В зависимости от свойств материала возможны вырывы

отдельных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией в

отношении приложенных сил. В пластичных материалах, обладающих

способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические де-

формации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчер-

пывается эти участки разрушаются, вымываются.

Эрозия на гладкой поверхности в начальный период развивается

весьма медленно, но после появления пораженных мест усиливается. Это

можно объяснить повышением хрупкости поврежденного поверхностного

слоя и связи с накоплением микротрещин, расклинивающим действием

жидкости с усилением ударного действия из-за большого вихреобразова-

ния у поверхности.

148

Газовой эрозии подвергаются лопатки газотурбинных установок, тру-

бы экономайзеров, лопатки дымососов, стальные и чугунные кольца дви-

гателей и т.д.

Приведенное на рисунке 4.4 кольцо скользило по хромированной по-

верхности восстановленного при ремонте зеркала цилиндра. Из-за плохой

прирабатываемости колец не обеспечивалось достаточное их прилегание

к стенкам цилиндра, происходил прорыв газов интенсивный местный на-

грев рабочей поверхности кольца. На поверхности образовались продол-

говатые раковины ветвистого строения. Уменьшить разрушение колец

можно улучшением их приработки.

Рисунок 4.6 – Поверхность поршневого кольца авиационного двигателя,

пораженная коррозией

Основными факторами газовой эрозии, определяющими интенсив-

ность разрушена металла, являются скорость и температура потока, а

также степень его запыленности.

Для повышения долговечности деталей машин и оборудования, под-

вергающихся действию газовой эрозии, необходимо прежде всего повы-

шать сопротивление металла окислению в данной газовой среде, по воз-

можности снижать скорость потока газа и защищать рабочие поверхности

металла от непосредственного воздействия на металл механических при-

месей, содержащихся в газе.

Горячая газовая эрозия пластмасс и теплозащитных покрытий полу-

чила название абляции. Это явление проявляется, например, при движе-

нии баллистического снаряда в плотных слоях атмосферы или под дейст-

вием горячих отработанных газов при работе ракетных двигателей. Абля-

ция сопровождается тепловыми и механическими эффектами и включает

ряд явлений: эрозию от ударов твердых частиц или капель; срезание мате-

риала от действия аэродинамических усилий; отслаивание (растрескива-

ние и отделение чешуек вследствие теплового расширения); сдувание

расплавленного материала потоком газов; сублимацию; испарение; пиро-

лиз; сгорание.

Стойкость пластмасс к абляции зависит от теплопроводности. В про-

тивоположность металлам пластмассы должны иметь низкую теплопро-

водность. Детали, отлитые под высоким давлением, лучше сопротивляют-

ся абляции по сравнению с деталями, отлитыми при низком давлении.

149

Жидкостная эрозия при определенных значениях скорости потока по

своей природе мало чем отличается от газовой. Трение потока жидкости о

металл вызывает разрушение продуктов коррозии (окисных пленок), ко-

торые обычно образуются в результате протекания на поверхности детали

химических или электромеханических процессов. Жидкостная эрозия

весьма интенсивно разрушает металл гребных винтов, деталей гидротур-

бин, различных трубопроводов, по которым жидкость течет с достаточно

большой скоростью.

Разрушение металла в результате жидкостной эрозии в чистой воде

имеет вид пятен, полос, рубцов, вымоин. При наличии в воде абразивных

частиц, например песка и глины, процесс разрушения протекает более

интенсивно. На поверхности деталей образуются характерные вымоины

большой глубины.

Наиболее вероятный механизм разрушения металла в данных услови-

ях имеет коррозионно-механическую природу, поэтому эффективным

средством увеличения долговечности материала является увеличение его

коррозионной стойкости и износостойкости.

4.12 Изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии и

методы борьбы с ним

Согласно ГОСТ 27674 88 изнашивание при фреттинге – это механиче-

ское изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относитель-

ном микросмещении. Например, в неподвижных посадках деталей при

воздействии больших нагрузок.

Изнашивание при фреттинг-коррозии – это коррозионно-

механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебатель-

ных относительных перемещениях.

Для возбуждения фреттинг-коррозии достаточны перемещения по-

верхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разрушение заключается в образова-

нии 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 по-

верхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках

действительного контакта. Продукты изнашивания не могут выйти из зо-

ны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их

абразивное действие на основной металл.

150

При фреттинг-коррозии относительная скорость движения соприка-

сающихся поверхностей небольшая. Так, в случае гармонических колеба-

ний с амплитудой 0,025 мм и частотой 50 с

-1

максимальная скорость

7,5 мм/с, а средняя – 2,5 мм/с [1].

Если амплитуда колебательного движения большая (около 2,5 мм), то

площадь поражения фреттинг-коррозией увеличивается, и изнашивание

происходит как при однонаправленном скольжении. Можно считать по-

этому, 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 кислоро-

да, 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.

Язвы и продукты коррозии на сопряженных поверхностях валов и на-

прессованных на них дисков, колес, муфт и колец подшипников качения,

на осях и ступицах колес подвижного состава железных дорог, на запрес-

сованных в картерах вкладышах подшипников, на пригнанных поверхно-

стях шпонок и их пазов, на центрирующих поверхностях шлицевых со-

единений, на опорах силоизмерительных устройств, на опорных поверх-

ностях пружин, на затянутых стыках, в заклепочных соединениях между

листами, на заклепках и в отверстиях, на болтах и т. п. – результат прояв-

ления фреттинг-коррозии. Этот вид коррозии наблюдается в проволочных

канатах, электровыключателях, рубильниках и штепсельных разъемах.

Продукты фреттинг-коррозии накапливаются в виде порошков, со-

держащих 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 микро-

смещения сопряженных поверхностей совершаются вследствие деформа-

ции деталей под нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происхо-

дящих в упругих системах.

Повреждения поверхностей вследствие фреттинг-коррозии служат

концентраторами напряжений и снижают предел усталости. Иногда уста-

лостные трещины из-за фреттинг-коррозии появляются на валах под на-

прессованными деталями в местах, расположенных вдали от расчетных

опасных сечений.