Молекулярно-механическое изнашивание

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате механического и молекулярного взаимодействия трущихся поверхностей. В результате схватывания поверхностей в месте контакта происходит глубинное вырывание материала, поэтому его называют изнашиванием при заедании. Часто наблюдается при недостатке смазки, больших нагрузках, температурах и скоростях скольжения. Этот вид изнашивания разделяют на изнашивание схватыванием первого и второго рода.

Схватывание первого рода заключается в микросваривании участков трущихся поверхностей. Изнашивание схватыванием первого рода возникает при трении поверхностей с малыми скоростями (1 м/с), отсутствии смазки и при больших нагрузках в местах контакта поверхностей. Под действием большой нагрузки между отдельными выступами трущихся поверхностей возникают металлические связи и упрочнение в месте схватывания. При перемещении происходит вырывание стружки из менее твердой поверхности или царапанье ее упрочненным участком. Изнашивание схватыванием первого рода сопровождается наиболее высоким коэффициентом трения, выделением большого количества тепла и наибольшей интенсивностью изнашивания.

Схватывание второго рода – адгезионное изнашивание. Этот вид разрушения наблюдается при трении скольжения с большими скоростями, недостаточной смазке и со значительными удельными нагрузками. Оно также характеризуется интенсивным повышением температуры в поверхностных слоях и увеличением их пластичности. Первые этапы идентичны схватыванию первого рода. Схватывание контактирующих поверхностей разъединяется не в местах сваривания, а происходит с переносом части одного металла на поверхность другого (адгезия металла). Далее при более жестких условиях трения, трущиеся сваривавшиеся металлы вообще могут не разъединиться, что приводит к заклиниванию или полной потере подвижности контактирующих деталей. Результаты это вида изнашивания легко наблюдать, например, на шейках коленчатого вала, зеркале цилиндра и т.д. Часто заклинивают поршни в двигателях, коленчатые валы и пр.

Явление схватывания имеет место при некоторых технологических процессах: холодная сварка металлов, получение биметаллов методом холодной прокатки. В этом случае схватывание желательно, т.к. происходит образование прочных металлических связей. В трибосопряжениях схватывание всегда вредно и несовместимо с нормальной работой узлов трения. Также схватывания можно наблюдать между инструментом и обрабатываемым металлом при обработке давлением, а при резании оно проявляется в виде наростообразозания на резце.

На сегодняшний день нет единой точки зрения на механизм процесса схватывания при трении. Исследованием схватывания занимались такие ученые как, И.Н. Лагунцев, Ф.П. Боуден, С.Б. Айбиндер и др.

Опыты по трению чистых металлических поверхностей в вакууме показали, что при относительном движении поверхности повреждаются, и сопротивление их смещению того же порядка, что и сопротивление материалов срезу. Это говорит о том, что для образования прочных связей между металлами в холодном состоянии необходимо отсутствие на соприкасающихся поверхностях всякого рода пленок и загрязнении.

Если в обычных условиях приложить нагрузку к двум соприкасающимся металлическим образцам, чтобы обеспечить между ними достаточную площадь контакта, то в результате взаимодействия атомов произойдет схватывание поверхностей, представляющее собой спонтанный процесс, протекающий с выделением энергии.

Схватывание между металлами, покрытыми пленками окислов или другими химическими соединениями и адсорбированными пленками без специальной полной очистки поверхностей не будет проявляться. Схватывание будет возможно в том случае, когда появятся условия для удаления пленок на достаточном числе участков и при сближении поверхностей на этих участках на межатомное расстояние. Такие условия могут быть в результате пластической деформации при действии одной только нормальной нагрузки и зависят от механических свойств пленки и металла. Если сопротивление пленки деформированию значительно больше, чем сопротивление металла (твердость пленки выше твердости металла), то при достаточной нагрузке металл пластически деформируется. Пленка при этом разрывается на отдельные части, связанные с металлом. Происходит выход основного металла в промежутки между частями пленки и совершается схватывание на чистых вновь образованных поверхностях металла. Если твердость пленки меньше твердости металла, то пленка деформируется вместе с металлом, не разрушаясь, схватывания не возникает. Для условий схватывания важно, чтобы твердость пленки была выше твердости металла в начальный период и в процессе деформации поверхности. Один и тот же металл, в зависимости от свойств пленок на его поверхности, может, как обладать способностью к схватыванию, так и не обладать.

Схватывание зависит от толщины металлических и оксидных пленок в результате присутствия на них адсорбированных пленок из внешней среды. Загрязнения с пленок стекают и препятствуют схватыванию поверхностей.

Схватывание поверхностей может быть не только при повышенных температурах, но и при нормальных. Рост температуры способствует более интенсивному протеканию схватывания.

Схватывание между металлическими поверхностями при некоторых режимах трения без смазочного материала возникает сравнительно легко. Пластическое деформирование на площадках фактического контакта и внедрение одной поверхности металла в другую создают условия для удаления окисных и адсорбированных пленок масел, жиров, газов и влаги и образования узлов схватывания. Узел схватывания – это местное соединение поверхностей, образующееся при трении в результате схватывания. Местное соединение поверхностей при трении вследствие адгезии называют узлом адгезии.

Необходимой предпосылкой образования узла схватывания на поверхностях трения является разрушение смазочной пленки. Она разрушатся под действием высокой температуры при упругой деформации поверхностных слоев, при наличии значительной пластической деформации или при совместном действии повышенной температуры и пластической деформации.

Схватывание может произойти не только при взаимном перемещении поверхностей, но и при длительном неподвижном контакте сопряженных деталей в окислительной среде (воздухе, водяном паре и т.д.) вследствие сращивания окисных пленок в зазорах. Такое схватывание наблюдается в предохранительных клапанах и запорной арматуре в виде «прикипания» тарелки к корпусу или к седлу и в резьбовых соединениях, работающих при повышенной температуре, в виде заедания при их разборке.

Рассмотрим различные случаи проявления схватывания и адгезии, наблюдаемые при испытаниях на машинах трения, и при исследовании узлов трения.

1. Вырывание материала в виде микроскопических и субмикроскопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую (рис. 4.6). Такое проявление схватывания не вызывает катастрофического разрушения.

Рис. 4.6. Поверхность стального шлифованного образца

с частицами меди

2. Образование тонкой пленки мягкого материала (медь и ее сплавы, бронза, свинец) на твердой сопряженной поверхности. Такое схватывание имеет следующие последствия: может наблюдаться интенсивное изнашивание; заедание при высокой скорости скольжения; резкое увеличение силы трения из-за намазывания (на износ особо не влияет); образование тонкого слоя меди на стальной поверхности (износ не увеличивается) (рис. 4.7).

3. Намазывание является стадией предкатасрофического повреждения деталей. На рисунке 4.8 показано катастрофическое изнашивание бронзовой втулки поршневого двигателя внутреннего сгорания в результате намазывания тонкого слоя бронзы на валик.

Рис. 4.7. Болт шарнирного соединения с тонким слоем бронзы

Рис. 4.8. Поверхность стального валика с наволакиванием

толстого слоя бронзы

4. Перенос твердого материала на мягкую поверхность (сталь на бронзу, бронза на резину и т.д.). В результате на более твердой поверхности образуются риски из-за царапающего действия перенесенного материала. Перенесенный материал находится в наклепанном состоянии. Такой вид схватывания приводит к потере работоспособности узла трения, проявляется достаточно редко в результате действия высоких давлений и температур.

5. Глубинное вырывание материала с образованием борозд, уступов и впадин (рис.4.9). Процесс сопровождается наклепом поверхностного слоя на большую глубину. Происходят структурные изменения с переориентацией зерен по направлению движения поверхности. Глубинное вырывание – явление катастрофическое. Оно приводит к повышению скорости изнашивания в десятки тысяч раз, увеличивает силу трения, вызывает заклинивание и поломку.

Рис. 4.9. Вырывание материала на поверхности стального

золотника топливного насоса

Основным направлением борьбы со схватыванием является локализация пластической деформации при трении в тонких пограничных слоях. Это достигается применением смазочных материалов с антизадирными присадками. Снизить вероятность схватывания поверхностей трения возможно следующими способами: подбирают материалы с пониженной способностью к схватыванию (антифрикционные сплавы: баббиты, бронзы); вводят легирующие элементы, повышая твердость материалов; ограничивают контактные напряжения и скорость относительного перемещения; проводят химико-термическую обработку; на поверхности деталей наносят пленки мягких материалов (свинец, олово); вводят в сплавы мягкие составляющие или материалы со слоистой структурой (графит, дисульфид молибдена); применяют антифрикционные полимерные покрытия; в пористую металлическую основу вводят жидкие или пластичные смазочные материалы.

4.6.6. Коррозионно-механическое изнашивание

Коррозия (от лат. corrosio - разъедание) - это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионные разрушения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности таких агрессивных веществ, как химически активные газы, кислотные примеси смазочных материалов, почва и др. Коррозионно-механическое изнашивание возникает в результате механического воздействия на трущиеся поверхности.

Этот вид изнашивания вызывается главным образом химической реакцией материала поверхности трения с кислородом или окисляющей окружающей средой. Коррозия металла в той или иной среде может происходить независимо от того, имеется трение или нет. Совместное действие коррозии, нагружения и механического изнашивания усиливает интенсивность разрушения поверхностей деталей. Сам процесс коррозионно-механического изнашивания главным образом обусловлен электрохимическим коррозионным процессом. Электрохимические процессы существенно ускоряются при деформировании поверхностного слоя. В условиях трения коррозионные процессы ускоряются в тысячи раз.

Коррозионные процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии. Рассмотрим классификацию в зависимости от различных факторов.

По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения, коррозия может быть следующих видов: газовая коррозия; атмосферная коррозия; коррозия в неэлектролитах; коррозия в электролитах; подземная коррозия; биокоррозия; коррозия блуждающим током.

По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды: контактная коррозия; щелевая коррозия; коррозия при неполном погружении; коррозия при полном погружении; коррозия при переменном погружении; коррозия при трении; межкристаллитная коррозия; коррозия под напряжением.

По характеру разрушения: сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность (равномерная; неравномерная; избирательная); локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки (пятнами, язвенная, точечная (или питтинг), сквозная, межкристаллитная).

Основной является классификация по механизму протекания процесса. Различают два вида: химическую коррозию; электрохимическую коррозию.

Коррозия может стать составной частью процесса изнашивания деталей двигателей внутреннего сгорания независимо от рабочего процесса в них. Так, при сгорании бензина помимо водяных паров образуются двуокись углерода, небольшое количество окислов серы из органических сернистых соединений в составе топлива, окись азота в очень малых количествах 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 конденсируются, повышая интенсивность изнашивания стенок и поршневых колец, усиливая коррозию поршня, бобышек и поршневого пальца.

Проблема коррозии подшипников возникла после внедрения в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов. Все антифрикционные сплавы, в какой-то мере корродируют под воздействием органических кислот, содержащихся в маслах или образующихся в них во время работы.

Масла окисляясь, дают перекиси, которые вызывают реакции заканчивающиеся 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; образуются раковины в местах пятен; появляются трещины между раковинами и происходит выкрашивание заливки по линии трещин (рис. 4.10).

Корозионно-механическому изнашиванию особого вида подвержены рабочие органы машин по переработке сырья, содержащего жирные кислоты. К таким машинам относятся, например, шнекпрессы для производства растительного масла, машины для резания, дробления, размалывания и перемешивания сырья на мясокомбинатах. Проблема защиты от коррозии свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов была решена при использовании антикоррозионных присадок маслу.

Рис. 4.10. Сечение поврежденной коррозией поверхности

подшипника из свинцовистой бронзы

Эти присадки представляют собой органические вещества, содержащие фосфор. Пассивация поверхности подшипника происходит в результате образования на ней защитной пленки, ближайшие к металлу слои которой связаны с ним химически, а последующие слои удерживаются силами физической адсорбции. Пленка срабатывается и восстанавливается.

Центробежные насосы перекачивают морскую, речную или воду из скважин с различным содержанием солей и взвешенных частиц. В ходе технологического процесса на предприятиях пищевой, химической и других отраслей промышленности насосы перекачивают, как кислую, так и щелочную воду. Для защиты от коррозии валы центробежных водяных насосов облицовывают рубашками (защитными втулками) из бронзы, стали или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой.

Дата добавления: 2014-12-26