Файл: Износа и смазки.pdf

92
(износ не увеличивается) (рис. 4.8). В случае образования пленки на мягкой «подкладке» сила трения будет увеличиваться, так как проис- ходит увеличение фактической площади контакта.
Рис. 4.7. Поверхность стального шлифованного образца
с частицами меди
Рис. 4.8. Болт шарнирного соединения с тонким слоем бронзы
3. Намазывание является стадией предкатасрофического повре- ждения деталей. На рисунке 4.9 показано катастрофическое изнаши- вание бронзовой втулки поршневого двигателя внутреннего сгорания в результате намазывания тонкого слоя бронзы на валик.
4. Перенос твердого материала на мягкую поверхность (сталь на бронзу, бронза на резину и т.д.). В результате на более твердой по- верхности образуются риски из-за царапающего действия перенесен- ного материала. Перенесенный материал находится в наклепанном состоянии. Такой вид схватывания приводит к потере работоспособ- ности узла трения, проявляется достаточно редко в результате дейст- вия высоких давлений и температур.
5. Глубинное вырывание материала с образованием борозд, ус- тупов и впадин (рис. 4.10). Процесс сопровождается наклепом по-

93 верхностного слоя на большую глубину. Происходят структурные изменения с переориентацией зерен по направлению движения по- верхности. Глубинное вырывание – явление катастрофическое. Оно приводит к повышению скорости изнашивания в десятки тысяч раз, увеличивает силу трения, вызывает заклинивание и поломку.
Рис. 4.9. Поверхность стального валика с наволакиванием
толстого слоя бронзы
Рис. 4.10. Вырывание материала на поверхности стального
золотника топливного насоса
Основным направлением борьбы со схватыванием является ло- кализация пластической деформации при трении в тонких погранич- ных слоях. Это достигается применением смазочных материалов с антизадирными присадками. Снизить вероятность схватывания по- верхностей трения возможно следующими способами: подбирают ма- териалы с пониженной способностью к схватыванию (антифрикци- онные сплавы: баббиты, бронзы); вводят легирующие элементы, по- вышая твердость материалов; ограничивают контактные напряжения

94 и скорость относительного перемещения; проводят химико- термическую обработку; на поверхности деталей наносят пленки мягких материалов (свинец, олово); вводят в сплавы мягкие состав- ляющие или материалы со слоистой структурой (графит, дисульфид молибдена); применяют антифрикционные полимерные покрытия; в пористую металлическую основу вводят жидкие или пластичные сма- зочные 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 га- зы, кислотные примеси смазочных материалов, почва и др. Коррози-
онно-механическое изнашивание возникает в результате механическо- го воздействия на трущиеся поверхности.
Этот вид изнашивания вызывается главным образом химической реакцией материала поверхности трения с кислородом или окисляю- щей окружающей средой. Коррозия металла в той или иной среде может происходить независимо от того, имеется трение или нет. Со- вместное действие коррозии, нагружения и механического изнашива- ния усиливает интенсивность разрушения поверхностей деталей. Сам процесс коррозионно-механического изнашивания главным образом обусловлен электрохимическим коррозионным процессом. Электро- химические процессы существенно ускоряются при деформировании поверхностного слоя. В условиях трения коррозионные процессы ус- коряются в тысячи раз.
Коррозионные процессы отличаются широким распространени- ем и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. По- этому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречаю- щихся случаев коррозии. Рассмотрим классификацию в зависимости от различных факторов.
По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разру- шения, коррозия может быть следующих видов: газовая коррозия; атмосферная коррозия; коррозия в неэлектролитах; коррозия в элек- тролитах; подземная коррозия; биокоррозия; коррозия блуждающим током.

95
По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды: контактная коррозия; щелевая коррозия; коррозия при неполном погружении; коррозия при полном погружении; корро- зия при переменном погружении; коррозия при трении; межкристал- литная коррозия; коррозия под напряжением.
По характеру разрушения: сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность (равномерная; неравномерная; избирательная); ло- кальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки (пят- нами, язвенная, точечная (или питтинг), сквозная, межкристаллитная).
Основной является классификация по механизму протекания процесса. Различают химическую и 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 азо- та в очень малых количествах и др. При взаимодействии с водяными парами эти продукты образуют кислоты – угольную, сернистую, сер- ную, азотистую, азотную и др., которые в основном удаляются из ци- линдра с отработавшими газами. При пониженной температуре сте- нок цилиндра кислоты легко конденсируются, повышая интенсив- ность 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 антифрик- ционные сплавы в какой-то мере корродируют под воздействием ор- ганических 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 про- исходит следующим образом: вначале на гладкой блестящей поверх- ности появляются матовые шероховатые на ощупь пятна, представ-

96 ляющие собой скопления тончайших каналов, уходящих в глубь за- ливки на всю ее толщину; образуются раковины в местах пятен; по- являются трещины между раковинами и происходит выкрашивание заливки по линии трещин (рис. 4.11).
Корозионно-механическому изнашиванию особого вида под- вержены рабочие органы машин по переработке сырья, содержащего жирные кислоты. К таким машинам относятся, например, шнекпрес- сы для производства растительного масла, машины для резания, дробления, размалывания и перемешивания сырья на мясокомбина- тах. Проблема защиты от коррозии свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов была решена при использовании антикоррозион- ных присадок к маслу.
Рис. 4.11. Сечение поврежденной коррозией поверхности подшипника
из свинцовистой бронзы
Эти присадки представляют собой органические вещества, со- держащие фосфор. Пассивация поверхности подшипника происходит в результате образования на ней защитной пленки, ближайшие к ме- таллу 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, химиче- ской и других отраслей промышленности насосы перекачивают как кислую, так и щелочную воду. Для защиты от коррозии валы центро- бежных водяных насосов облицовывают рубашками (защитными

97 втулками) из бронзы, стали или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой.
4.6.7. Изнашивание при фреттинг-коррозии
Фреттинг-коррозия – это коррозионно-механическое разру- шение в местах проскальзывания поверхностей, плотно прижатых друг к другу при колебаниях с малой амплитудой, вращениях, вибра- циях. Для возбуждения фреттинг-коррозии достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025
мкм. Она возникает вследствие не- прерывного разрушения защитной оксидной пленки в точках под- вижного контакта. Этому виду изнашивания подвержены не только углеродистые, но и коррозионностойкие 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 мно- гие другие пары трения.
Разрушение заключается в образовании на соприкасающихся поверхностях мелких язв и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Примерами такого вида изнашивания являются: посадки с запрессовкой колец подшипников качения; поршневые пальцы, втул- ки горячей посадки; сопряженные поверхности вала со ступицами лопаток турбин, компрессоров; колесные бандажи; болтовые, клино- вые и штифтовые соединения. Фреттинг-коррозии подвержены ме- таллические канаты и канатные шкивы, контактные поверхности подшипников качения, рессор, пружин, клапанов и толкателей, ку- лачковых механизмов и т.п. Наиболее опасное последствие фреттинг- коррозии – это растрескивание деталей из-за снижения коррозионно- усталостной прочности.
Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающихся поверхностей повреждения сосредотачиваются на небольших пло- щадках действительного контакта. Продукты изнашивания не могут выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.
Механизм изнашивания при фреттинг-коррозии упрощенно пока- зан на рисунке 4.12. Первоначально контактирование деталей проис- ходит в отдельных точках поверхности (см. рис. 4.12, а). При вибра- ции окисные пленки в зоне фактического контакта разрушаются, обра- зуются небольшие каверны, заполненные окисными пленками (см. рис. 4.12, б), которые постепенно увеличиваются в размерах и слива- ются в одну большую каверну (см. рис. 4.12, в). В ней повышается

98 давление окисленных частиц металла, образуются трещины. Некото- рые трещины сливаются, происходит откалывание отдельных объемов металла. Частицы окислов производят абразивное воздействие. В ре- зультате действия повышенного давления и сил трения повышается температура, происходит образование белых твердых нетравящихся структур в отколовшихся частицах и на поверхности каверн.
1 2 3
4 5 6 7
8
а)
б)
в)
Рис. 4.12. 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
Фреттинг-коррозия обусловлена изменением физико- химических свойств сопряженных поверхностей вследствие пласти- ческого деформирования или относительного перемещения, разру- шения защитных оксидных пленок, адсорбционного взаимодействия материала со средой. Коррозионные процессы могут иметь химиче- скую или электрохимическую природу. Скорость фреттинг-коррозии определяется природой материалов поверхностей трения, коррозион- ной активностью среды, амплитудой проскальзывания, контактным давлением, числом и частотой циклов относительного смещений кон- тактирующих деталей, степенью прилегания сопряженных поверхно- стей, температурой в зоне контакта.
В развитии фреттинг-коррозии выделяют три стадии:
- упрочнение контактирующих поверхностей за счет пластиче- ских деформаций в зоне контакта;
- развитие окислительных процессов;
- развитие глубинного вырывания материала с резким возраста- нием скорости изнашивания.
Интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии возрастает с увеличением нагрузки, амплитуды и частоты колебаний, с ростом относительного проскальзывания, температуры.
а б в

99
Для снижения вероятности возникновения фреттинг-коррозии следует: уменьшить микросмещения, уменьшить силы трения; сосре- доточить скольжение в промежуточной зоне; повысить твердость од- ной из деталей, использовать оптимальные конструктивные решения; подбирать материалы контактных пар; снизить агрессивность среды
(использовать смазочные материалы, ингибиторы коррозии); созда- вать сжимающих напряжений в поверхностных слоях деталей путем пластического деформирования или химико-термической обработ- кой; наносить защитные металлические покрытия.

100
Окислительное изнашивание возникает при трении скольжения и трении качения. При трении скольжения оно становится ведущим, а при трении качения сопутствующим другим видам изнашивания. Про- является этот вид изнашивания при сравнительно невысоких скоростях скольжения и небольших удельных нагрузках, а также на таких дета- лях, как шейки коленчатых валов цилиндры, поршневые пальцы и др.
Интенсивность изнашивания можно уменьшить, сменив смазоч- ный материал, понизив рабочую температуру узла трения.
4.6.9. Водородное изнашивание
Открытие эффекта водородного изнашивания принадлежит
Д.Н. Гаркунову и А.Л. Полякову. Появление водорода в поверхност- ных слоях обусловлено интенсивным его выделением из смазочных материалов, топлива, окружающей газовой среды и неметаллических пар трения в результате трибохимических реакций.
Присутствие водорода в поверхностных слоях может быть также результатом процессов литья и химико-термической обработки ме- таллов. Адсорбция водорода, его диффузия в поверхностные слои и концентрация на некоторой глубине от поверхности в области мак- симальных температур обеспечивается спецификой температурного режима трения.
Водородное изнашивание можно описать следующими процес- сами, происходящими в зоне трения.
1. Интенсивное выделение водорода в зоне трения из водородо- содержащих материалов (смазочные материалы, топливо, неметалли- ческие материалы). Причина, спровоцировавшая этот процесс, – три- бохимические реакции в зоне силового контакта.
2. Повышение температуры способствует десорбции смазочно- го материала с поверхности металлической детали.
3. В результате трения происходит адсорбция водорода поверх- ностью металлической детали.
4. Диффузия водорода в поверхностные слои металлических элементов трущейся пары. Скорость диффузии определяется гради- ентами температуры и напряжений.
5. Концентрация водорода на некоторой глубине от поверхно- сти трения в зоне максимальной температуры. Причинами этого про- цесса является градиент температуры под поверхностью.
6. В результате насыщения водородом образуется большое чис- ло трещин в зоне контакта, происходит низкотемпературное разру- шение поверхностного слоя металлических элементов.