6. ИЗНАШИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

При трении сопряженных поверхностей имеет место изнашивание (износ), под которым понимают процесс отделения материала поверхности твердого тела и (или) увеличения его

остаточной деформации при трении, проявляющийея в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (ГОСТ 27674-88). Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания, принято называть износостойкостью. В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машин.

Изнашивание является сложным физико-химическим процессом и нередко сопровождается коррозией. Реальные поверхности имеют сложный рельеф, характеризующийся шероховатостью и волнистостью. При трении существует дискретное касание шероховатых тел и, как следствие этого, возникают отдельные фрикционные связи, определяющие процесс изнашивания. Изноо может возникнуть вследствие фрикционной усталости, хрупкого и вязкого разрушения, микрорезания при начальном взаимодействии, разрушения (в том числе усталостного) оксидных пленок, глубинного вырывания металла и т. д.

При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трения препятствующая взаимному перемещению. Сила трения равна где Р — нормальная составляющая внешней силы, действующей на контактную поверхность, а — коэффициент трения. Коэффициент трения (безразмерная величина) может быть определен из уравнения: где А — коэффициент, — динамическая вязкость и и — относительная скорость перемещения. Чем ниже значение тем меньше износ.

Обычно между трущимися поверхностями имеется тонкая пленка оксидов, которая изолирует поверхности соприкасающихся металлов. Механизм изнашивания и величина износа зависят как от свойств материала пар трения, так и от характера их движения (трение скольжения, качения и т. д.), величины Р, скорости перемещения и физико-химического действия среды. Ниже описаны различные разновидности изнашивания. Чаще имеют место коррозионно-механическое или окислительное изнашивание. Окислительным называется изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

В результате трения на самой поверхности толщиной нм образуется особая структура, содержащая большое количество оксидов. Под вторичной структурой располагается сильно деформированный тонкий слой металла с высокой плотностью дислокации. При нормальном окислительном изнашивании разрушается только вторичная структура, после удаления которой она легко

Рис. 75. Кривая износа

восстанавливается, и процесс многократно повторяется. Наличие вторичной структуры уменьшает изнашивание поверхностного слоя. Наиболее высокая износостойкость достигается при минимальной толщине вторичной структуры, высокой ее прочности и хорошей связи основным металлом.

При нормальном окислительном изнашивании коэффициент трения и толщина разрушающегося слоя 0,001-0,01 мм.

При постоянных условиях трения имеют место три стадии изнашивания (рис. 75): 1 — период приработки, при котором происходит интенсивное изнашивание, изменяется микрогеометрия поверхности и материал наклепывается; эти процессы обеспечивают упругое контактное взаимодействие тел; после приработки устанавливается равновесная шероховатость поверхности, характерная для заданных условий трения, которая в дальнейшем не изменяется и непрерывно воспроизводится; 2 — период установившегося износа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных условий трения; 3 — период катастрофического износа.

Окислительное изнашивание наблюдается в подшипниках скольжения, валах, втулках, поршневых кольцах и т. д.

Различают трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом. Трение без смазочного материала наблюдается во фрикционных передачах, тормозных парах и т. д. Широко применяется граничная смазка, когда масляная пленка толщиной от сотых до десятых долей миллиметра адсорбируется на поверхности детали. Коэффициент трения для этого случая составляет При жидкостной смазке — трущиеся поверхности разделены находящимся под давлением слоем смазочного материала, который является несущим, так как уравновешивает внешнюю нагрузку. В этом случае слой смазочного материала имеет значительную толщину, трение происходит внутри масляного слоя, что приводит к снижению коэффициента трения

При других видах изнашивания разрушение затрагивает поверхностные слои большей толщины.

Виды изнашивания. По ГОСТ 27674-88 различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (изнашивание при действии электрического тока).

К механическому изнашиванию относят абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание материала происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел и (или) абразивных частиц. Эти частицы попадают между контактирующими поверхностями со смазочным материалом или из воздуха, а также могут появиться в результате развития других видов изнашивания (схватывания, выкрашивания, окисления). Абразивное изнашивание может иметь место с преобладанием процессов окисления (окисление и последующее разрушение оксидных пленок) и преобладанием механического разрушения (внедрения абразивных частиц) и разрушения поверхности. При окислительной форме абразивного изнашивания коэффициент трения и толщина разрушающегося слоя до 0,1 мм. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы (грунт, разбуриваемые породы и т. д.).

Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным изнашиванием. Оно имеет место, например, в мешалках и пропеллерах реакторов, в колесах и корпусах насосов, в шнеках и т. д.

Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (например, в дымоходах и воздуходувках), то вызываемое ими изнашивание называется газоабразивным изнашиванием.

Под кавитационным изнашиванием понимают изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаждению, трубопроводы.

Усталостное изнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений и разрушений поверхности под влиянием циклических контактных нагрузок, вызывающих появление «ямок» выкрашивания. Усталостное изнашивание проявляется при трении, качении или реже качении проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным.

Так, контактную усталость можно наблюдать в тяжелонагру-женных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах подвижного состава железнодорожного транспорта и т. д.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в болтовых и заклепочных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей, находящихся в подвижном контакте. Достаточны для образования фреттинг-коррозии даже весьма малые относительные перемещения с амплитудой 0,025 мкм.

Причиной изнашивания является непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта. Коэффициент трения

Изнашивание при заедании, при котором имеет место задир, что приводит к катастрофическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности, и трущиеся детали выходят из строя.

Различают схватывание I рода (холодный задир) и II рода (горячий задир). Холодный задир происходит при трении с небольшими скоростями относительного перемещения (до 0,5-0,6 м/с) и удельными нагрузками, превышающими при отсутствии смазочного материала и защитной пленки оксидов. Горячий задир, наоборот, имеет место при трении скольжения с большими скоростями и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500-1500 °С). При схватывании I рода коэффициент трения и толщина разрушающегося слоя до 3—4 мм, а при схватывании II рода соответственно и до 1,0 мм.

Электроэрозионное изнашивание происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Допустимые виды изнашивания: окислительное и окислительная форма абразивного изнашивания. Недопустимые разрушения при трении: схватывание I и II рода, фреттинг-процесс, резание и царапание (механическая форма абразивного изнашивания), усталость при качении и другие виды повреждения (коррозия, кавитация, эрозия и др.).

За основу инженерной характеристики изнашивания принята интенсивность линейного изнашивания где — линейный износ, — путь трения. Интенсивность изнашивания изменяется от до 10-13. В зависимости от величины интенсивности изнашивания введено 10 классов износостойкости от 0 до 9.

По виду контактного взаимодействия поверхностей трения классы соответствуют упругому деформированию классы 6 и 7 — упругопластическому деформированию классы 8—9 — микрорезанию

Так, интенсивность изнашивания гильз цилиндра поршневых колец, шатунных и коренных шеек коленчатых валов составляет режущего инструмента , зубьев ковшей экскаваторов —

Классы износостойкости позволяют применять расчетные методы определения срока службы трущейся пары.

Методы испытания на износ. Испытание на износ проводят самыми различными методами (рис. 76). Следует при этом иметь в виду, что испытания, проведенные разными методами, не сопоставимы. Приведенные на рис. 76 схемы испытания на износ, воспроизводят условия для самых различных видов изнашивания.

Рекомендуется испытание проводить в условиях жидкостного трения при несовершенном смазочном материале и без него.

Рис. 76. Схемы различных методов испытания на износ: I, II — износ при скольжении без смазки и со смазкой; III — износ трением смазкой и без смазки; IV — износ при качении без смазки; 1 — валок; 2 — твердый сплав; 3 - вал; 4 - диск; 5 — шарик из твердого сплава; 6 — абразив; 7 — диск; 8 — вода; 9 — роликовый подшипник

Массовый износ определяют по уменьшению массы. Абсолютный массовый износ относят к площади поверхности трения, после чего определяют линейный износ. По моменту трения вычисляют коэффициент трения. Чем меньше износ, коэффициент трения и разогрев за данный отрезок времени испытания при постоянном давлении, тем выше износостойкость материала. Противозадирные свойства определяют в условиях трения без смазочного материала. У материалов, обладающих более высокими противозадирными свойствами, в меньшей степени или совсем отсутствует перенос материала образца-вкладыша на сопряженную поверхность ролика и меньше возрастают коэффициент трения и температура в процессе испытания.

Испытания на абразивное изнашивание проводят по ГОСТ 17367-71 при трении о закрепленные абразивные частицы. В этом случае трение испытуемого и эталонного образцов осуществляют об абразивную шкурку при статической нагрузке и отсутствии нагрева. Относительную износостойкость определяют по формуле где — абсолютный линейный износ эталонного и испытуемого образцов, мм; — фактический диаметр эталонного и испытуемого образцов, мм.

Измерение износа по потере массы или объема детали не применимо к деталям машин. В этом случае износ определяют по содержанию продуктов изнашивания в смазочном материале (химическим анализом), методом микрометрических измерений

детали до и после изнашивания, методом искусственных баз, когда на изнашивающуюся поверхность наносят углубление, по уменьшению размеров которого судят о величине износа, методом поверхностной активации, основанном на снижении радиоактивности при изнашивании детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный объем толщиной 0,05-0,4 мм путем облучения заряженными или другими частицами.

Для испытания на контактную усталость применяют трехроликовые двухконтактные машины, в которых испытуемый образец обкатывается под давлением между двумя валами (роликами), а также машины, в которых плоская поверхность подвергается контактному нагружению при обкатке шарами. Контактное усталостное изнашивание характеризуется ограниченным пределом усталостного выкрашивания т. е. максимальным нормальным напряжением цикла при котором не наблюдается разрушение поверхностных слоев испытуемого металла при данной базе испытания. Предел контактной выносливости определяется на базе циклов (в зависимости от материала). За критерий разрушения принимают начало прогрессирующего выкрашивания, которое может привести к выкрашиванию по всей поверхности. Минимальный размер выкрашивания должен превышать половину малой полуоси контактной площади По результатам испытания строят кривую контактной усталости.