Файл: Износа и смазки.pdf

101 7. Перенасыщение металлических поверхностей водородом приводит к высокотемпературному вязкому разрушению металла.
Поверхностный слой, насыщенный водородом, разрушается в результате образования большого числа трещин по всей зоне дефор- мирования. Водородное изнашивание наблюдают в насосах, перека- чивающих продукты нефтеперегонки, при трении полимерсодержа- щих тормозных колодок и в других узлах.
Водородное изнашивание проявляется в большей или меньшей степени во всех видах изнашивания. Действие водорода может выра- жаться в незначительном увеличении скорости изнашивания, а также в самостоятельном полном разрушении поверхностей трения. Водород- ное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей. Большое влияние на интенсивность водород- ного изнашивание оказывает влажность воздуха. Это можно объяснить образованием в зоне контакта водорода в результате разложения воды.
Как отмечалось выше, водородный износ может быть вызван не только тем водородом, который образуется при трении, но и водоро- дом, который может образовываться при различных технологических процессах. В.Я. Матюшенко и М.А. Андрейчик определили влияние различных технологических операций на новодораживание стальной поверхности (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Содержание водорода в поверхности при различных
технологических процессах
Технологическая операция
Содержание водорода в см
3 на 100 г
Токарная обработка без СОЖ
0,4
Токарная обработка с СОЖ
5,6
Закалка
12,6
Отпуск
6,8
Цементация
15,4
Технологически приобретенный водород снижает нагрузку ста- ли до заедания и уменьшает ее износостойкость.
В 1926 г. Пфлейль установил влияние водорода на охрупчивание стали, но основные выводы по влиянию водорода на объемную проч- ность стали были сделаны П. Котерилом. Они сводятся к следующему:

102
- водород не оказывает существенного влияния на упругие ха- рактеристики железа и стали;
- содержание водорода до 0,1 см
3
/100г не оказывает влияние на твердость стали;
- разрушающее напряжение снижается пропорционально росту концентрации водорода;
- пластичность стали снижается пропорционально повышению концентрации водорода;
- степень охрупчивание стали уменьшается с повышением ско- рости деформации;
- охрупчивание стали проявляется в интервале температур от минус 100 до плюс 100 о
С;
- охрупчивание проявляется только при наличии растягивающих напряжений;
- присутствие водорода меняет характер разрушения стали;
- интенсивность охрупчивания зависит от вида обработки;
- водород вызывает преждевременное хрупкое разрушение вы- сокопрочных легированных сталей при статическом нагружении;
- свойства металла в ненапряженном состоянии не зависят от водорода;
- при неравномерном распределении водорода по образцу облас- ти, богатые водородом, будут обладать наименьшей пластичностью при испытании на растяжение.
Б.А. Калачев делит водородное охрупчивание на две группы
(табл. 4.4).
Таблица 4.4
Виды водородного охрупчивания
Вид охрупчивания
Причины, вызывающие охрупчивание
Факторы, влияющие на охрупчивание
Охрупчивание первого рода
(обратимо)
Обусловлено источниками в исходном металле вследствие повышенного содержания водорода
Усиливается с повышением скорости деформации
Охрупчивание второго рода
(обратимо и необратимо)
Обусловлено источниками, образуемыми в металле с повышенным содержанием водорода в процессе пластической деформации
Развивается при малых скоростях деформации

103
А.А. Поляковым и Д.Н. Гаркуновым было установлено, что имеются два основных вида изнашивания стальных и чугунных дета- лей под действие водорода: изнашивание диспергированием и изна- шивание разрушением.
При водородном изнашивании диспергированием (ВИДИС) ка- ких-либо изменений в поверхностном слое деталей вследствие обычно- го износа при диспергировании не наблюдается. Водород усиливает (в зависимости от его количества в поверхностном слое) диспергирование стали или чугуна. На поверхностях трения нет вырывов, задиров, за- метного переноса материала с одной поверхности трения на другую.
Они могут иметь блеск и очень мелкие царапины, которые не видны невооруженным глазом и расположены в направлении движения.
Водородное изнашивание разрушением (ВИРАЗ) имеет специ- фическую особенность, поверхностный слой стальной или чугунной детали разрушается мгновенно на глубину до 1…2 мкм. Это происхо- дит, когда поверхностный слой накапливает большое количество во- дорода. Трение десорбирует смазочный материал, и водород получает возможность занять большее число адсорбционных центров на по- верхности. Концентрация водорода в стали непрерывно возрастает.
Водород попадает в микротрещины, поры, межкристаллитные грани- цы и др. Периодически происходит деформирование поверхностного слоя, и объем дефектных мест (полостей) изменяется. Поступающий в полости водород молизуется и, не имея возможности выйти обратно при уменьшении объема, стремится расширить полость, создавая вы- сокое напряжение. Повторение цикла вызывает эффект накопления, продолжающийся до тех пор, пока внутреннее давление в полостях не вызовет разрушения стали по всем развившимся и соединившимся трещинам.
При выборе материалов для узлов трения необходимо учитывать степень их наводороживания и охрупчивания. Так, уменьшение водо- родного изнашивания возможно легированием стали хромом, ванади- ем, титаном; применением смазочных материалов и введением в них ингибиторов; наполнением пластмассовой матрицы металлической стружкой; наведением электростатического поля.
Скорость изнашивания может быть существенно понижена при формировании в процессе трения на поверхности детали пленок ме- ди. Образование таких сервовитных пленок связывают с избиратель- ным растворением и осаждением отдельных элементов сплавов, со-

104 держащих медь. Это явление имеет электрохимическую природу и получило название «избирательного переноса».
4.6.10. Изнашивание при избирательном переносе
В течение длительного времени главным направлением борьбы с изнашиванием и уменьшением силы трения было повышение твер- дости поверхности трения деталей машин. В этом случае уменьша- ется взаимное внедрение одной поверхности в другую, уменьшаются пластические деформации и окислительные процессы, а также дейс- твие абразива.
Однако с увеличением нагрузок в узлах трения, ухудшающих в некоторых случаях условия смазывания деталей с применением в машинах специальных смазочных жидкостей, традиционные методы повышения износостойкости деталей путем увеличения их твердости перестали себя оправдывать, так как фактическая площадь контакта с увеличением твердости материала уменьшается. В результате неиз- бежных перекосов деталей при эксплуатации увеличивается возмож- ность их заедания или роста интенсивности изнашивания.
В 1956 г. при исследовании технического состояния узлов трения самолета ИЛ на разных этапах его эксплуатации было обнаружено яв- ление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на поверх- ностях деталей в парах трения сталь-бронза. Поверхности смазывались спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1…2 мкм в про- цессе трения покрывала как бронзу, так и сталь (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Пленка меди на стальной поверхности

105
Она способствовала резкому снижению интенсивности изнаши- вания пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз.
Почти в то же время подобное явление было обнаружено в парах трения сталь-бронза при использовании смазочного материала
ЦИАТИМ-201 (в шарнирно-болтовых соединениях самолетов), а также в паре сталь-сталь в узлах трения компрессора домашнего хо- лодильника при смазывании масло-фреоновои смесью.
Образование тонких пленок меди связывают с избирательным растворением и осаждением отдельных элементов сплавов, содержа- щих в своем составе медь. Свойство таких пленок отличается от свойств медных пленок, получаемых гальваническим или другим способом. Роль пленки сводится к формированию третьего тела на поверхности контакта, в котором происходит разрыв фрикционных связей. Это явление имеет электрохимическую природу и получило название избирательного переноса. Открыли явление избирательного переноса Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский.
Рассмотрим проявление явления избирательного переноса в уз- лах трения на примере компрессора бытового холодильника. Медная пленка образуется в паре сталь-сталь в результате растворения мед- ных трубок охладителя холодильника. Толщина медной пленки со- ставляла 1…2 мкм. Пленка формируется из ионов меди, которые об- разуются в смазочном материале (смесь 50 % масла и 50 % фреона) в результате незначительного коррозионного процесса медных трубок охладителя. Ионы меди, поступая в масло-фреоновую смесь, переме- щались в зону контакта, ионы поступают вместе с охлаждающей сме- сью, исполняющей также роль смазочного материала. После того, как пленка образовалась, происходит снижение давления в зоне контакта, уменьшаются сила трения и температура. Компрессоры холодильни- ка могут работать без ремонта десятки лет.
Можно отметить следующую цепочку взаимообусловленных явлений, происходящих в смазочной системе компрессора и на по- верхностях трения деталей.
В начальный период в паре трения сталь-сталь смазочный мате- риал окисляется, образующиеся кислоты растворяют поверхностные слои медных трубок и доставляют в смазочную систему ионы меди.
Ионы меди, циркулируя в смазочной системе, осаждаются на поверх- ности деталей только в зоне трения, в результате образуется тонкая пленка меди, покрывающая поверхности трения.

106
Установившийся режим. После того как поверхности трения по- кроются пленкой меди, пара трения сталь-сталь заменяется парой медь-медь. Это приводит к снижению интенсивности окисления мас- ло-фреоновой смеси, прекращается растворение трубок. При наруше- нии сплошности медной пленки режим работы сопряжения становит- ся более тяжелым, это вызывает усиление окислительных процессов в смазочном материале и, как следствие, растворение меди трубок и
«залечивание» поврежденной поверхности.
В установившемся режиме трения медная пленка не разрушается.
Она может переходить с одной поверхности трения на другую. Про- дукты изнашивания удерживаются в зазоре электрическими силами.
Избирательный перенос – явление, противоположное изнашива- нию. Процессы при избирательном переносе необратимы и самоор- ганизованы. Сила трения, сопротивление сдвигу и интенсивность из- нашивания снижаются.
Металлическую защитную пленку, образующуюся в процессе трения, называют сервовитной (от лат. servo-witte – спасать жизнь).
Она представляет собой вещество (в данном случае металл), образо- ванное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. Образование защитной пленки относится к новому классу самоорганизующихся явлений не- живой природы.
При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению. Она воспринимает все на- грузки, покрывая шероховатости поверхностей трения стальных де- талей, которые практически не участвуют в процессе трения. В этих условиях мягкий материал работает по мягкому материалу. Распреде- ление нагрузки по поверхности трения происходит равномерно, по- этому на единицу площади она незначительна. Это способствует про- длению ресурса узла, трения.
Механизм формирования сервовитной пленки может изменяться в зависимости от вида смазочного материала, условий работы узла трения и конструкционных материалов, из которых изготовлены кон- тактирующие детали.
Исследование механизма избирательного переноса, его законо- мерностей и областей рационального применения привело к некото- рому изменению установившихся ранее взглядов на ряд вопросов триботехники: структуру и свойства тонких поверхностных слоев трущихся деталей машин; механизм изнашивания и смазочного дей-

107 ствия; пути создания смазочных материалов и присадок к ним; опти- мальную структуру и свойства износостойких и антифрикционных материалов и приработочных покрытий и т.д.
Явление избирательного переноса апробировано, используется в различных областях: самолетах, автомобилях, станках, паровых ма- шинах, дизелях тепловозов, прессовом оборудовании, редукторах, оборудовании химической промышленности, механизмах морских судов, магистральных нефтепроводах, электробурах, холодильниках, гидронасосах, нефтепромысловом оборудовании. Избирательный пе- ренос применяется также в приборах и может быть использован для повышения стойкости режущего инструмента при сверлении, фрезе- ровании, протягивании, дорновании и нарезании резьбы.
Избирательный перенос позволяет: снизить металлозатраты
(на 15…20 %) за счет большей грузоподъемности (в 1,5…2 раза) пар трения; увеличить срок работы узла трения (в 2 раза); сократить пе- риод приработки двигателей (в 3 раза) и редукторов (до 10 раз); со- кратить расход электроэнергии; в подшипниках качения и скольже- ния уменьшить расход смазочных материалов (до 2 раз); повысить
КПД глобоидных редукторов с 0,7 до 0,85; винтовой пары с 0,25 до 0,5; увеличить экономию драгоценных металлов (золота, платины, серебра) в приборах в 2…3 раза за счет большей надежности элек- трических контактов.
4.6.11. Эрозионное изнашивание
В широком понимании эрозия – это процесс поверхностного раз- рушения вещества под воздействием внешней среды. В машинострое- нии эрозия имеет более узкое понятие – разрушение поверхности ма- териалов вследствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под действием электрических зарядов также относится к эрозии. Эрозия подразделя- ется на газовую, кавитационную, абразивную и электрическую.
Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара складывается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расшатывание и вы- мывание отдельных объемов материала. В зависимости от свойств материала возможны взрывы отдельных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией в отношении приложенных сил. В пла- стичных материалах, обладающих способностью к наклепу, вначале

108 накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпается, эти участки разру- шаются, вымываются. Жидкость, внедряющаяся при ударах в образо- вавшиеся микротрещины, ведет себя подобно клину, раздвигая стен- ки трещины.
В начальный период развитие эрозии на гладкой поверхности идет крайне медленно, но после появления пораженных мест усили- вается. Это можно объяснить повышением хрупкости поврежденного поверхностного слоя в связи с накоплением микротрещин, расклини- вающим действием жидкости и усилением ударного действия из-за большого вихреобразования у поверхности.
Разрушению от эрозии часто подвергаются рабочие кромки зо- лотников гидравлических агрегатов. Струи топлива, проникая во время отсечки с большой скоростью в зазор между цилиндрическими поверхностями золотника и втулки, разрушают металл у рабочей кромки. Это случай щелевой эрозии, которой подвержены клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических и паровых сис- тем. Также эрозионному изнашиванию подвержены стальные и чу- гунные поршневые кольца авиационных двигателей, поверхности выпускных клапанов. На рабочих поверхностях образуются продол- говатые раковины (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Очаги эрозии на поверхности поршневого кольца
авиационного двигателя
На процесс эрозионного изнашивания оказывает влияние при- сутствие посторонних частиц в потоке. Например, лопатки турбин более интенсивно изнашиваются под действием пара, содержащего частицы соли. Если поток содержит абразивные частицы, то изнаши- вание становится эрозионно-абразивным. Скорость эрозионного из- нашивания зависит от свойств твердых частиц, их концентрации, скорости движения в потоке.
Часто эрозия протекает совместно с коррозией. Коррозионно-
эрозионное изнашивание представляет собой разновидность коррози-

109 онно-механического изнашивания. Роль коррозии и эрозии зависит от механического и химического взаимодействия. Этому виду изнаши- вания подвержены гребные винты, разрушение которых усилилось с переходом от паровых поршневых машин, к паровым турбинам с по- вышенной частотой вращения винтов.
Газовая коррозия и эрозия действуют совместно, например, в выпускных клапанах высоконапряженных деталей двигателей внут- реннего сгорания и на входных кромках лопаток компрессора газо- турбинных двигателей.
Кавитационно-эрозионное изнашивание можно наблюдать на поверхности плоского золотника плунжерного керосинового насоса высокого давления.
Подвидом эрозионного изнашивания является электроэрозион- ное изнашивание. Электроэрозионное изнашивание происходит в ре- зультате воздействия разрядов при прохождении электрического то- ка. Этот вид изнашивания наблюдается на контактах магнитных пус- кателей, коллекторах электрических машин и др.