Общие сведения о видах изнашивания рабочих поверхностей

Изнашиваемая поверхность формируется под действием различных по интенсивности и видам элементарных актов разрушения и изменений механических и физико-химических свойств материала под действием среды, температуры, давления, скорости относительного перемещения поверхностей и других факторов. Совокупность протекающих в процессе трения явлений определяет вид изнашивания и его интенсивность. Вследствие разнообразия сочетаний материалов пар трения и условий их эксплуатации виды изнашивания чрезвычайно разнообразны, однако желательно привести их небольшому числу видов для разработки конкретных мероприятий по борьбе с изнашиванием.

Вид изнашивания можно оценить предварительно по внешнему виду поверхности трения. Для представления полной картины процесса обычно требуется анализ состава, физических и механических свойств тонких поверхностных слоев.

Предлагается рассмотреть не только различные виды изнашивания, но и некоторые виды эксплуатационных повреждений сопряженных деталей. В общем случае существуют следующие виды изнашивания и разрушения поверхностей деталей: водородное изнашивание, абразивное, окислительное изнашивание, изнашивание вследствие пластической деформации, вследствие диспергирования, в результате выкрашивания вновь образуемых структур, коррозионное, кавитационное, эрозионное изнашивание, коррозионно-механическое изнашивание, изнашивание при схватывании и заедании поверхностей, изнашивание при фреттинг-коррозии, избирательный перенос.

Вид повреждения поверхности трения зависит от условий работы сопряжения и их изменение приводит к изменению вида изнашивания или разрушения. При определенных условиях каждая деталь сопряжения может быть подвержена различному виду износа. Например, при работе вала в паре с подшипником из мягкого металла и использовании загрязненного твердыми частицами смазочного материала частицы впрессовываются в мягкий материал и будут оказывать абразивное изнашивание вала, при этом подшипник изнашивается крайне мало, подвергаясь диспергированию. Различные участки одной и той же детали могут быть подвержены различным видам изнашивания. Некоторые виды изнашивания могут иметь подвиды, характеризуемые формой протекания процесса, внешними признаками, интенсивностью. Кроме рассмотренных выше познакомимся с наиболее часто встречающимися видами изнашивания.

Явление водородного изнашивания установлено около 40 лет назад Д.Н.Гаркуновым и А.А.Поляковым. Этот вид изнашивания встречается достаточно широко в узлах трения машин и механизмов, используемых в различных отраслях техники. Для описания процессов, протекающих при водородном изнашивании, необходимо использовать основы электрохимии, органической химии, катализа, химии полимеров, и смазочных материалов, механохимии и др. наук.

Водородное изнашивание обусловлено следующими процессами, протекающими в зоне трения:

- выделением водорода в результате трибодеструкции (нарушения или разрушения нормального строения вещества) водородосодержащих материалов, вследствие чего создается постоянный поток диффузии водорода в поверхностный слой стали или чугуна;

- адсорбцией водорода на поверхностях трения;

- диффузией водорода в поверхностный слой стали, скорость которой определяется градиентом температур и напряжений, вследствие чего водород накапливается в этих слоях;

- особым видом разрушения, связанного с одновременным образованием и развитием большого числа трещин по всей зоне деформирования и образованием мелкодисперсного порошка материала.

Водородное изнашивание проявляется достаточно широко, поскольку поверхности практически всех поверхностей стальных и чугунных деталей содержат повышенное количество водорода. Кроме этого, наличие в воздухе паров воды создает условия для образования атомарного водорода, наблюдаются процессы разложения материалов, топлива, пластмасс, водород используется в некоторых технологических процессах (при доменной плавке, азотировании сталей, проведении электрохимических процессов осаждения покрытий, при травлении стальных заготовок для удаления прокатной окалины, фосфатировании и т.д.). Степень наводороживания зависит от состояния стали, наличия в растворе даже следов серы, мышьяка, селена ("отравителей"), увеличивающих площадь покрытия водородом.

Различают водородное изнашивание диспергированием (ВИДИС) и разрушением (ВИРАЗ). При ВИДИС водород усиливает диспергирование стали или чугуна. ВИРАЗ имеет специфическую особенность, сущность которой заключается в мгновенном разрушении поверхностного слоя детали, в котором накопилось значительное количество водорода, на глубину 1-2 мкм. Водород при десорбции смазочного материала занимает места молекул этого материала и способствует увеличению диффузии водорода в глубь поверхности. Попадая в микротрещины и микропоры водород стремится расширить эти микрополости, вызывая высокие напряжения. В результате эффекта накопления при повторении цикла нагружения происходит разрушение стали по всем образовавшимся микрополостям и трещинам.

Водородное изнашивание проявляется не только в узлах трения скольжения, но и при реализации трения качения, что нашло подтверждение при исследовании условий разрушения шариковых подшипников качения. Оказалось, что наличие небольшого количества воды в смазочном материале приводит к её разложению на водород и кислород. Затем водород внедряется в металл, который подвержен усталостному воздействию (многократному передеформированию вследствие качения шариков).

Кроме этого, вода снижает контактную усталость поверхностей деталей. Механизм этого явления выглядит следующим образом. Поверхностные трещины, образовавшиеся при качении, работают как капилляры, заполняются смазочным материалом, а растворенная в нем вода конденсируется в вершинах таких микротрещин. Совместное воздействие среды и нагружения увеличивают скорость роста трещин, причем эти трещины становятся впоследствии концентраторами напряжений. Для уменьшения влияния воды и повышения долговечности подшипников в смазочные материалы вводят присадки, организуют режим избирательного переноса за счет образования на контактной поверхности тонкой медной пленки.

Водородному изнашиванию подвержены титановые сплавы, которые благодаря высоким прочностным характеристикам находят широкое применение. Водород образует с титаном химическое соединение, которое обладает высокой хрупкостью и снижает антифрикционные свойства поверхностей. Для улучшения этих свойств титановые сплавы подвергают оксидированию на воздухе или в средах (песке, графите, расплавах солей) при температуре 500- 1000⁰С. При температуре менее 500⁰С пленка получается весьма толстой и при трении разрушается. Затем поверхность натирают медью в среде глицерина, благодаря чему предотвращается заедание и схватывание поверхностей.

На основании исследований предложены следующие методы по снижению водородного изнашивания:

- следует учитывать степень наводороживания и охрупчивания материалов, используемых в узлах трения: введение хрома, титана, ванадия снижает диффузию водорода, наклеп увеличивает поглощение водорода, необходимо исключить использование материалов, при разложении которых выделяется водород;

- не применять смазочные материалы, которые на поглощают влагу, либо вводить добавки, способные связывать образующийся водород;

- в парах трения сталь-медный сплав исключать примеси сурьмы, мышьяка и др., способствующих выделению водорода;

- уменьшить коррозию путем изменения режима работы сопряжения (снизить температуру, скорость скольжения и давление);

- при использовании полимеров подключать деталь к положительному полюсу источника, что уменьшит полностью проникновение водорода в стальную деталь;

- вводить в материалы добавки, которые способны соединяться с водородом;

- применение полирования в качестве последней технологической операции, в результате чего водород диффундирует к поверхности и десорбируется.

Другим часто встречающимся видом изнашивания является абразивное изнашивание - механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Различают газо- и гидроабразивное изнашивание, а также изнашивание закрепленным или свободным абразивом. Приведенному виду изнашивания подвержены детали сельскохозяйственных, дорожных, строительных, горных, транспортных машин и механизмов, узлы металлургических и металлорежущих машин и оборудования, рабочие колеса турбин, лопатки гребных винтов, газовых турбин, бурильное оборудование и т.п.

Абразивные частицы могут иметь различную форму и ориентируются самым различным образом относительно сопряженных поверхностей. Твердость окисных пленок больше твердости самих металлов, поэтому при трении прочные окисные пленки мягких металлов способны изнашивать самые твердые стали (например, окислы алюминия по стали). На процесс абразивного изнашивания оказывают влияние размер частиц абразивного материала. Проведенные исследования показали, что частицы размером до 5 мкм уменьшают износ и в процессе эксплуатации коагулируют. Частицы размером более 5 мкм увеличивают износ.

Для борьбы с этим видом изнашивания используют фильтры различного вида для снижения вероятности попадания частиц в зазоры сопряженных деталей вместе с воздухом, топливом, смазочным материалом, используют различные виды уплотнительных устройств, применяют пластичные смазочные материалы, по возможности стараются уменьшить влажность в зоне трения и агрессивность среды.

В процессе трения возможно не только изнашивания соприкасающихся поверхностей деталей, но и их схватывание. Под схватыванием понимают местное соединение двух твердых тел за действия молекулярных сил, происходящее при трении. В зоне касания исчезает граница между соприкасающимися деталями, изготовленными из одно- и разнородных металлов. В некоторых случаях это явление используется целенаправленно, например, при холодной сварке металлов, прокатке биметаллических изделий и т.д. В других случаях схватывание является вредным процессом.

Для образования прочной металлической связи необходимо, чтобы поверхности сопряженных деталей не имели окисных пленок и адсорбированных пленок из внешней среды. Схватывание происходит при некоторых режимах трения без смазочного материала, при нарушении целостности пленки смазочного материала и при различных температурах, причем при повышенных температурах схватывание материалов облегчается. Схватывание начинается с микроскопических повреждений и переходит к локализованному разрушению поверхностного слоя и в конечном итоге к глубинному вырыванию. Результат схватывания проявляется в виде натира, при котором один из материалов наносится на другой, задира - при котором результат схватывания виден невооруженным взглядом (в виде борозд или канавок), и заедания - проявляющегося в виде наростов и глубоких борозд

Раздел 9

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: