2 Зносостійкі матеріали

2.1 Види зносу та шляхи підвищення зносостійкості

Зношування, в загальному випадку, можна охарактеризувати як процес зміни розмірів, форми, маси або стану поверхневого шару під впливом зовнішнього середовища та сил тертя. Знос – це результат зношування; оцінюється за зміною розмірів або маси деталі. Знос обумовлений як пластичним деформуванням, так і руйнуванням поверхневих шарів.

Зношування відбувається внаслідок тертя металу об гірські породи, різання та буріння ґрунтів, шліфування, дряпання, тертя шорсткого валу по більш м’якій вальниці, процесу взаємодії із абразивними частинками тощо. Зношування є звичайно чисто механічним процесом, хоча дуже часто він супроводжується корозією та адсорбцією. В залежності від співвідношення механічного та корозійного впливу можливі всі проміжні випадки від чисто абразивного зношування до корозійно-механічного.

Знос характеризується втратою маси деталі, зменшенням її об’єму або лінійних розмірів. Відношення зносу до шляху тертя називають інтенсивністю зносу. Знос, що віднесений до часу, впродовж якого він виявляється, визначається як швидкість зносу.

Розрізняють припустимий та граничний знос. При припустимому зносі зберігається працездатність деталі. Граничний знос характеризується такими змінами форми та розмірів, при яких подальша експлуатація деталі стає неможливою.

Швидкість зношування та знос залежать від часу. Залежність інтенсивності процесу від часу можна розділити на три стадії (рис. 2.1): І – початковий період або період припрацювання, на якому швидкість зношування постійно уповільнюється; ІІ – період усталеного (нормального) зношування, для якого характерна невелика та постійна швидкість процесу; ІІІ – період катастрофічного зношування.

Рисунок 2.1 – Зміна зносу у часі (схема) [5]

Припрацювання відбувається впродовж нетривалого часу, спостерігається швидке зношування виступів на поверхні контакту, виділяється теплота, відбуваються фізико-хімічні зміни поверхневих блоків та зменшується шорсткість. В результаті припрацювання система переходе в стан, для якого характерні максимальна несівна здатність та уповільнене зношування. Катастрофічний знос настає при схоплюванні поверхонь, що труться, тобто при зварюванні в твердому стані та руйнуванні місць зварювання, яке супроводжується утворенням наростів, задирами та заїданнями та значним пошкодженням поверхонь, що труться.

Зносостійкість – здатність матеріалу опиратися зносу. Забезпечення зносостійкості пов’язане із запобіганням катастрофічного зносу, зменшенням швидкостей початкового та усталеного зношування.

Працездатність матеріалів в умовах тертя залежить від трьох груп факторів: 1) внутрішніх, що визначаються властивостями матеріалів; 2) зовнішніх, що характеризуються видом тертя (ковзання, кочення) та режимом роботи (швидкість відносного переміщення, навантаження, характер його прикладення, температура); 3) робочого середовища та змащувального матеріалу.

Зносостійкість в великому ступені залежить від характеру зносу. Розрізняють наступні види зносу:

- абразивний. Є результатом різальної або шкарябальної дії вільних або закріплених твердих частинок. Зносостійкість при абразивному зношуванні чистих металів пропорційна їх твердості: =bHB ( – порівняльна зносостійкість, що визначається при порівнянні із зразком-еталоном, b – коефіцієнт пропорційності). Для сплавів ця залежність може не виконуватися. Гідро- та газоабразивний знос є результатом дії твердих частинок, що переміщуються рідиною або газом;

- втомний. Відбувається внаслідок багаторазового деформування ділянок поверхні контакту твердих тіл. Працездатність більшості вузлів тертя залежить від швидкості розвитку поверхневого викришування, зумовленого втомою металу (пітінгу).

Поверхневе викришування є характерним для деталей, що використовують в вузлах тертя (зубчасті передачі, кулькові та роликові вальниці) та які зазнають високих циклічних контактних навантажень. Ці навантаження діють на малих ділянках поверхні, викликають зародження у поверхневому шарі тріщин втоми, сприяють їх розвитку углиб шару і вилученню частинок з утворенням ямок викришування. Опір матеріалів поверхневому викришуванню називають контактною витривалістю. Підвищення контактної витривалості базується на збільшенні опору поверхневого шару деталей розвитку пластичної деформації;

- фретінг-процес. Місця спряження деталей, які знаходяться у дуже малому відносному переміщенні, зазнають особливого виду зносу, який називають фретінг-процесом або фретінг-корозією. Цей вид зносу має розвиток на поверхні валів у місцях насадження шестерень, вальниць, а також у шліцьових, шпонкових і шарнірних сполученнях, на поверхні ресор. Пошкодження поверхні мають вигляд ямок та виразок, які, як і пітінг, небезпечні тим, що значно знижують опір деталей втомі;

- окислювальний, який полягає в утворенні на поверхні нових фаз металу з киснем та видаленні їх з поверхні тертя (може виникнути і при сухому терті, і при змащуванні);

- адгезійний. Відбувається «схоплювання» або налипання на поверхні контакту; при відриванні контактуючих поверхонь відбувається їх часткове руйнування;

- ерозійний. Відбувається під дією потоків рідини або газу, що рухаються із великими швидкостями. Потоки рідини або газу із абразивними частинками є причиною гідро- або газоабразивного зносу;

- кавітаційний. Є результатом багатократних мікрогідравлічних ударів, що сприймаються поверхнею твердого тіла внаслідок закриття бульбашок пари рідини;

- електроерозійний. Виявляється в руйнуванні поверхні контакту та перенесенні маси матеріалу під дією електричних розрядів.

Деталі, які піддаються зношуванню, поділяють на дві групи: 1) деталі, які утворюють пару тертя (вальниці ковзання та кочення, зубчасті передачі тощо); 2) деталі, зношування яких відбувається під впливом робочого середовища (рідина, газ тощо).

Характерні види зносу деталей першої групи – абразивний, адгезійний, окислювальний, від втоми, фретінг-процес. Деталі другої групи, як правило, піддаються абразивному зносу (наприклад, стирання ґрунтом), гідро- та газоабразивному, ерозійному, гідро- та газоерозійному, кавітаційному.

Причина зносу спряжених деталей – робота сил тертя. Під впливом цих сил відбувається багаторазове деформування контактних ділянок поверхні, їх зміцнення та знеміцнення, виділення теплоти, зміна структури, розвиток процесів втоми, окислення та ін.

Через шорсткість та хвилястість поверхонь, що труться, контакт здійснюється в окремих зонах торкання діаметром від 0,1 до 20…30 мкм, які розташовані на вершинах хвиль. Взаємодія ковзаючих поверхонь в цих плямах має подвійну природу – деформаційну та адгезійну. Деформаційна взаємодія обумовлена багатократним деформуванням мікрооб’ємів поверхневого шару нерівностями, що втілюються. Опір цьому деформуванню називають деформаційною складовою сили тертя F_Д.

Адгезійна взаємодія пов’язана із утворенням на ділянках контакту адгезійних мостиків зварювання. Опір зрізу цих мостиків та формуванню нових визначає адгезійну складову сили тертя (F_АД). Таким чином, сила тертя, також як і інша важлива фрикційна характеристика – коефіцієнт тертя f, який дорівнює відношенню сили тертя до нормального навантаження N:

f=F/N,

визначається як сума двох складових:

F=F_Д+F_АД,

f=f_Д+f_АД.

Деформаційна складова тертя зростає пропорційно величині відносного втілення нерівностей h/R (h – глибина втілення, R – радіус нерівності, що втілилася). Величина h/R та відповідно F_Д та f_Д зростають із збільшенням твердості та модуля пружності матеріалу. Розрізняють три види механічної взаємодії (рис. 2.2): 1 – пружний контакт, 2 – пластичне деформування; 3 – мікрорізання.

Інтенсивність зношування мінімальна при пружному контакті.

При пластичному деформуванні інтенсивність процесу різко зростає. В результаті пластичної деформації відбувається зміцнення ділянок, що сприяє крихкому руйнуванню.

Мікрорізання відноситься до неприпустимих механізмів зношування, оскільки викликає інтенсивне руйнування поверхневого шару. Мікрорізання можливе не тільки нерівностями, що втілюються, але й сторонніми твердими частинками.

1 – пружний контакт; 2 – пластичне деформування; 3 – мікрорізання; 4 – схоплювання та руйнування поверхневих плівок; 5 – схоплювання та глибинне виривання

Рисунок 2.2 – Види взаємодії поверхонь тертя [5]

Можливі два види адгезійної взаємодії: схоплювання та руйнування поверхневих плівок (рис.2.2, поз. 4); схоплювання металевих поверхонь, що супроводжується заїданням, тобто глибинним вириванням (рис. 2.2, поз. 5).

При першому виді взаємодії руйнування адгезійних зв’язків відбувається по оксидним плівкам, якими завжди вкриті поверхні, що труться. Швидкість утворення оксидних плівок зазвичай висока, оскільки цьому сприяють високі температури, що розвиваються на поверхні тертя. Руйнування поверхонь зрізанням оксидних плівок називається окислювальним зносом. Це найбільш сприятливий вид адгезійного зносу, при якому процеси руйнування локалізуються в найтонших поверхневих шарах.

Зчеплення металевих поверхонь виникає між чистими від плівок (ювенільними) поверхнями тертя, наприклад, в умовах вакууму або при руйнуванні плівок пластичною деформацією в місцях контакту. Атоми контактуючих матеріалів наближуються настільки, що починають діяти міжатомні сили зчеплення. Цей процес іноді називають холодним зварюванням. Між очищеними ділянками утворюються адгезійні зв’язки, які за міцністю перевищують міцність одного з матеріалів пари тертя. Зріз відбувається в менш міцному матеріалі в глибині від місця схоплювання. На одній поверхні тертя утворюються поглиблення, на іншій – вирвані частинки, які знову схоплюються та борознять поверхні, що труться, та викликають їх інтенсивне руйнування (рис. 2.3).

а – контакт ненавантажених поверхонь; б – прикладене навантаження Р призводе до пластичної течії та холодного зварювання; в – ковзання та дія навантаження призводе до деформаційного зміцнення; г – перенесення частинок в результаті руйнування шорсткостей в місці зварювання

Рисунок 2.3 – Контакт між двома твердими тілами та перенесення частинок при адгезійному зношуванні [5]

Якщо процес адгезійного зносу відбувається інтенсивно та супроводжується перенесенням значної маси металу – таке явище називається заїданням металу. Якщо адгезійний знос дуже інтенсивний, то поверхні можуть злипатися на значній ділянці і в цьому випадку зовнішні сили вже не можуть викликати їх зміщення одна відносно одної – таке явище називають схоплюванням. Але за певних умов швидкість адгезійного зносу можна зробити малою та самообмеженою, завдяки чому зношування часто використовується для притирання та покращення якості контактуючих поверхонь з метою ефективного використання змащувальних матеріалів.

Молекулярно-механічна теорія тертя визначає два основних напрямки підвищення зносостійкості матеріалу:

1) підвищення твердості поверхні виробів, які знаходяться в контакті;

2) зниження міцності адгезійного зв’язку.

Підвищення твердості має метою припинити пластичну деформацію та запобігти мікрорізанню поверхні тертя, забезпечити, по можливості, пружне деформування ділянок контакту.

Зниження міцності адгезійного зв’язку необхідне для запобігання схопленню металевих поверхонь. Найбільш ефективно це досягається відокремленням поверхонь тертя рідким або твердим мастилом. Однак змащувальні матеріали поступово витрачаються та не гарантують від схоплювання. За цих умов вирішальне значення набуває забезпечення сумісності пари, що піддається тертю. Під сумісністю розуміють властивість матеріалів запобігати схоплюванню при роботі без змащувального матеріалу або в умовах порушення суцільності шару мастила. Сумісність досягається декількома засобами.

Одним із засобів є використання захисних властивостей оксидних плівок. Захисні властивості оксидних плівок залежать від їх складу, товщини, а також від властивостей металевої підкладки та збільшуються із зростанням її твердості. Якщо оксид твердий та міцний, а нижчерозташований метал м’який, то плівка легко руйнується та схоплювання розвивається при малому навантаженні.

Іноді твердість оксидних плівок є більшою за твердість самих металів. При оцінці твердості оксидних плівок зручно користуватися еталонною мінералогічною шкалою Мооса, що складається з 10 мінералів-еталонів, твердість яких послідовно зростає (твердість матеріалу визначається за шириною подряпин, які залишає алмаз на його поверхні); поділка «0» означає твердість тальку, поділка «10» – твердість алмазу (рис. 2.4). Так, найбільшу твердість за шкалою Мооса (9) має оксид алюмінію Al₂O₃, хоча твердість самого алюмінію є низькою (~2), рис. 2.4. Внаслідок цього при терті алюмінію по сталі оксидні плівки, а також продукти руйнування цих плівок можуть призвести до сильного зносу навіть самих твердих сталей.

Рисунок 2.4 – Мінералогічна шкала Мооса визначення твердості [5]

Загартовані сталі та сталі, що зміцнені хіміко-термічною обробкою, мають більш високу стійкість проти схоплювання в порівнянні із відпаленими та нормалізованими сталями. Більш міцні сталі є основним матеріалом для однієї зі спряжених деталей пари тертя.

При цьому, схоплювання є особливо небезпечним для контакту з двох твердих матеріалів. У випадку руйнування захисних оксидних плівок воно призводить до значного пошкодження обох поверхонь тертя. При сполученні твердого та м’якого матеріалів схоплювання проявляється в менш небезпечній формі.

Для сталей та чавунів найбільш сприятливим є виготовлення спряженої деталі з кольорових металів та сплавів із м’якою структурою. Така структура припускає ковзання на ділянках контакту та запобігає схоплюванню. В черв’ячних передачах черв’як виготовляють з твердої сталі, а черв’ячне колесо – із олов’яної бронзи, що має в структурі м’яку складову. Олово та свинець є м’якою структурною складовою у вальницях ковзання.

Схоплюванню можна запобігти розділенням поверхонь тертя плівками полімерів (фторопласта, поліаміда).

В залежності від механічних та фрикційних властивостей зносостійкі матеріали поділяють на три групи: 1) матеріали з високою твердістю поверхні; 2) антифрикційні матеріали, що мають низький коефіцієнт тертя ковзання; 3) фрикційні матеріали, що мають високий коефіцієнт тертя ковзання [5].