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

Подождите немного. Документ загружается.

151

Контактирующие поверхности повреждаются вследствие фреттинг-

коррозии и в то время, когда машина не работает из-за вибрации, возбуж-

даемой работающими механизмами. Подобное явление возможно и при

перевозке машин.

Механизм фреттинг-коррозии. При фреттинг-коррозии протекают

следующие процессы. Под действием сил трения кристаллическая решет-

ка поверхностных слоев при циклических тангенциальных смещениях

расшатывается и разрушается. Процесс разрушения представляет собой

диспергирование поверхности без удаления продуктов изнашивания. Ото-

рвавшиеся частицы металла подвергаются быстрому окислению. Допол-

нительным источником повреждения поверхностей может явиться возни-

кающее местами схватывание сопряженных металлов.

Упрощенная схема процесса фреттинг-коррозии в начальной фазе та-

кова: перемещение и деформация поверхностей под действием перемен-

ных касательных напряжений – коррозия – разрушение окисных и других

пленок – обнажение чистого металла и местами схватывание – разруше-

ние очагов схватывания и адсорбция кислорода на обнаженных участках.

Образование окисных пленок на металлической поверхности или про-

дуктов изнашивания в виде окислов изменяет характер протекания про-

цесса, который начинает определяться не только физико-химическими

свойствами материалов пары трения в исходном состоянии, но и приро-

дой окислов и других образовавшихся химических соединений. Окисле-

нию металла сопутствует увеличение объема. При наличии в сопряжении

замкнутых контуров (например, в цилиндрических сопряжениях) это при-

водит к местному повышению давления, что способствует повышению

интенсивности изнашивания и возникновению питтингов. Окислы оказы-

вают абразивное действие, которое зависит от прочности сцепления окис-

ных пленок с основным металлом, твердости окислов и размеров их час-

тиц в продуктах изнашивания. Твердость окислов металлов, как правило,

больше твердости чистых металлов.

Механизм изнашивания при фреттинг-коррозии в упрощенном виде

показан на рисунке 4.7. Первоначальное контактирование деталей проис-

ходит в отдельных точках поверхности (I). При вибрации окисные пленки

в зоне фактического контакта разрушаются, образуются небольшие ка-

верны, заполненные окисными пленками (II), которые постепенно увели-

чиваются в размерах и сливаются в одну большую каверну (III). 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 не-

травящихся структур в отколовшихся частицах и на поверхности каверн.

152

Твердость А12О3 превосходит твердость азотированной стали. Это

объясняет странный на первый взгляд факт разрушения при фреттинг-

коррозии сверхтвердых сплавов и сильного разрушения закаленной хро-

мистой стали при трении о них алюминия. Напротив, хромистая сталь при

трении о цинк и медь, т.е. о металлы с большей, чем у алюминия, твердо-

стью, 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 дальней-

ший износ. Крупный размер частиц окислов способствует повышению

интенсивности изнашивания. Так, в паре алюминий – закаленная хроми-

стая сталь, где сталь сильно изнашивается, размер частиц корунда 10 мкм.

Рисунок 4.7 – Механизм изнашивания металлических поверхностей при фреттинг-коррозии:

1, 2 – контактирующие детали; 3 –точки контакта поверхностей; 4 – мелкие зарождающиеся

каверны; 5 – общая большая каверна; 6 – трещины; 7 – отколовшиеся объемы металла;

8 – отколовшиеся частицы с твердой структурой

153

Можно было бы полагать, что свободный графит в серых чугунах,

контактирующих без смазочного материала, должен снизить скорость

изнашивания при фреттинг-коррозии. Опыты этого не подтверждают; по-

видимому, графит не обеспечивает эффективного смазывания в этих ус-

ловиях, а структуру ослабляет. Перлитные чугуны в контакте друг с дру-

гом менее подвержены повреждению, чем ферритно-перлитные. Большая

твердость является благоприятным фактором. Фосфидная эвтектика уп-

рочняет ферритно-перлитные чугуны.

При фреттинг-коррозии возможно образование и белых слоев в ре-

зультате диффузии азота или углерода из продуктов разложения масла. В

результате схватывания и пластической деформаций могут образовывать-

ся 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 ус-

коряет изнашивание, но, начиная с некоторой частоты, снижается актив-

ность факторов, протекающих во времени (окислительные процессы, на-

клеп 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 уп-

ругости 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 вынос-

ливости валов и осей.

Силы трения можно увеличить, повысив давление путем уменьшения

площади контакта деталей или повысив коэффициент трения за счет уве-

личения шероховатости поверхностей. Повышение давления может быть

действенным, если проскальзывание поверхностей значительно снизится

и будет скорее субмикроскопического, нежели микроскопического харак-

тера; в противном случае результаты будут прямо противоположны ожи-

даемым. Шероховатость поверхностей может длительно влиять на коэф-

фициент трения, если один из элементов пары не является металлом. Дру-

гой 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 со-

прягаемых деталей. Например, можно исключить фреттинг-коррозию ме-

154

жду 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 микро-

смещениях эти покрытия сами подвергаются фреттинг-коррозии и быстро

изнашиваются.

Если исключить вибрацию невозможно, то ослабить повреждение по-

верхностей 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 коэффи-

циент 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 MоS

. Фос-

фатированная 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 про-

цесса смещений во внутрь покрытия. Все покрытия срабатываются, боль-

шая или меньшая их эффективность определяется сроком службы.

Хорошую сопротивляемость фреттинг-коррозии оказывают пары

сталь – политетрафторэтилен или полиамиды. Действенным средством

могут стать резиновые прокладки.

Уменьшить повреждение от фреттинг-коррозии можно также повы-

шая твердость одной детали. При увеличении твердости стали уменьша-

ется взаимное внедрение деталей, что снижает интенсивность изнашива-

ния; кроме того, продукты изнашивания в этом случае меньше по разме-

рам и их абразивное действие слабее. Закалка и азотирование полезны;

хромирование не предотвращает и, вероятно, не уменьшает повреждения

из-за высокой твердости окисла хрома.

4.13 Изнашивание при заедании.

Сущность процесса схватывания и виды его проявления

Заедание – наиболее яркая форма проявления схватывания. Образу-

ются широкие и глубокие борозды с неровными краями, иногда слившие-

ся; имеются крупные наросты; возможно оплавление поверхности, может

произойти полное заклинивание деталей.

155

Заедание наблюдается в тяжело нагруженных подшипниках скольже-

ния, зубчатых зацеплениях, передающих значительные крутящие момен-

ты; реже в подшипниках качения; в золотниковых парах; шарнирных со-

единениях; в деталях цилиндропоршневой группы двигателей; в направ-

ляющих станков и других машин; в резьбовых соединениях и т.п.

Схватывание при трении – приваривание, сцепление, местное соеди-

нение двух твердых тел под действием молекулярных сил. При этом обра-

зуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта

поверхностей. В местах схватывания исчезает граница между соприка-

сающимися телами, происходит сращивание одно- и разноименных ме-

таллов. На образовании прочных металлических связей между двумя за-

готовками основаны такие технологические процессы, как кузнечная

сварка, контактная сварка сопротивлением и плакирование методом горя-

чей прокатки. Но в отличие от схватывания при трении эти процессы ха-

рактеризуются соединением металлов при значительном давлении и при

температуре выше температуры рекристаллизации. В этих технологиче-

ских процессах, как и при спекании деталей, большое значение имеет

диффузия.

На явлении схватывания при совместном пластическом деформирова-

нии металлов базируются технологические процессы холодной сварки

металлов и получения биметаллов холодной прокаткой. Схватывание ме-

жду инструментом и обрабатываемым металлом наблюдается при обра-

ботке давлением, а при резании оно проявляется в виде наростообразова-

ния на резце. Если в технологических процессах соединения металлов

методом холодной сварки и плакирования схватывание используется це-

ленаправленно, то при резании, холодной обработке давлением и при тре-

нии схватывание является вредным сопутствующим процессом.

Единой точки зрения на механизм процесса схватывания при трении

пока нет. Остановимся на одной из гипотез схватывания. Опыты по тре-

нию чистых металлических поверхностей в вакууме показали, что при

относительном движении поверхности повреждаются, и сопротивление их

смещению того же порядка, что и сопротивление материалов срезу. От-

сюда можно сделать вывод, что для образования прочных связей' между

металлами в холодном состоянии необходимо отсутствие на соприкасаю-

щихся поверхностях всякого рода пленок и загрязнений. Это условие яв-

ляется обязательным.

Что же представляет собой процесс схватывания в обычных услови-

ях? Если приложить нагрузку к двум соприкасающимся металлическим

образцам, чтобы обеспечить между ними достаточную площадь для кон-

такта (на расстояниях порядка межатомных), то в результате взаимодей-

ствия атомов произойдет схватывание поверхностей, представляющее

собой спонтанный процесс, протекающий с выделением энергии. Если у

156

одного и того же металла контактируют два кристаллита с одинаковой

ориентацией, т.е. с параллельным расположением кристаллографических

плоскостей, то произойдет их простое сращивание в один общий кристал-

лит. Если же кристаллиты имеют различную ориентацию, то между ними

образуется переходная зона той же природы, что и межкристаллитная зо-

на в поликристаллах. Для построения переходной зоны используется по-

верхностная энергия, высвобождающаяся в результате исчезновения кон-

тактирующих поверхностей. Если контактируют два разноименных ме-

талла, то между ними тоже образуется переходная зона и возникают ме-

таллические связи большей или меньшей прочности.

Схватывание металлов, покрытых пленками окислов или другими хи-

мическими соединениями (сульфидами, хлоридами) и адсорбированными

пленками без специальной полной очистки поверхностей, очевидно, будет

возможно при наличии условий для удаления пленок на достаточном числе

участков при сближении поверхностей на этих участках на межатомное

расстояние. Такие условия могут быть созданы в результате пластической

деформации при действии одной только нормальной нагрузки в зависимо-

сти от соотношения механических свойств пленки и металла. Если сопро-

тивление пленки деформированию значительно больше, чем сопротивление

металла (твердость пленки выше твердости металла), то при достаточной

нагрузке металл пластически деформируется. Пленка при этом не растека-

ется, а разрывается на отдельные части, связанные с металлом. Происходит

выход основного металла в промежутки между частями пленки и схватыва-

ние на чистых вновь образованных поверхностях металла. Если твердость

пленки меньше твердости металла, то пленка деформируется вместе с ме-

таллом не разрушаясь, и схватывания не возникает.

Один и тот же металл в зависимости от свойств пленок на его поверх-

ности может обладать (или не обладать) способностью схватывания.

Схватывание металлов происходит не только при повышенных, но и

при нормальных температурах, причем, независимо от длительности их

контакта. С повышением температуры процесс схватывания облегчается.

Адгезионное действие при трении аналогично схватыванию. Проч-

ность схватывания или адгезии двух поверхностей может быть оценена

величиной напряжений растяжения, необходимых для разрушения обра-

зовавшихся связей. Эта величина зависит для данной пары трения от

площади сцепления. Поскольку при контакте между телами действуют

силы упругости даже в области пластического течения, то при снятии на-

грузки достаточно действия только упругих сил, чтобы разорвать образо-

вавшиеся связи. Подобного самопроизвольного разрушения связей не бу-

дет, если общая площадь сцепления превышает некоторый минимум.

Узел схватывания – это местное соединение поверхностей, образую-

щееся при трении в результате схватывания. Местное соединение поверх-

157

ностей при трении вследствие адгезии называют узлом адгезии. Необходи-

мой предпосылкой для образования узла схватывания на поверхностях тре-

ния является разрушение смазочной пленки. Оно может произойти под дей-

ствием высокой температуры при упругой деформации поверхностных сло-

ев, при наличии значительной пластической деформации или при совмест-

ном действии повышенной температуры и пластической деформации.

Для объяснения различной способности металлов к схватыванию

В.Н. Гуляев и И.Н. Лагунцев выдвинули гипотезу. Молекулы водорода,

кислорода, азота и некоторые другие двухатомные молекулы, адсорбиру-

ясь на металлических поверхностях, переходят в атомарное состояние,

благоприятствующее диффузии в металлы. Доказано, что азот, углерод и

водород могут проникать в кристаллическую решетку металла так же, как

кислород при малом его количестве на поверхности в начальный период

окисления, Следовательно, если адсорбированные на поверхности контак-

та атомы способны растворяться в поверхностных слоях кон- тактирую-

щих деталей, то наступит схватывание. Роль пластического деформирова-

ния заключается в разрушении поверхностных окисных пленок и сниже-

нии концентрации адсорбированных атомов на поверхности фактического

контакта.

4.14 Виды повреждения поверхностей трения при схватывании

Процесс возникновения и разрушения узлов схватывания видоизме-

няется в зависимости от конструкций деталей, их материалов и режимов

трения. Рассмотрим проявления схватывания и адгезии, наблюдаемые при

испытании образцов на машинах трения и при исследовании технического

состояния узлов трения машин.

1 Вырыв материала в виде микроскопических и субмикроскопических час-

тиц с одной поверхности и перенос их на другую поверхность (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 – Стальной шлифованный

образец с частицами меди (светлые

участки), перенесенными с медного

образца при трении в среде глицерина

при давлении 10 МПа ( 100)

158

Площадь частиц мала, масса их может быть до 10

-10

г. При работе

приваренные частицы срабатываются, вырываются и уносятся из зоны

трения. Повреждения поверхностей наблюдаются под микроскопом, а

мельчайшие частицы могут быть обнаружены лишь радиографией. Неза-

висимо от частоты образования узлов схватывания интенсивность изна-

шивания будет мала.

Такое проявление схватывания не может вызвать катастрофического

разрушения.

2 Образование тонкой пленки (налета) мягкого материала на твердой

сопряженной поверхности, например омеднение режущих кромок резца

при резании меди и ее сплавов, намазывание бронзы на сталь (на валы,

червяки, болты), свинца на сталь, стали или алюминиевого сплава на хро-

мовое покрытие полимера и резины на вал.

3 Перенос твердого материала на мягкую поверхность. Сталь перено-

сится на бронзу, бронза вследствие адгезии переносится на резину или

пластмассу. На более твердой поверхности образуются риски в результате

царапающего действия перенесенного металла, находящегося в состоянии

наклепа. Такой вид схватывания приводит к потере работоспособности

узла трения, хотя проявляется редко, обычно при очень высоких давлени-

ях и температурах.

4 Вырывание материала с образованием глубоких борозд, уступов и

впадин . Процесс вырывания сопровождается интенсивным наклепом по-

верхностных слоев на значительную глубину. Глубинное вырывание по-

верхностных слоев недопустимо; оно приводит к повышению скорости

изнашивания в десятки тысяч раз, увеличению сил трения, повреждению

поверхностей, что снижает сопротивление усталости деталей, а в ряде

случаев вызывает их заклинивание и поломку.

Таким образом, схватывание материалов проявляется в самых разно-

образных формах. Начинается оно с субмикроскопических повреждений,

переходя постепенно к локализованному разрушению поверхностного

слоя, различимому невооруженным глазом, и к глубинному вырыванию.

4.15 Схватывания деталей из-за наличия окислов в зазоре

Схватывание может произойти не только при взаимном перемещении

поверхностей, но и при длительном неподвижном контакте соединенных де-

талей в окислительной среде (воздухе, водяном паре и т.д.) вследствие сра-

щивания окисных пленок в зазорах. Такое схватывание (или адгезия) проис-

ходит в предохранительных клапанах и запорной арматуре в виде «прикипа-

ния» тарелки к корпусу или к седлу и в резьбовых соединениях, работающих

при повышенной температуре, в виде заедания при их разборке.

159

Механизм соединения металлических тел при окислении следующий.

Независимо от точности и плотности взаимного прилегания поверхно-

стей, между ними имеются зазоры во много раз превосходящие размеры

молекул окислителя. Проникая в эти зазоры, молекулы окислителя всту-

пают в химическое соединение с металлом поверхностных слоев. Образо-

вание окисных пленок и встречный их рост завершаются соединением на

тех или иных участках (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 – Схема соединения деталей при обрезании общего окисного слоя в зазоре:

1 – начальные окисные пленки; 2 – окисная соединительная пленка

Число таких участков увеличивается с течением времени. При высо-

ких температурах процесс ускоряется.

4.16 Сущность коррозионно-механического изнашивания

Коррозия металла в той или иной среде может происходить независи-

мо от того, имеется трение или нет; совместное действие коррозии, на-

гружения и механического изнашивания усиливает интенсивность разру-

шения поверхностей деталей. Бывают, однако, случаи, когда коррозия

становится активной вследствие трения деталей.

Коррозия может стать составной частью процесса изнашивания дета-

лей двигателей внутреннего сгорания независимо от рабочего процесса в

них. Так, при сгорании бензина помимо водяных паров образуются дву-

окись углерода, небольшое количество окислов серы из органических

сернистых соединений в составе топлива, окись азота в очень малых ко-

личествах и др. При взаимодействии с водяными парами эти продукты

образуют кислоты – угольную, сернистую, серную, азотистую, азотную и

др., которые в основном удаляются из цилиндра с отработавшими газами.

При пониженной температуре стенок цилиндра кислоты легко конденси-

160

руются, повышая интенсивность изнашивания стенок и поршневых. ко-

лец, усиливая коррозию поршня, бобышек и поршневого пальца.

Проблема коррозии подшипников возникла после внедрения в быст-

роходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых,

медно-свинцовых и кадмиевых сплавов. Все антифрикционные сплавы, в

какой-то мере корродируют под воздействием органических кислот, со-

держащихся в маслах или образующихся в них во время работы.

Масла, окисляясь, дают перекиси, которые вызывают реакции, закан-

чивающиеся образованием органических кислот. Воздействию последних

слабо подвержены оловянные баббиты, сильнее реагируют свинцово-

мышьяковистые сплавы и свинцовый баббит. По данным исследователей

Б.Л. Лосикова и др., коррозионная стойкость медно-свинцовых, свинцово-

щелочных и кадмиево-серебряных сплавов в (500…1700) раз ниже, чем

оловянных баббитов.

Последовательное разрушение свинцово-щелочного сплава происходят

следующим образом: вначале на гладкой блестящей поверхности появляются

матовые шероховатые на ощупь пятна, представляющие собой скопления

тончайших каналов, уходящих в глубь заливки на всю ее толщину; образуют-

ся раковины в местах пятен; появляются трещины между раковинами и про-

исходит выкрашивание заливки по линии трещин (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Сечение поврежденной коррозией поверхности

подшипника из свинцовистой бронзы ( 30)

Корозионно-механическому изнашиванию особого вида подвержены

рабочие органы машин по переработке сырья, содержащего жирные ки-

слоты. К таким машинам относятся, например, шнекпрессы для производ-

ства растительного масла, машины для резания, дробления, размалывания

и перемешивания сырья на мясокомбинатах.