Розділ 3 зношування деталей та їхніх спряжень

3.1. Зношування поверхонь при механічній взаємодії

Зношування в машинах, згідно з ГОСТ 27647-88, поділяється на механічне, корозійно-механічне і зношення при дії електричного струму.

Механічне зношування — це зношення в результаті механічних впливів.

Механічне зношення, в свою чергу, можна розділити на: абразивне, гідробразивне (газобразивне), гідроерозійне (газо-ерозійне), кавітаційне, втомлюване та зношування при фретінгу.

Абразивне зношування це механічне зношення матеріалу в результаті ріжучої або дряпаючої дії твердих тіл або частинок.

Деталі будівельно-дорожніх машин, як показують результати аналізу, в найбільшій мірі схильні до абразивного зношення. Абразивні частинки можуть бути мінерального походження, металевими частинками, продуктами окислення олив або поверхонь металів, що труться.

Основним джерелом попадання абразивних частинок в спряження машин є зовнішнє середовище. В 1 м³ повітря міститься від 0,04 до 5 г пилу, який на 60...80% складається з вивішених частинок мінералів.

Більшість частинок мають розміри від 5 до 120 мкм, тобто сумірні з зазорами в сполученнях. Основні складові пилу: двооксид сіліцію SiO₂, оксид заліза Бе₂0₃, сполуки А1, Са, М, № та інших елементів. Всі ці елементи, як правило, мають високу твердість. Так, твердість SiO₂досягає 1078...1170, Н_RAоксиду алюмінію — 1800...2290, що перевищує твердість робочих поверхонь більшості деталей будь-яких машин.

Встановлено, якщо твердість абразивних частинок сумірна з твердістю основного матеріалу робочої поверхні деталі, то вони сприяють руйнуванню оксидної плівки. При цьому (під дією вологи та кисню повітря) активізуються корозійні і адгезійні процеси.

Якщо твердість абразивної частинки перевищує твердість основного металу деталі (в 1,5...2,0 рази), то спостерігається пластичне відтиснення, а якщо частинка абразива занурюється в поверхню деталі гострою гранню, то пластичне відтиснення переходить в мікрорізання.

Швидкість абразивного зношування в залежності від наявності абразивних частинок та інших факторів знаходиться в широких межах від 0,550 мкм/год у разі роботи деталей з мастильним матеріалом (від 0,13 до 1,27 мм/год при роботі без мастильного матеріалу, наприклад, зуб’я ковша екскаватора).

Для зниження абразивної складової зношування твердість робочої поверхні деталі повинна бути в 1,3 рази вище твердості абразива. Подальше підвищення поверхнею твердості деталей недоцільне, оскільки з підвищенням твердості поверхня стає крихкою і під дією динамічних навантажень розтріскується.

Ефективними методами захисту деталей автомобілів від абразивного зношування є герметизація сполучень, забезпечення чистоти мастильних матеріалів, гідравлічної рідини і палива.

Різновидом абразивного зношування є гідроабразивне (газоабразивне) зношування — зношування, яке виникає внаслідок дії твердих тіл або частинок, що знаходяться у рідині (газі).

Іншим найбільш розповсюдженим видом механічного зношування є ерозійне зношування (від лат. erosio— роз’їдання).

Ерозійне зношування, яке виникає внаслідок впливу потоку рідини (газу), має гідроерозійне (газоерозійне) зношування.

Ерозія металів — це комплексний, фізичний і фізико-хімічний процес, що відбувається в наслідок впливу оточуючого середовища окислення, наклепування, температурних і залишкових напружень, крихкого та втомлюваного руйнування. Пошкодження від ерозії в перший період розвиваються, як правило, з малою інтенсивністю, а потім з підвищенням крихкості поверхневого шару утворюються мікротріщини і процес руйнування прискорюється. При цьому на поверхні виникають локальні плями, вибоїни, кратери тощо. Прикладом ерозійного зношування машин є зношування розподільників паливної і гідравлічної апаратури.

Різновидом гідроерозійного зношування є кавітаційне.

Кавітаційне зношування — це механічне зношування при русі твердого тіла відносно рідини, за якого пухирці газу захлопуються поблизу поверхні. Це створює місцевий високий ударний тиск або високу температуру. Кавітація (від лат. cavitas — порожнина) це порушення суцільності всередині рідини, тобто утворення в рідині порожнин, що заповнені газом, парою (так званих кавітаційних пухирців). Кавітація виникає в результаті місцевого зменшення тиску нижче критичного значення (для реальної рідини воно приблизно дорівнює тиску насиченої пари цієї рідини за даної температури.

Зношування при кавітації характерне для гідравлічних машин, коли в потоці рідини створюються пухирці пари і газу, І при переході в область більш високих тисків виникає конденсація пари і створюються умови для місцевого гідравлічного удару. При цьому впливи на поверхню можуть бути настільки значними, що утворюються глибокі каверни, які можуть зливатись і утворювати кратер або навіть наскрізний отвір.

Втомлюване зношування — це механічне зношування в результаті втомлюваного руйнування при повторному деформуванні мікрооб’ємів матеріалу поверхневого шару. Явище втомлюваного зношування може відбуватися при терті кочення і терті ковзання. У цьому разі деформації мікрооб’ємів можуть відбуватися як за рахунок механічних впливів, так і молекулярних (адгезійних явищ).

Втомлюване зношування є найбільш вивченим видом зношування. Однак механізм втомлюваного зношування пояснюється по-різному.

Найбільше поширення отримала теорія втомлюваного зношування, розроблена групою російських вчених під керівництвом І.В. Крагельського. За нею частинки зношування з поверхні тертя можуть відокремлюватися і без занурення шорсткостей однієї деталі спряження в поверхневі шари іншої деталі.

Основою цього виду зношування є утворення фрикційних зв’язків по фактичній площині контакту при прикладенні нормального навантаження. У разі відносного ковзання поверхонь відбувається руйнування старих і утворення нових фрикційних зв’язків. Зношування при цьому відбувається внаслідок адгезії (втомленості мікрооб’ємів матеріалу, яке виникає під дією багатократних втискаючих і розтягуючих зусиль, що не перевищують критичні Р_кр ). В результаті циклічної дії навантаження на поверхні деталі виникають втомлювані мікротріщини, які, поступово змикаючись, призводять до утворення частинок зношування. Це явище отримало назву фрикційно-контактної втомлюваності.

При механічній взаємодії деталей в поверхневих шарах матеріалу виникає складний напружений стан. Характер його такий: перед виступом, що рухається, виникає зона стиску, а позаду нього — зона розтягу, тобто має місце знакозмінний цикл. Найбільш небезпечними є розтягуючі напруження позаду виступу, але вони не настільки великі, щоб призвести до руйнування матеріалів у результаті одного акту впливу. Однак, накопичення втомлюваних мікроушкоджень спричиняє руйнування поверхневих шарів матеріалу в зоні тертя. Спочатку на поверхнях, що труться, утворюються втомлювані мікротріщини. Мастильний матеріал, потрапляючи в ці тріщини, сприяє їх розклинюванню і викришуванню частинок металу, в результаті чого на поверхні деталі утворюються дрібні віспинки (пітгінг). Число цих віспин і водночас їх розміри збільшуються, що призводить до пластичної деформації і зношування деталей.

На думку автора це зношування має різновид - зношування при граничному мастилі.

Втомлюване зношування найбільш часто спостерігається в умовах високих контактних навантажень при одночасному коченні і проковзуванні однієї поверхні по іншій. В таких умовах працюють, наприклад, важко навантажені шестерні.

Однак при інтенсивному абразивному зношуванні робочих поверхонь цих деталей, руйнування їх відбувається швидше ніж утворення втомлюваних тріщин, і пітгінг в цьому випадку не спостерігається.

Механічне зношування стичних тіл, які дотикаються при малих відносних переміщеннях, отримали назву зношування за фреттінгом.

Цей вид зношування спостерігається при терті ковзання з дуже малими зворотньо-поступальними переміщеннями і динамічному (вібраційному) прикладенню навантажень. До зношування при фреттінгу схильні різні матеріали деталей в самих різноманітних вузлах і спряженнях машин, інколи навіть в непрацюючих.

Зношування за фреттінгом характеризується пластичною деформацією мікровиступів, схоплюванням деяких ділянок металу, а також виникненням і руйнуванням оксидних плівок.