Механизм изнашивания металлических поверхностей

Для анализа износостойкости материалов, которую обычно описы­вают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания, и понимания механизма изнашивания пар трения необходимы более полные данные о взаимодействии поверхностей трения, об изменениях в них, обусловленных пластической деформацией, повышением темпера­туры, химическим воздействием окружающей среды или другими факто­рами. В зависимости от состояния материала степень износа можно вы­разить в потере массы материала, его деформации, переносе материала и изменении свойств.

В практических условиях величина или степень износа может быть определена прямо или косвенно. Прямые методы измерения:

а) определение абсолютной линейной величины износа в мкм или мм;

б) определение абсолютной объемной величины износа в мкм3 или мм3;

в) определение абсолютной величины износа по массе в г или мг.

Эти величины могут быть представлены как относительные пара­метры: линейная скорость износа И (в мкм/ч), линейная относительная величина износа АИ (в %); удельная относительная линейная величина износа
(в мм/кг) и т.д.

В качестве косвенных характеристик процесса износа могут быть использованы общая продолжительность протекания явлений или время износа, количество потерянного при трении материала и другие показатели.

Пластическая деформация и высокие температуры поверхностей трения усиливают диффузионные процессы, вызывают обогащение по­верхностей трения отдельными элементами, коагуляцию структурных составляющих и их взаимное диффузионное растворение. Разрушение структуры — это заключительный этап пластической деформации по мере увеличения силового воздействия пар трения. На этом этапе могут пре­обладать такие виды разрушения, как микрорезание, отслаивание, цара­пание, выкрашивание, трещины, перенос материала и глубинное выры­вание. Могут также наблюдаться процессы охватывания отдельных структурных составляющих конструкционных материалов, в то время как другие составляющие уносятся из зоны трения.

При анализе механизма изнашивания металлических поверхностей оценивают процесс разрушения или отделения материала и (или) накоп­ления его остаточной деформации в зависимости от вида трения:

— трения покоя — трение двух тел при микроперемещениях до пе­рехода к относительному движению;

  • трения движения — трение двух тел, находящихся в относитель­ном движении;
  • трения без смазочного материала — трение двух тел при отсутст­вии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида;
  • трения со смазочным материалом — трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида;
  • трения скольжения — трение движения двух твердых тел, при ко­тором скорости тел в точках касания различны или по величине и на­правлению, или по величине, или по направлению;
  • трения качения — трение движения двух твердых тел, при кото­ром их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, на­правленной по касательной к общей границе между этими телами.

Сложность процессов, происходящих при контактных взаимодейст­виях твердых тел в условиях внешнего трения и приводящих к разруше­нию поверхностей трения, обусловила создание многочисленных мето­дик для оценки свойств материалов трущихся деталей. Это привело к созданию обширного класса испытательных машин и стендов. Согласно современным представлениям, внешнее трение твер­дых тел имеет двойственную (молекулярно-механическую или адгезион­но-деформационную) природу. Считается, что контактирование твердых тел вследствие шероховатости и волнистости их поверхностей происхо­дит в отдельных зонах фактического касания. Суммарную площадь этих зон называют фактической или реальной площадью А твердых тел.

В зонах фактического касания поверхности сближаются на такие расстояния, при которых между частицами (атомами, молекулами, иона­ми), входящими в состав твердых тел, проявляются микроскопические и макроскопические (силы Лившица) взаимодействия, имеющие электри­ческое происхождение.

Анализ процессов трения, приводящих к интенсивному изно­су, показывает, что износостойкость конструкционных материалов опре­деляется большим количеством факторов, прежде всего:

  • свойствами контактируемых материалов и качеством трущихся поверхностей;
  • скоростью взаимного перемещения и характерами движения (скольжение, качение, течение, удары, кавитация и др.);
  • температурой в зоне контакта и величиной нагрузки;
  • наличием смазки и продуктов износа в зоне контакта;

  • присутствием вакуума или коррозионных сред, осложняющих процессы износа.

Поэтому теоретическая интерпретация явлений износа связана со значительными упрощениями, приводящими к тому, что основывающие­ся на таких разработках расчеты, выводы и рекомендации не имеют все­общего характера.

При рассмотрении процессов трения в расчетах износа поверхно­стей трения обычно исходят из модели процесса, представленной на рисунке, где из двух соприкасающихся материалов одно контактирующее тело может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии, а вто­рое контактирующее тело — только в твердом состоянии. Промежуточное вещество также может быть в твердом состоянии (продукты износа), в виде жидкой смазки или в газообразном состоянии.

Абразивный износ, получаемый при попадании каких-либо допол­нительных частиц на изнашиваемую поверхность, имеет место как в слу­чае проникновения частиц, образующихся в результате износа между скользящими поверхностями, так и в тех случаях, когда, например, раз­рушаются или срабатываются минеральные вещества. К группе процес­сов абразивного износа, обусловленных присутствием мелких частиц, следует отнести также износ, который имеет место в соплах пескоструй­ных устройств и трубопроводах при транспортировке сыпучих материа­лов. Длительность работы износостойких деталей и время перехода от одного периода и вида износа к другому зависят от условий трения и природы материалов. При интенсивном износе преобладают адгезионный и абразивный механизмы разрушения материалов. Частицы износа имеют вид осколков, на поверхности трения деталей образуются глубокие вырывы.

Износостойкость металла повышается при увеличении тепло- и тем­пературопроводности, а также устойчивости против кавитаций, эрозий и коррозии. Важными требованиями в общем случае являются: сочетание большой твердости и пластичности при отсутствии хрупкости; устойчивость физико-механических свойств против воздействия высоких темпе­ратур и давлений при изнашивании; небольшое различие в коэффициен­тах теплового расширения фаз, равномерности распределения легирую­щих компонентов в сплавах; термодинамическая устойчивость фаз в ши­роком интервале температур и давлений. Способность материала дли­тельное время накапливать пластические деформации без разрушения определяет его надежность и работоспособность при трении. Важным условием создания износостойких структур является изучение процессов фения и характера связей составляющих структуры на микроскопиче­ском уровне.

В настоящее время поставлен вопрос о создании оптимальных по износостойкости гетерогенных структур на основе систем матрица- мелкодисперсные упрочняющие фазы и подборе для пар трения сплавов, которые в процессе трения испытывают квазиобратимые превращения, т.е. обеспечивают легкую перестройку кристаллическим решеткам и из­менение других внутренних параметров при резком изменении внешних параметров в процессе трения. На основе изучения результатов теорети­ческих и экспериментальных работ по износостойким сплавам и влиянию на износостойкость взаимного расположения, количественного соотно­шения и характера связи отдельных составляющих структуры можно оп­ределить общие требования к сплавам, назначаемым для работы в усло­виях трения, необходимые для решения практической проблемы — разра­ботки сплавов пары трения с оптимальной износостойкой структурой, обеспечивающей высокую надежность и длительность работы машин и механизмов.

В качестве критерия для оценки износостойкости металлов и спла­вов рекомендована такая физико-механическая характеристика, как твердость.

Однако для тяжелых режимов трения с высокими нагрузками и ско­ростями возникает необходимость в дополнительном критерии, характе­ризующем деформируемость металла, так как наряду с высокой твердо­стью нужен еще некоторый запас пластичности. Чем дольше материал способен претерпевать пластическую деформацию без разрушения, тем выше долговечность узла трения. В этой связи можно рассматривать и значение таких элементов структуры, как размер и форма зерен, распо­ложение по границам зерен избыточных фаз, общая однородность и из мельченность микроструктуры, морфология и распределение фаз, осо­бенно карбидов, и др.

Пластическое деформирование не изменяет поверхностного слоя материала и складывается из следующих наиболее важных элементарных процессов:

  • скольжения по кристаллографическим плоскостям;
  • двойникования кристаллов;
  • отклонения атомов от правильного расположения в решетке и их теплового движения;
  • разрушения структуры поверхностного слоя.

При значительном различии структурных составляющих по твердо­сти и многократном воздействии нагрузки сначала изнашивается мягкая основа, а твердые составляющие вдавливаются в основу и часть их под действием нагрузки дробятся и перемешиваются под действием сил трения. В результате избирательного изнашивания поверхность обогащается твердыми структурными составляющими, приобретает строчечную с груктуру и повышенную твердость.

Успехи в разработке физической стороны процесса трения и боль­шой экспериментальный материал по физико-химическому исследова­нию природы поверхностных слоев пар трения и контактных температур образцов из различных материалов позволили глубже по­знать механизм изнашивания и ввести основные понятия, относящиеся к изнашиванию деталей рабочих органов машин. Недопустимые виды из­нашивания: схватывание 1-го и 2-го рода, фреттинг-процесс и механиче­ское царапание или резание.

Для анализа износостойкости материалов, которую обычно оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания, и анализа механизма изнашивания пар трения необходимы более полные данные по взаимодействию поверхностей трения, об изменениях в них, обусловленных пластической деформацией, повышением температуры, химическим действием окружающей среды или другими факторами. Пластическая деформация и высокие температуры усиливают диффузи­онные процессы, вызывают обогащение поверхности трения некоторыми элементами, коагуляцию отдельных структурных составляющих и вза­имное их диффузионное растворение. Изнашивание при заедании приво­дит к катастрофическим видам износа.

Кривые изменения контактной температуры исследуемых образцов из различных материалов в зависимости от скорости резания образца

Разрушение структуры — это заключительный этап пластической деформации по мере увеличения силового взаимодействия пар трения. На этом этапе могут преобладать такие виды разрушения, как микрореза­ние, отслаивание, царапание, перенос материала, выкрашивание, трещи­ны и глубинное вырывание. Могут также наблюдаться процессы схваты­вания отдельных составляющих конструкционных материалов, в то вре­мя как другие составляющие уносятся из зоны трения. Особенно высокой интенсивностью отличаются различные разновидности абразивного из­носа. Закономерности абразивного изнашивания изложены в работе, а способы борьбы с ним — в работе.

Интенсивность абразивного изнашивания зависит от многих факто­ров, в том числе от коэффициента трения между абразивом и изнашивае­мой поверхностью. Если на поверхности металла в процессе трения обра­зуется сервовитная пленка даже малой толщины, то она уменьшит коэф­фициент трения между абразивом и металлом, что приведет к снижению пластической и упругой деформации основного металла.

На рисунке показаны схемы взаимодействия абразива с изнашивае­мой твердой поверхностью. Сервовитная пленка уменьшает зону пласти­ческой деформации основного металла, способна к многократной пла­стической деформации без отделения частиц и легко подвергается деформации сдвига; в зоне трения сервовитная пленка способствует уменьшению абразивного изнашивания. Применение ИП в узлах трения нефтебурового оборудования, где абразивное изнашивание является главной причиной выхода строя деталей трения, подтверждает это.

Схемы воздействия абразива с изнашиваемой поверхностью в<br> режиме обычного трения (а) и при избирательном переносе (б)

1 — абразив; 2 — зона пластически деформируемого металла; 3 — зона недеформируемого металла; 4 — сервовитная пленка

При анализе механизма износа, обусловленного движущейся струей жидкости, определяют потери материала под воздействием жидкости. Износ, обусловленный ударами капель жидкости, происходит в том слу­чае, если, например, в зоне низких давлений паровой турбины капли сконденсированной влаги переходят в пар и с большой скоростью соуда­ряются с движущимися лопатками турбины. Большие локальные нагруз­ки приводят к механическому разрушению. Кавитационный из­нос происходит на судовых винтах. Причина его образования заключает­ся в том, что при движении судового винта в воде происходит отрыв сло­ен жидкости и образование пузырька с пониженным давлением. Возник­ший пузырек мгновенно захлопывается, при этом микроскопически ма­лые поверхности подвергаются воздействию очень жестких, неупругих ударов жидкости, которые в наиболее слабых участках (границы зерен, иключения) приводят к постепенному разрушению и потере материала.

В периодически смазываемых тяжелонагруженных шарнирных со­единениях ИП имеет преимущества перед обычной граничной смазкой. При однократном смазывании через некоторое время шарнир начинает испытывать недостаток смазочного материала: повышаются коэффици­ент трения, температура и интенсивность изнашивания. Возникает необ­ходимость в новом смазывании. При реализации ИП вре­мя работы узла до повторного смазывания увеличивается в 3…4 раза. Сервовитная пленка может длительно работать без дополнительного сма­зывания поверхностей.

Зависимость коэффициента трения/от числа N применений шарнира при однократном смазывании ЦИАТИМ-201

(по результатам модельных исследований С.И. Дякина)

Зависимость коэффициента трения от числа N испытаний сопряжений (а, б, в) и от пути трения L при однократном смазыванииЗависимость коэффициента трения от числа N испытаний сопряжений (а, б, в) и от пути трения L при однократном смазывании

Зависимость коэффициента трения/ от числа N испытаний сопряжений (а, б, в) и от пути трения L при однократном смазывании (г): а — смазка «ЦИАТИМ-201»; б — свинцоль-01; в — металлоплакирующая смазка ВНИИ МП-254; г — «Атланта» (ТУ 38-1011048-85); 1 — смазка «ЦИАТИМ-201»; 2 — свинцоль-01; 3 — «Атланта»; 4 — металлоплакирующая смазка ВНИИ МП-254.

На рисунке, а, б и в приведены зависимости, полученные С.И. Дяки- ным, коэффициента трения тяжелонагруженного шарнира от числа испыта­ний при однократном смазывании смазочным материалом трех видов. При испытаниях были приняты предельные значения коэффициента трения (/ = 0,2) и температуры (0 > 50 °С). При смазывании ЦИАТИМ-201 пре­дельный коэффициент трения был достигнут уже после 13… 17 испыта­ний шарнира, а при использовании металлоплакирующего смазочного материала — после 100 испытаний (рисунок, в). Смазочный материал свинцоль-01 по числу испытаний шарнира, при котором достигается пре­дельное значение / занимает промежуточное положение (рисунок, б). Значительное повышение работоспособности узлов трения обеспечивает смазка «Атланта». На рисунке, г представлены зависимости изменения коэффициента трения от пути L трения для испытуемых смазочных ком­позиций; ниже приведены основные триботехнические характеристики смазок при р = 70 МПа.

основные триботехнические характеристики смазок при р = 70 МПа

Увеличение промежутка времени между пополнениями узла трения смазочным материалом имеет большое значение для машин с многочис­ленными точками смазывания (экономят смазочные материалы и рабо­чую силу).

Для подшипниковых и других узлов трения, воспринимающих ди­намические нагрузки, разработаны также металлофторопластовые лен­точные антифрикционные материалы. За рубежом широкое распростра­нение получили подшипники из металлофторопластовых материалов фирмы «Гласье» (Великобритания). Разработаны антифрикционные ма­териалы двух марок — DY и DX.

Материал представляет собой композицию политетрафторэтилена, свинца и спеченной оловянной бронзы; композиционный материал кре­пится к стальной подложке. На рабочую поверхность А нано­сится тонкий дополнительный слой политетрафторэтилена.

Коэффициент трения подшипников из антифрикционной компози­ции марки DV мало зависит от скорости скольжения. Композиция удовлетворительно воспринимает динамические нагрузки, устойчива к воздействию большинства растворителей и многих промыш­ленных жидкостей и газов, включая воду и нефть, хорошо переносит за- пыление среды, работает при колебательных и возвратно-поступатель­ных движениях.                   ,

Композиция типа DY может работать длительное время в широком диапазоне температур (до +280 °С), обеспечивая малый коэффициент трения при высоких удельных нагрузках. Стальная подложка обеспечи­вает механическую прочность, а композиция на основе спеченной брон­зы — прочное соединение твердого смазочного материала с подложкой.

Материал DX разработан позже и содержит сополимер ацетатной смолы; такая композиция нуждается в небольшом смазывании. Материал DX также имеет стальную подложку, а смола пропитывает пористый бронзовый слой.

Строение подшипника с металлофторопластовым покрытием

Строение подшипника с металлофторопластовым покрытием: 1 — слой ПТФЭ; 2 — пропитанный бронзовый каркас; 3 — стальная подложка; А — рабочая поверхность.

Для таких композиций пластическая деформация и высокие темпе­ратуры ускоряют диффузионные процессы, в то время как из обычных металлических антифрикционных материалов и сплавов наблюдается растворение поверхностей деталей, а при использовании интенсивного охлаждения поверхностей образуются закалочные структуры и наклеп, особенно при высоких удельных нагрузках.

Высокие температурные градиенты и пластические деформации вы­зывают структурные превращения в поверхностных слоях тяжелонагру- женных узлов трения. Высокие термические напряжения и трещины спо­собствуют разрыхлению и выкрашиванию материалов в поверхностных слоях, особенно если конструкционный материал обладает недостаточ­ными характеристиками прочности и упругопластических свойств.

Зависимость коэффициента трения/ материала (после пропитки) от скорости скольжения v при различной нагрузке

Механизм образования частиц износа в форме тонких пластинок бо­лее изучен при низких скоростях скольжения, т.е. увеличением темпера­туры на контактирующих поверхностях можно пренебречь. В этом слу­чае процесс может быть рассмотрен с позиции теории износа «отслаива­нием», базирующейся на следующих соображениях:

  1. в процессе износа материал поверхностного и близлежащего слоев имеет невысокую плотность дислокаций;
  2. при скольжении накопление дислокаций будет происходить на не­котором расстоянии от поверхности, что приведет к образованию пустот;
  3.  в дальнейшем при сдвиге металла пустоты будут срастаться, что приведет к образованию трещины, параллельной поверхности;
  4. при достижении трещиной критической величины, различной для разных материалов, материал поверхности, ограниченный трещиной,

    сдвигается, образуя частицу в виде чешуйки; конечная форма частицы шписит от ее длины и внутренних напряжений.

Предложенный механизм образования частицы износа опробован испытаниями в атмосфере аргона при возвратно-поступательном движе­нии стального стержня по диску из технически чистой меди (нормальная нагрузка составляла 17,8 Н, скорость — 0,5 м/с). Изучение полученных фотографий показало, что на них ясно видны трещины, параллельные направлению скольжения и расположенные на некотором расстоянии от поверхности (для меди это расстояние порядка 15 мкм, а для стали 2…5 мкм). Исследованы также частицы износа, извлеченные из смачиваю­щей среды различных узлов трения, и установлено, что подавляющее большинство частиц износа имеет форму пластинок. При этом чем выше пластичность материала, тем больше толщина частиц износа.

Высокие триботехнические свойства медно-фторопластовых компо­зитов связаны с реализацией ИП при трении без смазочного материала вследствие образования координационных соединений с двухвалентной медью. Наличие смазочного материала в таких композициях улучшает фиботехнические характеристики во всем диапазоне нагружения, осо­бенно при легировании смазочных материалов комплексообразующими присадками.

Сервовитная пленка может образоваться при трении по­литетрафторэтилена (ПТФЭ), наполненного закисью меди, по стали при смазывании глицерином. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления закиси меди до чистой меди, изменяя структуру фрикци­онного контакта.

Для улучшения работы узлов трения качения применяют сепарато­ры из самосмазывающихся материалов на основе порошковых материа­лов или полимеров. Такие узлы трения более работоспособны; они часто используются в приборах. В тяжелонагруженных узлах такие материалы не нашли применения, как и для работы в условиях абразивного износа.

Общность механизмов разрушения износостойких металлов и спла­вов в области малоцикловой усталости независимо от способа приложе­ния циклической нагрузки подтверждают экспериментальные исследова­ния, которые проводились на установках типа ЦУК-ЗМ с использованием в качестве абразивных частиц силумина диаметром 0,6… 1 мм и средней скорости вылета частиц 30, 40 и 50 мм.

На рисунке приведены экспериментальные данные исследо­ваний износостойкости чугунных заготовок в условиях газоабразивного износа, характеризующие связь между числом циклов N до разрушения и скоростью вылета частиц абразива на установке типа ЦУК-ЗМ. В пред­ложены физические и математические модели этого типа изнашивания.

Структура граничного слоя, образующаяся при трении медно-фторопластового (ПТФЭ) композита по стали

Структура граничного слоя, образующаяся при трении медно-фторопластового (ПТФЭ) композита по стали: 1 — слой комплексов; 2 — сервовитная пленка; 3 — сталь

Зависимость между числом циклов до разрушения и скоростью v вылета частиц абразива при газообразивном изнашивании

Зависимость между числом циклов до разрушения и скоростью v вылета частиц абразива при газообразивном изнашивании

Газоабразивное изнашивание является также широко распростра­ненным видом поверхностного разрушения, свойственным дезинтеграто­рам, пневмотранспортным установкам, газовым турбинам, землеройным и горным машинам, струйным ударным мельницам, арматуре и т.п. Большой урон от этого вида интенсивного изнашивания стимулирует разработку эффективных методов повышения износостойкости материа­лов.