3.2. Зношування поверхонь внаслідок хімічної та молекулярноївзаємодії

Зношування в результаті механічної взаємодії в сполученні з хімічною (або електричною) взаємодією матеріалу з середовищем має назву корозійно-механічне зношування. Різновидами корозійно-механічного зношування є окислювальне зношування, зношування при фреттінг-корозії, зношування при заїданні та електроерозійне зношування.

Окислювальне зношування — це зношування при наявності на поверхні тертя захисних (оксидних) плівок, які утворюються в результаті взаємодії матеріалу з киснем повітря.

Окислювальне зношування за існуючими джерелами поділяється на три види:

• вилучення з поверхні тертя мікроплівок твердих розчинів і евтектик (хімічних сполук металу з киснем);

• вилучення з поверхні тертя ультрамікроскопічних хімічних адсорбованих плівок;

• викришування суцільних твердих і крихких шарів хімічних сполук кисню і металу.

Особливості окислювального зношування поверхневого шару при терті кочення полягає в більших поверхневих деформаціях, що супроводжуються дифузією кисню і його взаємодією з металом. Пластично деформований і насичений киснем шар під впливом циклічних навантажень крихко руйнується, а згодом цей процес охоплює наступні шари металу. Отже, окислювальне зношування — це стаціонарний процес динамічної рівноваги руйнування і відновлення оксидних плівок. Цей вид руйнування поверхні спостерігається частіш за все при терті кочення. За відсутності мастильного матеріалу або при граничному мастилі і збільшенні температур інтенсивність окислювального зношування збільшується.

Швидкість окислювального зношування не велика і складає від 0,05 до 0,1 мкм/год.

Зношування внаслідок фреттінг-корозії — це корозійно-механічне зношення тіл, що дотикаються при малих коливальних переміщеннях.

Необхідною умовою виникнення фреттінг-корозії є взаємне проковзування спряжених поверхонь, яке може сприйнятись вібрацією, зворотньо-поступальним переміщенням, періодичним вигинанням або скручуванням спряжених деталей.

Зношування при фреттінг-корозії відрізняється від зношування при фреттінгу тим, що зношування при фреттінгу відбувається у відсутності окислюючого оточуючого середовища та без проявлення хімічної реакції матеріалів деталей і продуктів зношення з киснем. Враховуючи це, неважко провести аналогію в механізмах розвитку зношування при фреттінгу і фреттінг-корозії. Більш правильно, на думку проф. С.К.Полянського, обидва процеси розглядати спільно, як багатостадійний процес.

• На першому етапі внаслідок циклічного повторювання коливальних відносних переміщень контактуючих поверхонь під дією високих навантажень відбувається руйнування виступів і оксидних плівок. Йде процес зміцнення матеріалів і пластичного деформування виступів мікронерівностей. Руйнування внаслідок втомлюваності виступів породжує продукти зношування, частина з яких окислюється. Для цього етапу характерна підвищена швидкість зношування за рахунок механічної складової процесу руйнування. Перший етап отримав назву «зношування при фретгінгу».

• Друга стадія характеризується розвитком корозійно-втомлюваних процесів і формуванням корозійно-активного середовища внаслідок адсорбації на оксидних плівках вологи і кисню. Між поверхнями створюється електролітичне середовище, що інтенсифікує процес окислення металевих поверхонь, а також процесів корозійного руйнування. Для цього етапу характерна стабілізація процесу зношування, зменшення швидкості зношування у порівнянні зі швидкістю зношування на першому етапі.

• Третій етап характеризується підвищенням інтенсивності процесу і пов’язаний з руйнуванням поверхневих шарів, попередньо розпушених втомлюваними і корозійними процесами. В зоні контакту може утворитися підвищена кількість продуктів зношування, що супроводжується абразивним зношуванням. Процес має корозійно-втомлюваний характер руйнування.

Інтенсивність руйнування поверхонь при фреттінг-корозії залежить від амплітуди і частоти коливань, навантаження, властивостей матеріалів деталей і оточуючого середовища. Для виникнення фреттінг-корозії достатньо коливальних переміщень поверхонь з амплітудою ковзання 8·10^-3 мм. Іззбільшенням амплітуди ковзання зношування поверхонь зростає прямопропорціонально, а при більших амплітудах (відмінних для різних матеріалів) руйнування набуває характеру звичайного окислювального або втомлюваного зношування. З підвищенням частоти коливань поверхні тертя спадає швидкість зношування деталей, що працюють у повітряному середовищі фреттінг-корозії. Це пов’язано з тим, що при зменшенні періодичності навантаження збільшується втомлювана довговічність металів. При певному значенні частоти коливань зношування стабілізується.

Зі зростанням навантаження до певної величини зношування при фреттінг-корозії збільшується, а згодом зменшується за експоненціальною залежністю. Це можна пояснити тим, що зі збільшенням тиску до деякої величини частота коливань зменшується.

Зовнішнє середовище справляє серйозний вплив на інтенсивність зношування. В повітряному середовищі зношування більше, ніж в рідинних середовищах, тому для зменшення інтенсивності руйнування поверхонь при фреттінг-корозії рекомендується застосувати пластичні мастильні матеріали, розбавлені рідкими оливами або рідкі оливи, загущені до певної консистенції. Дія мастильного матеріалу неоднозначна. Якщо метал має достатньо велику міцність, зі зменшенням частоти обробки поверхні її зносостійкість в умовах фреттінг-корозії в присутності мастильного матеріалу підвищується. Це пояснюється тим, що мікронерівності поверхні утворюють природні резервуари, в яких накопичується олива, продукти зношення і оксиди. При цьому молекулярні взаємодії послаблюються. Однак, якщо метал має низьку твердість, то з підвищенням шорсткості поверхонь, що контактують, зношення зростає. В загальному випадку оптимум шорсткості залежить від співвідношення матеріалів деталей, наявності мастильного матеріалу, навантаження і режиму роботи.

Зношування при фреттінгу і фреттінг-корозії як правило відбувається на спряжених поверхнях валів, напресованих на них дисках коліс, муфтах і кільцях підшипників кочення, на осях і ступицях коліс, на опорних поверхнях пружин, на затягнутих стиках, припасованих поверхонь шпонок і пазів, на опорах двигунів і редукторів.

Для запобігання відносному переміщенню поверхонь і зменшення їх зношування при фреттінг-корозії збільшують натяг (у випадку пресових посадок), застосовують гуму для прокладок між поверхнями, що контактують, а в з’єднаннях вал-втулка — тефлон і гуму.

Широкі можливості дає підбір із корозійностійких матеріалів.

При високих температурах і відсутності мастильного матеріалу може відбуватися майже миттєве руйнування поверхонь за рахунок переносу з поверхні менш міцного матеріалу на поверхню більш твердого (з вкладишів, наприклад, на шийки колінвалу або з поверхні поршня на циліндр). Таке зношування має назву зношування при заїданні когезії.

Зношування при заїданні — зношування в результаті охоплення, глибинного виривання металу, переносу його з однієї поверхні тертя на іншу і впливу виникаючих нерівностей на спряженуповерхню.Зношування цього виду є одним з найнебезпечніших і руйнівних і відбувається в умовах тертя без мастильного матеріалу або за недостатністю його кількості і при великих навантаженнях та високих температурах.

Розрізняють заїдання в результаті охоплення І і II роду.

Процес охоплення 1-го роду виникає при малих швидкостях ковзання (0,00...50,2 м/с) поверхонь тертя і тиску (5...100)·10⁵ Па, що перевищує межу текучості металу на ділянках фактичного контакту. Цей процес супроводжується незначним підвищенням температури і призводить до інтенсивного пластичного деформування і руйнування поверхонь деталей.

Процес охоплення ІІ-го роду розвивається при більших швидкостях ковзання поверхонь тертя і підвищених тисках. В цьому випадку основним фактором є тиск, який достатньо великий, і металеві зв’язки утворюються, не дивлячись на високі швидкості. При цьому спостерігається значне збільшення температури в поверхневих шарах металів, що викликає порушення їх міцності і руйнування.

Частинки металу, що відірвались від поверхонь тертя, і в першому і в другому випадку частково налипають на протилежну поверхню, а частково утворюють продукти зношування. В цьому випадку більше значення має правильний вибір в’язкості мастильного матеріалу і наявність протизадирних присадок. Більш в’язка олива забезпечує кращі протизадирні характеристики.

Наявність в оливі води, повітря і, як наслідок, його спінювання сприяє зношуванню при заїданні.

Зношування при заїданні частіше за все зустрічається в полюсі зубчатих зачеплень, а також в кулькових і роликових підшипниках, а при відсутності мастильного матеріалу і більших тисках в тяжко навантажених опорах кочення і значно рідше в циліндро-поршневій групі.

Схоплення поверхневих шарів і глибинне виривання відбувається за рахунок міжмолекулярних сил зчеплення, що мають назву когезії, тому це зношування повинно бути віднесено до молекулярно-механічного виду зношення, яке згідно ГОСТ 27674-88 в класифікацію чомусь не включено.

Електроерозійне зношуванняце ерозійне зношування поверхонь в результаті впливу розрядів при проходженні електричного струму. Цьому виду зношування піддаються колектори, щітки, деталі перервача, ослаблені клеми струмопровідних дротів, що проводять струм тощо.

Електроерозійне зношування — це різновид ерозійного зношення (ерозія від лат. егозіо — роз’їдання), тобто поступове зношування поверхні під впливом електричних розрядів при проходженні електричного струму.

В багатьох літературних джерелах можна зустріти поняття корозійного зношування. Корозія (від лат. согосіо — гризти і ново- лат. corosto— роз’їдання).

Під корозією металів і сплавів розуміється руйнування в результаті хімічної або електрохімічної дії середовища. Розрізняють атмосферну, електрохімічну і газову (хімічну) корозії.

Атмосферній корозії піддаються зовнішні частини машин під дією на них опадів і вологого повітря.

Протіканню електрохімічної корозії сприяє неоднорідність матеріалу, коли окремі ділянки поверхні внаслідок їх неоднорідності мають різні значення електричного потенціалу і на поверхні виникає велике число мікрогальванічних елементів, які генерують електричний струм (наприклад, корозія зварного шва).

Газова корозія виникає внаслідок контакту металів і сплавів з сухими газами або неелектролітичними носіями. При цьому утворюються високотемпературні оксиди металів, наприклад, при зношуванні клапанів двигунів внутрішнього згоряння.

Хімічна корозія відбувається при контакті металевих деталей з кислотами (див. гл. 6, п. 6.2).

Н еважко помітити, що фізичні явища, що мають назву корозії, знайшли

Рис. 3.1. Класифікація видів зношування (за С.К.Полянським)

відображення в поняттях «ерозійне зношування», «гідроерозійне (газоерозійне)» і «електроерозійне зношування». Останні більш повно відображають фізичний зміст явищ, що протікають. Тому поняття «корозія» при взаємодії поверхонь, ідо труться, слід вважати застарілим. Під корозією слід розуміти більш вузьке явище, яке визначає взаємодію металу з оточуючим середовищем.

Наведена класифікація видів зношування майже відповідає встановленим стандартам (ГОСТ 27674-88) з деякими уточненнями, розглянутими вище. Проте вже сьогодні видатні вчені в цій галузі внесли свої корективи. Так професором А.С. Проніковим ерозійне зношування, кавітаційне, газо- і гідроабразивне зношування, тобто всі види зношування, коли немає контакту двох твердих тіл, віднесені до процесівроз’їдання.

Приведена класифікація дає можливість зрозуміти і проаналізувати явища, що відбуваються в процесі тертя того чи іншого спряження.Насправді, не враховуючи різноманіття факторів, якими зумовлюється і супроводжується процес тертя, слід розглядати суперпозицію цих явищ. Причому, тут розглядається не механічне сполучення розглянутих вище явищ у тому чи іншому співвідношенні, а взаємодія їх між собою, і процес тертя і зношування відбувається кожного разу по-різному. Тому важливо з’ясувати фізичний зміст явищ, що протікають при терті, і вміти користуватися отриманими знаннями при вирішенні практичних задач або досліджень (див. нижче).