4.7. Изнашивание при фреттинг-коррозии

Общие сведения. Фреттинг-коррозия — это процесс разрушения плотно контактирующих поверхностей пар ме­талл— металл или металл — неметалл при их колебательных перемещениях. Для возбуждения фреттинг-коррозии достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разруше­ние заключается в образовании на соприкасающихся поверхно­стях мелких язв и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Этому виду изнашивания подвержены не только уг­леродистые, но и коррозионно-стойкие 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 многие другие пары трения.

Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающих­ся поверхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты изнашивания не могут выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.

При фреттинг-коррозии относительная скорость движения соприкасающихся поверхностей небольшая. Так, в случае гармо­нических колебаний с амплитудой 0,025 мм и частотой 50 с^-1 максимальная скорость 7,5 мм/с, а средняя — 2,5 мм/с

Если амплитуда колебательного движения большая (около 2,5 мм), то площадь поражения фреттинг-коррозией увеличивается, и изнашивание происходит как при однонаправлен­ном скольжении. Можно считать по­этому, что амплитуда перемещения по­верхностей около 2,5 мм является верхним пределом амплитуды для воз­буждения фреттинг-коррозии. Все ска­занное относится к несмазанным по­верхностям.

Фреттинг-коррозия осуществляется также в вакууме, в среде кислорода, азота и гелия. Интенсивность изнаши­вания при фреттинг-коррозии в атмо­сфере воздуха выше, чем в вакууме и в среде азота, а в кислороде больше, чем в гелии. Таким образом, фрет­тинг-коррозия представляет собой вид

разрушения металлов и их сплавов в мало- и неагрессивных коррозионных средах при одновременном воздействии механи­ческих и химических факторов [9].

Язвы и продукты коррозии на сопряженных поверхностях валов и напрессованных на них дисков, колес, муфт и колец под­шипников качения, на осях и ступицах колес подвижного соста­ва железных дорог, на запрессованных в картерах вкладышах подшипников, на пригнанных поверхностях шпонок и их пазов, на центрирующих поверхностях шлицевых соединений, на опо­рах силоизмерительных устройств, на опорных поверхностях пружин, на затянутых стыках, в заклепочных соединениях меж­ду листами, на заклепках и в отверстиях, на болтах и т. п. — ре­зультат проявления фреттинг-коррозии. Этот вид коррозии на­блюдается в проволочных канатах, электровыключателях, ру­бильниках и штепсельных разъемах (рис. 4.15).

Продукты фреттинг-коррозии накапливаются в виде порош­ков, содержащих металлические частицы. Они образуются в ре­зультате трения алюминиевого контейнера при его перевозке о металлические части транспортного средства и являются взрыво­опасными. В случае удаления порошков из зоны трения проис­ходит ослабление посадок с натягом.

Необходимые для протекания этого процесса относительные микросмещения сопряженных поверхностей совершаются вслед­ствие деформации деталей под нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происходящих в упругих системах.

Повреждения поверхностей вследствие фреттинг-коррозии служат коцентраторами напряжений и снижают предел усталости. Иногда усталостные трещины из-за фреттинг-коррозии появляются на валах под напрессованными деталями в местах, расположенных вдали от расчетных опасных сечений [55].

Контактирующие поверхности повреждаются вследствие фреттинг-коррозии и в то время, когда машина не работает из-за вибрации, возбуждаемой работающими механизмами. По­добное явление возможно и при перевозке машин.

Механизм фреттинг-коррозии. Рассмотрим один из случаев повреждения фланца корпуса агрегата. При ремонте двигателя было обнаружено значительное развитие процесса фреттинг-кор­розии на фланце агрегата двигателя — вспучивание материала (рис. 4.16). Повреждения по плоскости фланца располагались вблизи шпилек и характеризовались большой пластической де­формацией. Материал фланца в местах повреждения находил­ся как бы в расплавленном состоянии и был покрыт темной окис-ной пленкой.

При фреттинг-коррозии протекают следующие процессы. Под действием сил трения кристаллическая решетка поверхностных слоев при циклических тангенциальных смещениях расшатыва­ется и разрушается. Процесс разрушения представляет собой дис­пергирование поверхности без удаления продуктов изнашива­ния. Оторвавшиеся частицы металла подвергаются быстрому окислению. Дополнительным источником повреждения поверх­ностей может явиться возникающее местами схватывание сопря­женных металлов.

Упрощенная схема процесса фреттинг-коррозии в начальной фазе такова: перемещение и деформация поверхностей под дей­ствием переменных касательных напряжений — коррозия —раз­рушение окисных и других пленок — обнажение чистого метал­ла и местами схватывание — разрушение очагов схватывания и адсорбция кислорода на обнаженных участках.

Образование окисных пленок на металлической поверхности или продуктов изнашивания в виде окислов изменяет характер протекания процесса, который начинает определяться не только физико-химическими свойствами материалов пары трения в ис­ходном состоянии, но и природой окислов и других образовав­шихся химических соединений. Окислению металла сопутствует увеличение объема. При наличии в сопряжении замкнутых кон­туров (например, в цилиндрических сопряжениях) это приводит к местному повышению давления, что способствует повышению интенсивности изнашивания и возникновению питтингов. Окислы оказывают абразивное действие, которое зависит от прочности сцепления окисных пленок с основным металлом, твердости окислов и размеров их частиц в продуктах изнашивания. Твер­дость окислов металлов, как правило, больше твердости чистых металлов

Механизм изнашивания при фреттинг-коррозии в упрощен­ном виде показан на рис. 4.17. Первоначальное контактирова­ние деталей происходит в отдельных точках поверхности. При вибрации окисные пленки в зоне фактического контакта разру­шаются, образуются небольшие каверны, заполненные окисными пленками, которые постепенно увеличиваются в размерах и сливаются в одну большую каверну. 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 нетравящихся структур в отко­ловшихся частицах и на поверхности каверн.

Твердость АЬОз превосходит твердость азотированной стали. Это объясняет странный на первый взгляд факт разрушения при фреттинг-коррозии сверхтвердых сплавов и сильного разрушения закаленной хромистой стали при трении о них алюминия. На­против, хромистая сталь при трении о цинк и медь, т. е. о ме­таллы с большей, чем у алюминия, твердостью, 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 дальнейший износ. Крупный размер частиц окислов способствует повышению интенсивности изна­шивания. Так, в паре алюминий — закаленная хромистая сталь, где сталь сильно изнашивается, размер частиц корунда 10 мкм.

Можно было бы полагать, что свободный графит в серых чу-гунах, контактирующих без смазочного материала, должен сни­зить скорость изнашивания при фреттинг-коррозии. Опыты это­го не подтверждают; по-видимому, графит не обеспечивает эф­фективного смазывания в этих условиях, а структуру ослабля­ет. Перлитные чугуны в контакте друг с другом менее подвер­жены повреждению, чем ферритно-перлитные. Большая твер­дость является благоприятным фактором. Фосфидная эвтектика упрочняет ферритно-перлитные чугуны.

При фреттинг-коррозии возможно образование и белых слоев в результате диффузии азота или углерода из продуктов раз­ложения масла. В результате схватывания и пластической де­формации могут образовываться 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 ускоряет изнашивание, но, начи­ная с некоторой частоты, снижается активность факторов, проте­кающих во времени (окислительные процессы, наклеп 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 упругости 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 выносливости валов и осей.

Силы трения можно увеличить, повысив давление путем уменьшения площади контакта деталей или повысив коэффи­циент трения за счет увеличения шероховатости поверхностей. Повышение давления может быть действенным, если проскаль­зывание поверхностей значительно снизится и будет скорее суб­микроскопического, нежели микроскопического характера; в про­тивном случае результаты будут прямо противоположны ожи­даемым. Шероховатость поверхностей может длительно влиять на коэффициент трения, если один из элементов пары не являет­ся металлом. Другой 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 сопрягаемых дета­лей. Например, можно исключить фреттинг-коррозию между 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 микросмещениях эти покрытия сами подвергаются фреттинг-коррозии и быстро изнашиваются.

Если исключить вибрацию невозможно, то ослабить повреж­дение поверхностей 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 коэффициент 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 M.0S2. Фосфатированная 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 процесса смещений во внутрь покрытия. Все покрытия срабатываются, большая или меньшая их эффек­тивность определяется сроком службы.

Хорошую сопротивляемость фреттинг-коррозии оказывают пары сталь — политетрафторэтилен или полиамиды. Действен­ным средством могут стать резиновые прокладки.

Наконец, уменьшить повреждение от фреттинг-коррозии мож­но, повышая твердость одной детали. При увеличении твердо­сти стали уменьшается взаимное внедрение деталей, что снижает интенсивность изнашивания; кроме того, продукты изнашивания в этом случае меньше по размерам и их абразивное действие слабее. Закалка и азотирование полезны; хромирование не пре­дотвращает и, вероятно, не уменьшает повреждения из-за высо­кой твердости окисла хрома.