Коррозионно механическое изнашивание

КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

Эта группа видов изнашивания, протекающих в той или иной активной среде, которая в результате химического или электрохимического взаимодействия с поверхностными слоями трущихся тел образует на них слои продуктов этого взаимодействия (т.е. коррозию), механически разрушаемые в процессе трения и вновь возобновляемые при контакте со средой.

Во многих случаях коррозионно-механическое изнашивание достаточно интенсивно и оказывает заметное влияние на износостойкость трущихся деталей машин. Таким может быть изнашивание в среде сухих газов (особенно при повышенных температурах), а также в различных жидких неэлектропроводных средах. Интенсивность этого процесса определяется соотношением между скоростью образования слоя продуктов коррозии и скоростью их разрушения в процессе трения и механизмом изнашивания. По мнению Н.М. Михина, это изнашивание имеет в основном усталостную природу. В то же время нельзя исключить срез слоя продуктов коррозии более твердыми неровностями сопряженного тела.

При трении металлов в среде электролитов (например, в водных растворах щелочей, кислот, расплавов солей и т.д.) также имеет место коррозионно-механическое изнашивание, причем взаимодействие металла со средой представляет собой процесс электрохимической коррозии. В этом случае одновременно происходят два процесса: анодный, т.е. окислительный, сопровождающийся растворением металла на одних участках площади контакта сопряженных тел с переходом атомов металла в раствор в виде ионов, и катодный, т.е. восстановительный, при котором на других участках металла кислород и другие окислители восстанавливаются. Растворение металла сопровождается протеканием электрического тока.

Окислительно-восстановительные процессы при электрохимической коррозии обусловлены неоднородностью металлов, контактирующих с электролитом. Так, сплавы состоят из двух или более структурных составляющих, на одной из которых может реализоваться анодный, а на другой — катодный процесс, однородные металлы не свободны от различных включений и от неоднородностей структуры, различные участки таких металлов могут иметь разное напряженное состояние и разную температуру. Наконец, электрохимическая коррозия может иметь место вследствие различия материалов трущихся тел. Так, электрохимической коррозии подвергаются чугунные гильзы и поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания, так как образуют между собой гальваническую пару. Кроме того, отдельные структурные составляющие чугуна (например, цементит и феррит) образуют между собой в различных сочетаниях гальванические пары. Электролитом служат продукты неполного сгорания топлива, образующие с парами воды, попавшей в камеру сгорания вместе с топливом, неорганические кислоты: серную (при сжигании в дизелях топлива с повышенным содержанием серы), угольную, азотную и т.д. Интенсивность коррозионно-механического изнашивания при одновременно протекающей электрохимической коррозии и механическом разрушении ее продуктов может быть достаточно высока.

Окислительное изнашивание — один из наиболее распространенных видов коррозионно-механического изнашивания, который проявляется в образовании на поверхностях трения пленок оксидов в результате химического взаимодействия металла с окислительной средой и разрушения окисных пленок в результате процесса изнашивания. При установившемся стационарном процессе окислительного изнашивания, т.е. при динамическом равновесии разрушения и восстановлении оксидных пленок, продукты износа представляют собой оксиды, так что повреждения основного металла не наблюдается. В таких условиях интенсивность изнашивания невелика, но в определенных условиях, например в среде жидкого кислорода, она может быть значительной. Интенсивное окислительное изнашивание наблюдается также при повышенных температурах (что способствует росту оксидных пленок) и вибрациях (разрушение этих пленок). Такое изнашивание имеет место, например, в деталях крепления выхлопных коллекторов авиационных двигателей внутреннего сгорания. Следует иметь в виду, что при окислительном изнашивании одновременно и взаимосвязанно происходят деформирование тончайших поверхностных слоев и их механическая активация, адсорбция кислорода на активированных поверхностях трения и химическая реакция с образованием оксидов, так что толщина и состав оксидов зависят от условий изнашивания. Так, при умеренном режиме граничной смазки, когда с металлом реагирует ограниченное количество кислорода, растворенного в смазочном материале, образуется однородная ненасыщенная оксидная пленка, прочно связанная с основным металлом и имеющая толщину 10-100 нм. Такие пленки имеют повышенную твердость и хрупкость, плохо травятся и представляют собой особые твердые растворы кислорода и эвтектик оксидов. Эти аморфизированные нетравящиеся пленки не удовлетворяют стехиометрическому составу оксидов. При сухом трении обычно образуются более толстые и насыщенные пленки оксидов, близких по составу и свойствам к известным оксидам металла. Так, в зависимости от условий трения и прежде всего от температуры на железе образуются пленки, содержащие РеО, Ре304, Ре203. Следует иметь в виду, что, поскольку окисление поверхностей активируется их пластическим деформированием при трении, увеличение твердости рабочих элементов трущихся тел препятствует окислительному изнашиванию.

Фреттинг-коррозия — это изнашивание плотно контактирующих тел при их колебательном относительном перемещении в условиях воздействия коррозионной среды. Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при малых колебательных перемещениях. Это особая форма изнашивания и по условиям возникновения и характеру проявления заметно отличается от обычного коррозионно-механического изнашивания при однонаправленном движении. Вследствие малой амплитуды колебаний продукты износа полностью не удаляются из зоны трения и оказывают определенное абразивное воздействие на основной металл, что может привести к заклиниванию сопряжений. При этом повреждения локализуются на участках действительного контакта. Эти повреждения имеют вид натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных продуктами коррозии, со специфической окраской и имеющих вид окрашенных пятен, участков локального износа в виде полос или канавок, а также поверхностных микротрещин.

Специфический характер изнашивания при фреттинг-коррозии проявляется также в том, что окислительная среда интенсифицирует процесс изнашивания, окисление при этом протекает интенсивно и продукты изнашивания в основном представляют собой диспергированные оксиды трущихся металлов. Такой характер окислительного процесса, при котором интенсивное окисление не приводит, однако, к образованию защитных пленок, Б.И. Костецкий связывает с динамическим характером нагружения узла трения и называет динамическим окислением. Фреттинг-коррозия приводит к значительному ухудшению качества поверхностей и заметно (в 3-6 раз) снижает усталостную прочность деталей (вследствие образования концентраторов напряжений), снижает размерную точность сопряжений.

Фреттинг-коррозия обычно развивается при прессовых посадках на вращающихся валах, в местах посадки лопаток турбин, в шпоночных шлицевых и заклепочных соединениях, в болтовых и заклепочных соединениях, подверженных вибрации, в подшипниках качения, передающих нагрузку в условиях отсутствия качения, и т.д., т.е. в тех случаях, когда имеют место микроколебания и окислительная среда.

Рис. 1. Зависимость объемного износа Иv при фреттинг-коррозии от амплитуды скольжения a поверхностей из низкоуглеродистой стали по дюралюминию при нагрузке N = 190Н и числе циклов нагружения nц = 106.

Согласно Р.Б. Уотерхаузу, для развития фреттинг-коррозии достаточно, чтобы амплитуда колебаний достигала долей микрометров. Увеличение амплитуды приводит к росту объемного изнашивания (рис. 1). При достижении амплитуды 2,5 мм и более изнашивание приобретает характер обычного окислительного при однонаправленном скольжении. Зависимость износа от удельной нагрузки имеет экстремальный характер (рис. 2). Левая ветвь зависимости отражает обычные для фреттинг-коррозии коррозионно-усталостные процессы, когда поступление кислорода воздуха в контакт не затруднено. В правой части кривой износ снижается, поскольку характер изнашивания меняется, в частности интенсифицируются адгезионные процессы, в этих условиях не приводящие к значительному износу. Увеличение частоты колебаний снижает износ при фреттинг-коррозии до определенной установившейся величины, после чего износ стабилизируется. В атмосфере азота износ от частоты колебаний не зависит.

Рис. 2. Типичная зависимость износа при фреттинг-коррозии от номинального давления Pa.

Защита от фреттинг-коррозии — применение коррозионно-стойких материалов в узлах трения, подвергаемых этому виду изнашивания, введение в них смазочных материалов, прежде всего пластичных. Весьма эффективно при этом использование смазок или покрытий, содержащих графит или дисульфид молибдена, а также коррозионно-стойких покрытий, например из фторопласта. К конструктивным путям борьбы с фреттинг-коррозией относится стремление уменьшить колебательное перемещение сопряженных поверхностей путем увеличения натяга для случая прессовых посадок, использования демпфирующих устройств для уменьшения вибраций и т.д.

Литература

Коррозийно-механическое изнашивание оборудования

Коррозионно-механическое изнашивание цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания

Коррозия подшипников

Изнашивание рубашек валов

Изнашивание центробежных водяных насосов

Изнашивание деталей оборудования пищевой промышленности

Геометрия поверхности как функция процесса обработки

Высота неровностей в зависимое от скорости резанья стали

Список литературы

Коррозионно-механическое изнашивание цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания

Поршневые кольца и цилиндровые втулки (гильзы) двигателей, изготовленные из литейных чугунов, при наличии электролита образуют гальванические пары как друг с другом, так и между структурными составляющими чугуна — перлитом, графитом, фосфидной эвтектикой, а внутри перлита между цементитом и ферритом. Кроме того, вследствие неравномерности температуры образуются анодные участки в областях с более высокой температурой. Точно так же анодный участок появляется в областях с более интенсивным облучением.

Сжигание в цилиндрах дизелей топлив с повышенным содержанием серы увеличивает интенсивность изнашивания поршневых колец и цилиндровых втулок в 3…4 раза и более. Сера сгорает, образуя S02 , и только около 7% ее идет на образование S03 в результате каталитического окисления S02 . Серный ангидрид SO4 с водяными парами продуктов сгорания образует серную кислоту. Влияние серы на коррозию связано с явлением конденсации H2 S04 . Температура конденсации двухкомпонентной смеси Н3 0 и H2 SO4 значительно выше, чем температура конденсации чистого водяного пара, поэтому в конденсат начинает выпадать концентрированная серная кислота. Для конденсации серной кислоты из продуктов сгорания на стенки цилиндра необходимо, чтобы температура точки росы двухкомпонентной смеси Н2 0 и H2 SO4 превышала температуру рабочей поверхности втулки. Такие условия существуют. Так, при содержании в дизельном топливе 0,9% S, давлении вспышки 6 МПа и коэффициенте избытка воздуха 2 температура точки росы смеси при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) составляет 245°С, а в среднем положении поршня 215°С. Между тем в ряде судовых двухтактных дизелей температура стенки цилиндровой втулки при положении поршня в ВМТ 130…140°С В таких двигателях можно ожидать примерно одинакового износа на всей верхней рабочей половине втулки. При более высокой тепловой нагрузке, когда температура рабочей поверхности в верхней части втулки превышает 200°С, наибольшему коррозионному воздействию будет подвергаться средняя часть втулки — район выпускных и продувочных окон. Эпюра износа будет иметь бочкообразный характер.

Некоторого снижения интенсивности изнашивания можно достигнуть повышением температуры стенок за счет регулирования количества охлаждающей воды, но кардинальным решением является нейтрализация выпавших на стенки кислот с помощью щелочных добавок в смазочное масло. Имеется ряд эмульсионных цилиндровых масел, снижающих интенсивность изнашивания цилиндро-поршневой группы при работе двигателя на сернистом топливе, но применение некоторых из них сопровождается повышением корродирующей способности картерного масла по отношению к антифрикционному металлу подшипников вследствие попадания в картер цилиндрового масла.

Коррозионные процессы между неподвижными поверхностями изучать легче, чем между подвижными поверхностями, где процессы трения осложняются явлением коррозии и порой могут привести к неожиданным результатам. Известно, например, что хром благороднее чугуна, хотя это может быть не во всех случаях. Ван-дер-Хорст испытывал двухцилиндровый двухтактный с прямоточной продувкой дизель с диаметром цилиндра 190 мм, мощностью 74 кВт на топливе, содержащем 2,5% серы, смазочное масло дистиллатное, конечная температура охлаждающей воды 65°С, цилиндр с хромовым покрытием, поршневые кольца чугунные. Поршень электрически изолирован от штока, поршень и цилиндр присоединены к катодному осциллографу .

После работы двигателя в течение 30 мин на холостом ходу наблюдалась незначительная разность потенциалов. Это означало, что в пространстве между цилиндром и поршневыми кольцами не было электролита и непосредственного контакта. При работе двигателя под нагрузкой 54 кВт в течение 40 мин потенциал цилиндра был на 300 мВ положительное потенциала поршня, что объясняется присутствием между поверхностями трения электролита высокой электрической проводимости и пребыванием хрома в состоянии пассивности. Еще через 15 мин началось разблагораживание электродного потенциала цилиндра при положении поршня в ВМТ. Через 1 ч установилось состояние, сохранившееся стабильным до конца 40-часового испытания, а именно: верхняя часть поверхности цилиндра высотой около 60 мм обладала потенциалом на 40 мВ отрицательнее потенциала поршня; потенциал следующих 60 мм высоты оказался положительное потенциала поршня; в нижней части цилиндра не наблюдалось сколько-нибудь существенной разницы потенциалов.

Коррозионный фактор может стать составной частью процесса изнашивания двигателей внутреннего сгорания, независимо от рабочего процесса в них. Так, при сгорании бензина помимо водяных паров образуются двуокись углерода, небольшое количество окислов серы из органических сернистых соединений в составе топлива, окись азота в весьма малых количествах (результат окисления азота при высокой температуре сгорания рабочей смеси) и соединения брома или хлора, выделяемого из тетраэтил свинца, входящего в состав топлива в качестве антидетонатора. В итоге взаимодействия с водяными парами эти продукты образуют кислоты — угольную, сернистую, серную, азотистую и азотную, бромистоводородную, соляную, которые в основном выносятся из цилиндра с отработавшими газами. При пониженной температуре стенок цилиндра кислоты легко конденсируются, повышая интенсивность изнашивания стенок и поршневых колец, коррозию поршня, бобышек и поршневого пальца. Испытания двигателя без регулирования температуры в системе охлаждения и такого же двигателя с термостатом показали, что износ деталей второго двигателя составлял 1/3…1/4 износа первого.

На поверхностях трения зеркала цилиндров двигателей внутреннего сгорания может и не наблюдаться каких-либо специфических признаков коррозионно-механического изнашивания, поверхности трения могут иметь блеск и малую шероховатость.

Коррозия подшипников

Проблема коррозии подшипников возникла после внедрения в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов. Все антифрикционные сплавы в какой-то мере корродируют под воздействием органических кислот, содержащихся в маслах или образующихся в них во время работы. Масла, окисляясь, дают перекиси, которые вызывают реакции, заканчивающиеся образованием органических кислот. Воздействию последних слабо подвержены оловянные баббиты, сильнее реагируют свинцово-мышьяковистые сплавы и свинцовый баббит. По данным Б.В. Лосикова, коррозионная стойкость медно-свинцовых, свинцово-щелочных и кадмиево-серебряных сплавов в 500. Л700 раз ниже, чем оловянных баббитов .

Процесс разрушения медно-свинцовых сплавов имеет следующие стадии: появление черных точек, концентрация их на отдельных участках поверхности, образование мелких каверн с пористой поверхностью, появление трещин между отдельными кавернами и выкрашивание кусков заливки по этим трещинам. Последовательное разрушение свинцово-щелочного сплава происходит следующим образом: вначале на гладкой блестящей поверхности появляются матовые шероховатые на ощупь пятна, представляющие собой скопления тончайших каналов, уходящих в глубь заливки на всю ее толщину; образование раковин в местах пятен; появление трещин между раковинами и выкрашивание заливки по линии трещин.

Органические кислоты со свинцом образуют свинцовые мыла, которые уносятся протекающим маслом; вымывание свинцовой составляющей сплава резко ослабляет его механическую прочность.

Сечение поврежденной коррозией поверхности подшипника из свинцовистой бронзы, хЗО

Характерно, что в то время, как на нагруженной стороне подшипников вкладыши подвергаются интенсивному разрушению, вкладыши ненагруженной стороны очень медленно или вовсе не разрушаются. Таким образом, нагруженние вкладыша значительно ускоряет процесс разрушения.

Проблема защиты от коррозии свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов была решена при использовании антикоррозионных присадок к маслу. Эти присадки представляют собой органические вещества, содержащие серу и фосфор.

Пассивизация поверхности подшипника происходит в результате образования на ней защитной пленки, ближайшие к металлу слои которой связаны с ним химически, а последующие слои удерживаются силами физической адсорбции.

Пленка срабатывается и восстанавливается. Б.В. Лосиков установил, что для каждой пары сплав — присадка существует определенный температурный интервал, в котором присадка наиболее эффективна. Для большинства применяемых присадок он составляет 80…120°С. При более низкой температуре коррозионный процесс опережает образование пленки, а при более высокой температуре усиливается диффузия через пленку агрессивных ингредиентов масла .

Другой вид коррозии медно-свинцовых подшипников, заключающийся в разъединении медного каркаса, обязан накоплению в картерном масле кислот вследствие конденсации отработавших газов из цилиндра.

Изнашивание рубашек валов

Гребные валы в неметаллических подшипниках дейдвудов и кронштейнов, смазываемые водой, для защиты от коррозии покрывают рубашками в основном из бронзы или латуни. Опыт эксплуатации морских судов показал, что алюминиевые бронзы и марганцовисто-железистые латуни непригодны в качестве материала для облицовки. Эти сплавы коррозионно-стойки в морской воде благодаря защитному действию первоначально образующихся поверхностных пленок, предохраняющих металл от дальнейшего разрушения. На поверхностях трения эти пленки изнашиваются, и коррозионная стойкость падает. Особенно быстро разрушаются такие компоненты как алюминий и железо. Из уже ослабленных участков выкрашиваются более стойкие составляющие. В дальнейшем разъединение облицовки приводит к интенсивному изнашиванию рабочей поверхности подшипника .

Изнашивание центробежных водяных насосов

Центробежные водяные насосы перекачивают морскую, речную, прудовую (или из скважин) воду с различным содержанием солей и взвешенных частиц. В ходе технологического процесса на предприятиях пищевой, химической и иных отраслей промышленности насосы перекачивают как кислые, так и щелочные воды. Для защиты от коррозии валы центробежных водяных насосов облицовывают рубашками (защитными втулками) из бронзы, стали или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой. Если материал защитных втулок не способен образовать прочные пленки, то изнашивание будет коррозионно-механическим, а интенсивность его при прочих равных условиях зависит от агрессивности перекачиваемых вод. Об интенсивности изнашивания втулок можно судить по данным Н.А. Сологуба. На центробежных насосах низкого давления при перекачке прудовой воды средний износ защитных втулок из серых перлитного и перлито-ферритного чугунов и из сталей Ст2и СтЗ составлял 0,019-0,044 мкм на 1000 м пути при скорости скольжения 3,38…4,13 м /с, что за 160 сут. работы в отдельных случаях давало максимальный износ 2,3 мм с каждой стороны. При транспортировании жомовых вод на сахарных заводах средний износ втулок составлял уже 0,23…0,26 мкм на 1000 м пути скольжения.

Изнашивание деталей оборудования пищевой промышленности

Особой разновидности коррозионно-механического изнашивания подвержены рабочие органы машин по переработке сырья, содержащего жирные кислоты. К таким машинам относятся, например, шнек-прессы для производства растительного масла, машины для резки, дробления, размалывания и перемешивания сырья на мясокомбинатах. На эту разновидность изнашивания впервые обратил внимание Г.А. Прейс .

Жирные кислоты являются поверхностно-активными веществами из них олеиновая и стеариновая, входящие в большом количестве в состав растительных масел и животных жиров, проявляют высокую активность. Действие поверхностно-активных веществ в свете эффекта Ребиндера рассматривалось в гл.2. Адсорбируясь и проникая в микро- и субмикротрещины металлической поверхности, в особенности при наличии в ней растягивающих напряжений, поверхностно-активные вещества размягчают поверхность, облегчают пластическое течение в тончайшем поверхностном слое; дело может дойти до сильного разупрочнения и разрывов под действием сил трения. Это дополняется коррозионным действием кислот.

Исследование деталей шнек-прессов, использовавшихся для получения из подсолнечных семян масла, показало, что рабочие поверхности деталей, соприкасающиеся только с мезгой и маслом, становятся полированными, хотя их износ значителен. Шероховатость поверхностей понижается с R? = 20…10 мкм до Ra -0,32…0,16 мкм. Изнашивание протекает в виде диспергирования.

Эти примеры можно дополнить другими, взяв оборудование торфодобывающей, угольной, химической промышленности и др.

Геометрия поверхности как функция процесса обработки

Шероховатость обработанной поверхности обусловлена не только геометрией процесса резания, но и пластическими деформациями материала при этом процессе и вибрацией инструмента. Для пояснения обратимся к анализу процесса точения пластичных материалов с точки зрения качества формируемой поверхности.

При скоростях резания 1…2 м/мин углеродистых конструкционных сталей образуется стружка скалывания (элементная стружка). Она легко отделяется при малом тепловыделении и без заметной пластической деформации обработанной поверхности. Микронеровности незначительны, а форма их впадин близка к форме вершины резца. При увеличении скорости резания до 20…30 м/мин изменяется характер стружкообразования и шероховатость поверхности возрастает. Рост скорости резания сопровождается повышением температуры в зоне резания и значительным давлением (несколько тысяч гигапаскалей). Это давление вызывает пластическое течение как в отделяемом металле, так и в заготовке выше и ниже линии среза (рис.1.11).

Рис.1.11 Образование деформированного слоя при резании пластичного металла: 1-основная структура обрабатываемого металла; 2-зона пластической деформации; 3-стружка; 4 — пластически деформированный, поверхностный; слой; 5 – инструмент.

Высота неровностей в зависимое от скорости резанья стали

Стружка обтекает вершину резца; при этом наиболее удаленный от резца слой стружки имеет скорость, близкую к скорости резания, а слой, непосредственно соприкасающийся с передней гранью, подвержен сильному тормозящему действию сил трения. В итоге наиболее близкие к передней грани резца слои прилипают к ней, образуя застойную зону или нарост на лезвии инструмента. Металл начинает течь по наросту.

В процессе резания к наросту привариваются новые слои, пока он не достигнет максимально возможных размеров в данных условиях. Вершина нароста, выступая впереди лезвия инструмента, режет металл, оставляя глубокие борозды на обрабатываемой поверхности, а в бороздах следы весьма неровной кромки.

Время от времени вершина нароста обламывается и уносится частично со стружкой, а частично вдавливается в обработанную поверхность, увеличивая ее шероховатость. Процесс образования нароста повторяется. Нарост имеет наибольшую высоту и наибольшую стойкость при температуре около 200°С. В этой области конструкционные стали имеют наибольший предел прочности. Возрастание скорости резания выше 20 м/мин приводит к увеличению выделяемой в процессе стружкообразованием теплоты и к росту температуры нароста. Прочность нароста снижается и он разрушается при меньшей высоте. При скорости резания более 80 м/мин нарост не образуется (рис.1.12).

Отсутствие нароста при резании не означает, однако, что действительный профиль обработанной поверхности даже при отсутствии вибраций будет совпадать с теоретическим. Пластическое течение материала в зоне резания вызывает дополнительное увеличение высот неровностей. Кроме того, перемещение задней грани инструмента по свежеобразовавшейся поверхности, не успевшей покрыться слоем окислов, сопровождается мельчайшими задирами, играющими существенную роль в образовании дополнительных неровностей.

При обработке чугуна и других хрупких материалов образуется стружка надлома, элементы которой могут скалываться либо по линии среза, либо по границам зерен. При малой скорости резания зерна не подрезаются, а вырываются, и впадины неровностей располагаются под линией среза. При высоких скоростях резания зерна не вырываются, неровности образуются преимущественно режущим лезвием инструмента, и шероховатость обработанной поверхности снижается.

Процесс образования неровностей на обрабатываемой поверхности при торцовом фрезеровании в значительной мере аналогичен образованию неровностей при точении. При цилиндрическом фрезеровании как по направлению, так и против направления подачи образуются неровности с шагом, равным подаче на один зуб фрезы; продольная шероховатость обычно больше поперечной. На высоту неровностей влияет также неточное расположение режущих кромок различных зубьев фрезы по радиусу, эксцентричность осей фрезы и оправки и неточность станка.

Рассмотрим для примера наружное круглое шлифование. Специфические особенности шлифования следующие: отсутствует сплошная режущая кромка; зерна абразива имеют неправильную геометрическую форму и расположены беспорядочно на рабочей поверхности шлифовального круга; зерна абразива хрупкие и способны разрушаться по плоскостям спайности при динамическом воздействии абразивного зерна на обрабатываемый поверхностный слой и наличии интенсивного скольжения зерен по металлу за время, предшествующее непосредственному их врезанию.

При первом рабочем обороте шлифовального круга абразивные зерна прорезают канавки в некотором продольном сечении заготовки. При следующем обороте в том же сечении они делают новые канавки, а также выравнивают и уменьшают высоту первых неровностей. Постепенно число канавок возрастает, размеры не срезанных участков уменьшаются, а вместе с ними снижается и шероховатость поверхности. С увеличением частоты вращения круга возрастает эффект выравнивания неровностей. На размеры неровностей существенно влияет продольная подача при правке круга алмазным карандашом, вытачивающим на периферии круга канавку хода, равного подаче алмаза за один оборот круга. Неровности увеличиваются при возрастании подачи. Неровности шлифованной поверхности не имеют регулярного шага.

Большинство абразивных зерен шлифовального круга имеют неблагоприятную для резания форму граней. Расщепление зерен и округление их граней в процессе работы еще более ухудшают геометрию. Поэтому шлифование протекает при более высоком давлении, чем при любом другом методе обработки металлов резанием. Значительные силы трения в процессе шлифования, скольжение зерна по обрабатываемой

поверхности в момент его врезания и высокие скорости резания вызывают мгновенное локальное повышение температуры и сложное пластическое деформирование поверхностных слоев. Сильно деформированные слои вытягиваются в направлении резания, образуя местные скопления металла. Возможно местное оплавление поверхности в случае работы отдельных зерен или группы их, имеющих невыгодную геометрию резания. Профиль рисок из-за высокой пластической деформации шлифуемой поверхности не имеет четких очертаний, как это было бы, если бы риски точно копировали форму абразивных зерен и траекторию их движения относительно обрабатываемой поверхности.

Имеются попытки представить профиль неровностей поверхности аналитически, в виде суммы двух компонент, первая из которых является систематической и определяется управляемыми факторами процесса обработки, а вторая — случайной и вызывается нерегулярными воздействиями на процесс образования поверхности .

При механической обработке деталей в их поверхностных слоях происходят изменения механических свойств и структуры металла под давлением режущего инструмента и под влиянием выделяющейся при резании теплоты. Кроме того, при резании, как при термической и термохимической обработке металлов и нанесении новых слоев (гальванические покрытия, металлизация напылением, наплавка) в деталях развиваются остаточные напряжения.

Список литературы

1. Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2-х кн. /Под ред.А.И. Крагельского, В.В. Алисина. — М.: Машиностроение, 1978. — 400 с. и 358с.

2. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техшка, 1970. — 396 с.

Коррозионное изнашивание

Виды коррозии. Коррозия — это постепенное физико-химическое разрушение металла под воздействием окружающей среды. Ей подвержены все конструкционные металлические материалы. В зависимости от вида различают общую (сплошную) и местную коррозию. Общая коррозия имеет место, когда разрушению подвергается вся поверхность детали. Местная коррозия имеет место, если разрушению подвергаются отдельные участки поверхности. Местные виды коррозии более опасны, чем общая коррозия.

По механизму протекания различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия. Химическая коррозия — это процесс разрушения металла вследствие химического взаимодействия его с сухими газами и жидкостями, которые не являются электролитами (бензин, масла, смолы).

В результате разрушения поверхность металла покрывается окисной пленкой. Рост пленки по толщине зависит от возможности проникновения через нее коррозионных агентов. У ряда металлов и сплавов окисная пленка обладает способностью тормозить дальнейшее окисление материала. У других пленка разрушается в процессе роста, что проявляется в ее вспучивании, шелушении, растрескивании и отслаивании.

Газовая коррозия — это коррозия металлов при полном отсутствии конденсации влаги на поверхности детали. Интенсивность газовой коррозии зависит от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам относятся состав и структура сплава. Для повышения коррозионной стойкости сплавы легируют хромом, алюминием, кремнием, которые создают прочную и стойкую окисную пленку.

Защита от химической коррозии. Наибольшее применение получили следующие способы борьбы с химической коррозией:

— Окрашивание металлических конструкций и машин, подвергающихся атмосферному воздействию. Это основной метод защиты от коррозии наружных поверхностей корпусных деталей и металлоконструкций.

— Применение коррозионно-стойких сплавов, например, легированных сталей, способных образовывать стойкие защитные пленки из продуктов коррозии.

— Создание защитной пленки травлением детали (оксидирование) или анодной обработкой (анодирование). Эти способы широко применяют для защиты деталей из стали, алюминиевых и магниевых сплавов.

— Нанесение защитных покрытий.

Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия — это процесс разрушения металлического материала в электролите при прохождении электрического тока. Механизм разрушения состоит в переходе металла в раствор. Скорость этого перехода зависит от положения металла в ряду напряжений металлов относительно среднего положения, которое занимает водород. Металлы, стоящие ниже среднего положения, являются электроотрицательными, а выше — электроположительными. Чем ниже потенциал металла, тем интенсивнее он разрушается.

На процесс электрохимической коррозии влияют внутренние и внешние факторы. Внутренними факторами являются:

— состав и структура металла — чем неоднороднее металл, тем интенсивнее коррозия;

— напряжения в металле — чем выше внутренние напряжения в металле, тем интенсивнее он разрушается, так как механические напряжения повышают потенциал металла.

К внешним факторам относятся концентрация, температура и скорость движения электролита, при повышении которых интенсивность коррозии возрастает.

Защита от электрохимической коррозии. Для противостояния электрохимической коррозии применяются методы пассивной и активной защиты.

Активная защита от электрохимической коррозии осуществляется двумя методами:

Защита с помощью протекторов — анодов, изготовленных из материалов с более низким потенциалом, чем защищаемое изделие (цинка, магния, алюминия и их сплавов), которые поэтому разрушаются. Протекторы устанавливаются или непосредственно на изделии или соединяются с ним через электрическое сопротивление с целью ограничения силы тока в гальванической паре и, следовательно, регулирования интенсивности разрушения протектора.

Катодная защита — наложением извне электрического тока. Для защиты используется источник постоянного тока, отрицательный полюс которого соединяется с защищаемым изделием, а положительный — с дополнительной деталью (анодом), которая, разрушаясь, защищает тем самым основное изделие.

Коррозионно-механическое изнашивание, коррозия, кавитационное и эрозионное изнашивание

Коррозия. Коррозией называют разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой.

Чистая металлическая поверхность легко подвергается химическому воздействию среды. Однако, если в процессе начавшейся коррозии продукты ее образуют прочно связанную с металлом пленку, изолирующую поверхность от коррозионной среды, то металл приобретает пассивность по отношению к ней. Процесс искусственного образования тонких оксидных пленок на поверхности металла для защиты его от коррозии и придания изделию лучшего вида называют пассивированием. Способностью к пассивированию обладают железо, никель, хром, алюминий и другие металлы.

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами, сухими парами и жидкими неэлектролитами. Остановимся на газовой коррозии. Этому виду коррозии подвержены цилиндры двигателей внутреннего сгорания, выпускные клапаны, камеры сгорания газовых турбин, элементы паровых котлов и пароперегревателей, арматура печей и т.п.

Газовая коррозия наиболее часто происходит вследствие окисления металла при высоких температурах за счет кислорода воздуха или СОг и О2 в продуктах сгорания топлива.

На поверхности углеродистой стали газовая коррозия проявляется в виде пленок оксидов уже при температуре 200—300 °С. С повышением температуры примерно до 600 °С в связи с образованием под действием внутренних напряжений трещин в защитной пленке скорость коррозии возрастает.

При дальнейшем повышении температуры скорость коррозии резко увеличивается и образуется окалина.

Электрохимическая коррозия протекает при действии на металлы жидких электролитов, например, разрушение гребного винта в морской воде при отсутствии протекторной защиты. Электрохимическая коррозия обусловлена неоднородностью металла в контакте с электролитом. Эта неоднородность проявляется в различных формах. Неоднородность сплавов связана с тем, что они состоят из двух и более структурных составляющих. Неоднородное физическое состояние металла обусловлено различием между зерном и его границей, неоднородностью структуры (ликвация, газовые пузыри и неметаллические включения). Различное напряженное состояние смежных участков детали под нагрузкой изменяет физическое состояние даже однородного металла. Различие в концентрации раствора электролита, смачивающего металл, и неодинаковые условия подвода кислорода к разным участкам поверхности — это иная категория неоднородности состояния; к ней можно отнести и неодинаковую температуру участков поверхности.

В некоторых машинах наблюдается щелевая коррозия, при которой коррозионные повреждения сосредоточены в зазорах между поверхностями. Это могут быть щели между листами, зазоры в сопряжениях и стыках, трещины в металле, а также щели между осевшими или прилипшими к поверхности посторонними веществами. В среде электролита щелевая коррозия связана с различной концентрацией металлических ионов внутри и вне щели, а в среде воздуха — с неравномерной аэрацией. Малодоступные для кислорода или электролита участки поверхности металла в зазоре или щели становятся анодом по отношению к остальной поверхности.

Коррозионно-стойкие стали, титан в кислотной среде и алюминий подвержены щелевой коррозии. Она возможна в сопряжениях втулка — корпус, упорных подшипниках, подшипниках качения при неустойчивом контакте, открытых шарнирных сочленениях, в некоторых электромагнитных устройствах и др.

Пыль, даже химически неактивная, оседая на незащищенную металлическую поверхность или находясь под слоем смазочного материала, вызывает коррозию. Это объясняется тем, что к местам, покрытым пылью, затруднен доступ воздуха и ухудшается взаимодействие смазочного материала с металлом. Пыль поверх смазочного материала подобного эффекта не производит.

Газовая коррозия, как и электрохимическая, не является видом изнашивания. Коррозия может проявляться при кавитационном разрушении и фреттинг-коррозии, во многих случаях протекает параллельно с эрозией, всегда облегчает ее и сопровождает процесс трения, в особенности трения без смазочного материала, существенно влияя на износ рабочих поверхностей деталей.

Коррозия рабочих поверхностей деталей неработающих машин снижает износостойкость пар трения по следующим причинам: у неработающих пар ухудшается качество поверхности и после пуска машины снова начинается приработка; продукты коррозии действуют как абразив; срабатывание продуктов коррозии, происходящее за малое время, сопряжено с быстрым изменением линейных размеров детали в неблагоприятную сторону. У неработающих электрических машин, установленных в местах с повышенной влажностью, угольнографитовая щетка, коллектор или контактное кольцо и влажный воздух между ними образуют гальванический элемент, замыкаемый по тому или иному пути тока соответственно конструкции машины. В итоге на коллекторах и контактных кольцах образуются матовые пятна, под щеткой появляются оксиды. При работе машины пятна вызывают искрение щеток, шероховатость мест пятнообразования возрастает, что усиливает искрение щеток.

Даже небольшая коррозия на контактирующих металлических поверхностях (сталь ШХ15), работающих в условиях трения качения и высоких нагрузок, как и насыщение смазочного материала влагой, сильно снижает предел контактной выносливости поверхностей.

При атмосферной коррозии происходит интенсивное наводорожи- вание стальных деталей. У стали, насыщенной водородом, резко снижается сопротивление механическим нагрузкам и износостойкость. Интенсивность наводороживания при атмосферной коррозии зависит от влажности и загрязненности воздуха промышленными газами, например H2S.

При работе подвижных деталей машин коррозионные процессы наблюдаются часто, особенно при окислительном изнашивании и фреттинг-коррозии. При таких видах изнашивания неизбежны на- водороживание поверхностей, образование микротрещин, резкое снижение сопротивления усталости и уменьшение сроков службы узлов трения.

Кавитационное изнашивание. Кавитация дословно означает полость, пустота. Под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости полостей в виде пузырей, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препятствий на его пути давление может упасть до значения, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и в образовавшиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока.

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 6 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. По данным В.Я. Карелина, при определенных типах кавитации на площади в 1 см2 в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн кавитационных пузырьков .

Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромониторах, в потоках, обтекающих лопатки центробежных и пропеллерных насосов, лопасти гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным повреждениям.

Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов, вызывая непосредственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Она способствует закоксовыванию распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания.

Труднообтекаемая форма и неровности поверхностей, включая неровности, образовавшиеся по причине кавитационного изнашивания, служат причиной образования вихрей и отставания струй от стенок рабочих каналов, что способствует возникновению или усилению кавитации.

Предпосылки для наступления и протекания кавитационного изнашивания следующие. При замыкании до полного исчезновения парогазовых пузырей у поверхности детали последняя подвергается микроскопическим гидравлическим ударам (рис. 4.7). Из нескольких миллионов образовавшихся кавитационных пузырьков примерно один из 30 тыс. участвует в разрушении. Под действием ударов поверхность металла начинает деформироваться и подвергаться наклепу; появляются линии сдвига и происходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен. Многократно повторяющиеся удары вызывают разупрочнение и перенаклеп материала на отдельных микроучастках, сопровождающиеся возникновением очагов разрушения в виде трещин. Разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях — феррит, в чугунах — графитовые включения). Затем может последовать выкрашивание и более прочных составляющих. Разрушение развивается в пределах зерен или по их границам в зависимости от соотношения прочности зерен и связи между ними.

Рис. 4.7. Схемы гидравлических ударов при сокращении кавитационного пузыря

Коррозия играет существенную роль в процессе кавитационного изнашивания. Например, в морской воде интенсивность изнашивания намного выше, чем в пресной при прочих равных условиях. Однако механическим воздействиям принадлежит основная роль, о чем свидетельствует низкая кавитационная стойкость лакокрасочных, цинковых и алюминиевых покрытий, имеющих малую механическую прочность, эбонита и плексигласа, являющихся коррозионно-стойкими неметаллическими материалами. Скорость кавитационного изнашивания может быть в сотни раз и более выше скорости коррозионного разрушения поверхностного слоя.

Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования. Однако возможность кавитации всегда следует учитывать.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от температуры, свойств жидкости и материала деталей. Влияние вязкости незначительно. С увеличением поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Введение в воду веществ, образующих и способствующих образованию эмульсий (масла и эмульгаторы), понижает поверхностное натяжение жидкости и снижает кавитационное изнашивание. Наибольшая интенсивность изнашивания наблюдается в воде с температурой 50 °С.

Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в углеродистой стали увеличивает ее стойкость. Однако при содержании углерода 0,8% и более она начинает падать. Пластинчатый перлит более стоек, чем зернистый. Введение никеля и хрома в сталь повышает ее стойкость за счет снижения количества феррита, увеличения степени дисперсности и др. Шаровидная форма графита благоприятна. Наиболее стойким является низколегированный чугун (1% Ni, 0,3% Мо) с шаровидным графитом.

Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение, в том числе твердые наплавки, сообщают стали значительную кавитационную стойкость. То же относится к хромовому покрытию при достаточной его толщине (около 40 мкм) и сплошности (молочный хром). При малой толщине (менее 20 мкм) разрушение происходит под слоем хрома; существенную роль играет прочность основания. Латунь благодаря своей вязкости стойка к кавитационному изнашиванию. Сравнительно хорошей кавитационной стойкостью обладает резиновое покрытие.

Вибрационная кавитация. При колебании твердого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела давление в жидкости на границе раздела жидкости и твердого тела может уменьшиться и вызвать образование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздухом. Вибрационную кавитацию могут вызвать звуковые колебания, особенно ультразвуковые. Звуковые волны ускоряют окислительно-восстановительные реакции, вызывают внутримолекулярные перегруппировки веществ, усиливают диспергирование, ускоряют процессы мойки и обезжиривания поверхностей и вызывают коагуляцию мелких частиц. При вибрации не исключается кавитация в тонком смазочном слое между поверхностями, которая может привести к выкрашиванию материала подшипников скольжения, зубьев колес и поверхностей других деталей.

Вибрационная кавитация проявляется в двигателях внутреннего сгорания, особенно на наружных поверхностях гильз вследствие их колебаний от ударов поршня. Износ от кавитации наружной поверхности гильзы может быть в 3—4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от действия поршневых колец.

Рис. 4.8. Гильза дизеля, изношенная кавитацией

На рисунке 4.8 показана наружная поверхность гильзы двигателя, изношенная на глубину до 5 мм за 500 ч работы. Колебания, возбуждаемые гильзой, передаются жидкостью на противоположную стенку блока двигателя и вызывают кавитационные повреждения. Большую опасность представляет кавитационное разрушение опорных поясков гильз и блока цилиндров, что приводит к проникновению охлаждающей жидкости в полость цилиндра и в картер двигателя.

Эрозионное изнашивание. Эрозия в широком понятии — процесс поверхностного разрушения вещества под воздействием внешней среды. В машиностроении эрозия имеет более узкое понятие — разрушение поверхности материалов вследствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под действием электрических зарядов также относится к эрозии. Л.А. Урванцев подразделяет эрозию на газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. Каждый вид эрозии имеет подвиды, которые являются сочетанием отдельных видов, например газовая эрозия может быть газоабразивной, газоэлектрической и т.д.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. Вообще говоря, скорость изнашивания в этом случае мала, большая роль принадлежит динамическому действию потока или струи. В зависимости от свойств материала возможны вырывы отдельных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией в отношении приложенных сил. В пластичных материалах, обладающих способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпается, эти участки разрушаются, вымываются. Жидкость, внедряющаяся при ударах в образовавшиеся микротрещины, ведет себя подобно клину, раздвигая стенки трещины.

Эрозия в начальный период на гладкой поверхности развивается весьма медленно, но после появления пораженных мест усиливается. Это можно объяснить повышением хрупкости поврежденного поверхностного слоя в связи с накоплением микротрещин, расклинивающим действием жидкости и усилением ударного действия из-за большого вихреобразования у поверхности.

Разрушению от эрозии часто подвергаются рабочие (отсечные) кромки золотников гидравлических агрегатов. Струи топлива, проникая во время отсечки с большой скоростью в зазор между цилиндрическими поверхностями золотника и втулки, разрушают металл у рабочей кромки. Это случай щелевой эрозии, которой подвержены клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических и паровых систем. Эрозия может возникнуть под воздействием жидкометаллических теплоносителей в энергетических установках. Такие теплоносители могут оказать сильное эрозионно-коррозионное воздействие на те или иные компоненты жаропрочных сталей.

Эрозионному изнашиванию подвержены стальные и чугунные поршневые кольца авиационных двигателей (рис. 4.9). Кольцо скользило по хромированной поверхности восстановленного при ремонте зеркала цилиндра. Из-за плохой прирабатываемости колец не обеспечивается достаточное их прилегание к стенкам цилиндра, происходит прорыв газов и интенсивный местный нагрев рабочей поверхности кольца. Наиболее размягченные частицы металла отрываются и уносятся потоком газов. Более стойкие структурные составляющие, оказываясь изолированными, разрушаются. На поверхности образуются продолговатые раковины ветвистого строения (см. рис. 4.9). Эрозионное изнашивание начинается часто с микроцарапин, возникающих при схватывании поверхностей трения. Эрозионному повреждению в данном случае сопутствует образование белого слоя. Уменьшить разрушение колец можно улучшением их приработки. Характерно, что на

Рис. 4.9. Поверхность поршневого кольца авиационного двигателя, пораженная эрозией чугунных хромированных кольцах, работающих по азотированной поверхности цилиндра заводского производства, эрозия не наблюдалась.

Эрозия и коррозия весьма часто протекают совместно. Коррозионно-эрозионное изнашивание представляет собой разновидность коррозионно-механического изнашивания.

Газовая коррозия и эрозия действуют совместно, например, в выпускных клапанах высоконапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания и на входных кромках лопаток компрессора газотурбинных двигателей.

Кавитационно-эрозионное разрушение поверхности плоского золотника плунжерного насоса высокого давления показано на рис. 4.10. Поврежденный участок имеет большие поры, что характерно для кавитации.

Рис. 4.10. Кавитационно-эрозионное разрушение золотника плунжерного керосинового насоса высокого давления: а —плоский золотник, б —поврежденный участок

Горячая газовая эрозия пластмасс и теплозащитных покрытий получила название абляции. Это явление наблюдается, например, при движении баллистического снаряда в плотных слоях атмосферы или под действием горячих отработанных газов при работе ракетных двигателей. Абляция сопровождается тепловыми и механическими эффектами и включает ряд явлений: эрозию от ударов твердых частиц или капель; срезание материала от действия аэродинамических усилий; отслаивание (растрескивание и отделение чешуек вследствие теплового расширения); сдувание расплавленного материала потоком газов; сублимацию; испарение; пиролиз; сгорание.

Стойкость пластмасс к абляции зависит от теплопроводности. В противоположность металлам пластмассы имеют низкую теплопроводность. Детали, отлитые под высоким давлением, лучше сопротивляются абляции по сравнению с деталями, отлитыми при низком давлении.

Коррозионно-механическое изнашивание в сопряженных деталях машин. Коррозия металла может происходить независимо от того, имеется трение или нет; совместное действие коррозии, нагружения и механического изнашивания усиливает интенсивность разрушения поверхностей деталей. Бывают, однако, случаи, когда коррозия становится активной только благодаря трению сопряженных деталей.

1. Поршневые кольца и цилиндровые втулки (гильзы) двигателей, изготовленные из литейных чугунов, при наличии электролита образуют гальванические пары как друг с другом, так и между структурными составляющими чугуна — перлитом, графитом, фосфидной эвтектикой, а внутри перлита — между цементитом и ферритом. Кроме того, вследствие неравномерности температуры образуются анодные участки в областях с более высокой температурой. Анодные участки появляются в областях с более интенсивным облучением.

Сжигание в цилиндрах дизелей топлива с повышенным содержанием серы увеличивает интенсивность изнашивания поршневых колец и цилиндровых втулок в 3—4 раза и более. Сера сгорает, образуя S02, и только около 7% ее идет на образование S03 в результате каталитического окисления S02. Серный ангидрид S03 с водяными парами продуктов сгорания образует серную кислоту. Влияние серы на коррозию связано с явлением конденсации H2S04. Температура конденсации двухкомпонентной смеси Н20 и H2S04 значительно выше, чем температура конденсации чистого водяного пара, поэтому в конденсат начинает выпадать концентрированная серная кислота. Для конденсации серной кислоты из продуктов сгорания на стенки цилиндра необходимо, чтобы температура точки росы двухкомпонентной смеси Н20 и H2S04 превышала температуру рабочей поверхности втулки. Такие условия существуют. Так, при содержании в дизельном топливе 0,09% S, давлении вспышки 6 МПа и коэффициенте избытка воздуха 2 температура точки росы смеси при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) составляет 245 °С, а в среднем положении поршня 215 °С. Между тем в ряде судовых двухтактных дизелей температура стенки цилиндровой втулки при положении поршня в ВМТ составляет 130—140 °С. В таких двигателях можно ожидать примерно одинакового износа на всей верхней рабочей половине втулки. Когда температура рабочей поверхности в верхней части втулки превышает 200 °С, наибольшему коррозионному воздействию подвергается средняя часть втулки — в местах выпускных и продувочных окон. Максимальный износ наблюдается в средней части гильзы.

Некоторого снижения интенсивности изнашивания можно достичь повышением температуры стенок втулок, регулируя поступление охлаждающей воды, но кардинальным решением является нейтрализация выпавших на стенки кислот с помощью щелочных добавок в смазочное масло.

Коррозия может стать составной частью процесса изнашивания двигателей внутреннего сгорания независимо от рабочего процесса в них. Так, при сгорании бензина помимо водяных паров образуются двуокись углерода, небольшое количество окислов серы из органических сернистых соединений в составе топлива, а также окись азота в очень малых количествах и др.

В итоге взаимодействия с водяными парами эти продукты образуют кислоту — угольную, сернистую, серную, азотистую и азотную и другие, которые в основном удаляются из цилиндра с отработанными газами. При пониженной температуре стенок цилиндра кислоты легко конденсируются, повышая интенсивность изнашивания стенок и поршневых колец, усиливая коррозию поршня, бобышек и поршневого пальца. Испытания двигателя без регулирования температуры в системе охлаждения и такого же двигателя с термостатом показали, что износ деталей второго двигателя составлял у4—% износа первого.

На поверхностях трения зеркала цилиндров двигателей внутреннего сгорания могут и не наблюдаться какие-либо специфические признаки коррозионно-механического изнашивания, поверхности трения могут иметь блеск и малую шероховатость.

2. Проблема коррозии подшипников возникла после внедрения в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов. Все антифрик- ционые сплавы в какой-то мере корродируют под воздействием органических кислот, содержащихся в маслах или образующихся в них во время работы. Масла, окисляясь, дают перекиси, которые вызывают реакции, заканчивающиеся образованием органических кислот. Воздействию последних слабо подвержены оловянные баббиты, сильнее реагируют свинцово-мышьяковистые сплавы и свинцовый баббит. Коррозионная стойкость медно-свинцовых, свинцово-щелочных и кадмиево-серебряных сплавов в 500—1700 раз ниже, чем оловянных баббитов.

Процесс разрушения медно-свинцовых сплавов имеет следующие стадии: появление черных точек, концентрация их на отдельных участках поверхности, образование мелких каверн с пористой поверхностью, появление трещин между отдельными кавернами и выкрашивание антифрикционного слоя по этим трещинам. Последовательное разрушение свинцово-щелочного сплава происходит следующим образом: вначале на гладкой блестящей поверхности появляются матовые шероховатые на ощупь пятна, представляющие собой скопления тончайших каналов, уходящих в глубь заливки на всю ее толщину; образование раковин в местах пятен; появление трещин между раковинами и выкрашивание заливки по линии трещин (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Сечение поврежденной коррозией поверхности подшипника из свинцовой бронзы (хЗО)

Органические кислоты со свинцом образуют свинцовые мыла, которые уносятся протекающим маслом; вымывание свинцовой составляющей сплава резко снижает его механическую прочность. Характерно, что в то время, как на нагруженной стороне подшипников вкладыши подвергаются интенсивному разрушению, вкладыши ненагруженной стороны очень медленно или вовсе не разрушаются. Таким образом, нагружение вкладыша значительно ускоряет процесс разрушения.

Проблема защиты от коррозии свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов была решена при использовании антикоррозионных присадок к маслу. Эти присадки представляют собой органические вещества, содержащие серу и фосфор. Пассивация поверхности подшипника происходит в результате образования на ней защитной пленки, ближайшие к металлу слои которой связаны с ним химически, а последующие слои удерживаются силами физической адсорбции. Пленка срабатывается и восстанавливается.

  • 3. Центробежные насосы перекачивают морскую, речную или из скважин воду с различным содержанием солей и взвешенных частиц. В ходе технологического процесса на предприятиях пищевой, химической и других отраслей промышленности насосы перекачивают как кислую, так и щелочную воду. Для защиты от коррозии валы центробежных водяных насосов облицовывают рубашками (защитными втулками) из бронзы, стали или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой. Если материал защитных втулок не способен образовать прочные пленки, то изнашивание будет коррозионномеханическим, а интенсивность его при прочих равных условиях зависит от агрессивности перекачиваемых вод.
  • 4. Коррозионно-механическому изнашиванию особого вида подвержены рабочие органы машин по переработке сырья, содержащего жирные кислоты. К таким машинам относятся, например, шнек- прессы для производства растительного масла, машины для резания, дробления, размалывания и перемешивания сырья на мясокомбинатах. На эту разновидность изнашивания первым обратил внимание Г.А. Прейс .

Жирные кислоты являются поверхностно-активными веществами; из них олеиновая и стеариновая, входящие в большом количестве в состав растительных масел и животных жиров, проявляют высокую активность. Адсорбируясь и проникая в микро- и субмикротрещины металлической поверхности, в особенности при наличии в ней напряжения растяжения, поверхностно-активные вещества размягчают поверхность, облегчают пластическое течение в тончайшем поверхностном слое, что может повлечь разупрочнение и разрывы под действием сил трения. Такой процесс усиливается коррозионным действием кислот.

Подобные примеры имеют место в оборудовании торфодобывающей, угольной, химической отраслях промышленности.

Коррозионно-механическое изнашивание

12345

Коррозионно-механическое изнашивание характеризуется процессом трения материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. При этом на поверхности металла образуются новые, менее прочные химические соединения, которые в процессе работы сопряжения удаляются с продуктами изнашивания. К коррозионно-механическому изнашиванию относят окислительное изнашивание и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительным называют изнашивание, при котором основное влияние на разрушение поверхности оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. Оно возникает при трении качения со смазочным материалом или без него. Скорость окислительного изнашивания невелика и составляет 0,05…0,011 мкм/ч. Процесс активизируется с повышением температуры, особенно во влажной среде.

Изнашиванием при фреттинг-коррозии называется коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Этот вид изнашивания отличается от изнашивания при фреттинге механического изнашивания соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Основное отличие заключается в том, что изнашивание при фреттинге происходит в отсутствие окисляющей окружающей среды без проявления химической реакции материалов деталей и продуктов изнашивания с кислородом. Учитывая это, нетрудно провести аналогию в механизмах развития изнашивания при фреттинге и фреттинг-коррозии.

Изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии обычно происходит на сопряженных поверхностях валов с напрессованными на них дисками колес, муфтами и кольцами подшипников качения; на осях и ступицах колес; на опорных поверхностях пружин; на затянутых стыках, пригнанных поверхностях шпонок и пазов; на опорах двигателей и редукторов. Необходимым условием возникновения фреттинг-коррозии является относительное проскальзывание сопряженных поверхностей, которое может быть вызвано вибрацией, возвратно-поступательным перемещением, периодическим изгибом или скручиванием сопряженных деталей. Фреттинг-процесс сопровождается схватыванием, окислением, коррозией и усталостным разрушением микрообъемов.

В результате фреттинг-коррозии предел выносливости поверхности уменьшается в 3-6 раз. На поверхностях деталей в местах сопряжений образуются натиры, налипания металла, вырывы, раковины, а также поверхностные микротрещины. Отличительным признаком износа вследствие фреттинг-коррозии является наличие на поверхностях трения раковин, в которых сосредоточены спрессованные оксиды, имеющие специфическую окраску. В отличие от изнашивания других видов при фреттинг-коррозии продукты изнашивания в основной своей массе не могут выйти из зоны контакта рабочих поверхностей деталей.

Изнашивание при фреттинг-коррозии влечет за собой нарушение размерной точности соединения (если часть продуктов изнашивания находит выход из зоны контакта) либо заедание и заклинивание разъемных соединений (если продукты изнашивания остаются в зоне трения). Для фреттинг-коррозии характерны низкая скорость (около 3 мм/с) относительного перемещения поверхностей и путь (0,025 мм) трения, эквивалентный амплитуде колебаний, при частоте колебаний до 30 Гц и выше; локализация повреждений поверхности на площадках действительного контакта вследствие малых относительных смещений; активное окисление

При взаимодействии эластомерных материалов с металлическими деталями также наблюдается явление схватывания. Эластомер изнашивается, если коэффициент трения между ним и твердой поверхностью достаточно велик, а прочность эластомера на разрыв мала. Если поверхностные слои материала находятся в состоянии максимальной деформации, то в направлении, перпен­дикулярном к направлению скольжения, появляется царапина или небольшая трещина. Далее происходит постепенное вырывание части упругого материала эластомера, находящегося в состоянии схватывания с твердой поверхностью. При этом слой эластомера, отделяемый от поверхности, скручивается в ролик и образует частицу износа. Интенсивность изнашивания эластомера в этом случае существенно зависит от температуры, нагрузки и вида смазочного материала. Подбирая смазочный материал с учетом внешних условий и упругих свойств эластомера, можно полностью исключить этот вид изнашивания.

Процесс изнашивания при фреггинг-коррозии в условиях трения без смазочного материала можно разделить на три этапа.

Первый этап сопровождается разрушением выступов и оксидных пленок вследствие циклически повторяющихся колебательных относительных перемещений контактирующих поверхностей под действием высоких нагрузок. Происходят процессы упрочнения материалов и пластического деформирования выступов микронеровностей, вызывающие сближение поверхностей. Сближение поверхностей вызывает молекулярное взаимодействие и схватывание металла в отдельных точках контакта. Разрушение вследствие усталости выступов и узлов схватывания порождает продукты изнашивания, часть которых окисляется. Для этого этапа характерен повышенный износ с монотонно убывающей скоростью изнашивания.

На втором этапе в поверхностных слоях накапливаются усталостные повреждения. В зоне трения формируется коррозионно-активная среда под действием кислорода воздуха и влаги. Между поверхностями создается электролитическая среда, интенсифицирующая процесс окисления металлических поверхностей и их коррозионное разрушение. Для этого этапа характерны стабилизация процесса изнашивания, уменьшение скорости изнашивания по сравнению со скоростью изнашивания на первом этапе.

На третьем этапе вследствие усталостных коррозионных процессов разупрочненные поверхностные слои металлов начинают интенсивно разрушаться с постепенно возрастающей скоростью. Процесс имеет коррозионно-усталостный характер разрушения.

Интенсивность разрушения поверхностей при фретгинг-коррозии зависит от амплитуды и частоты колебаний, нагрузки, свойств материалов деталей и окружающей среды.

Виды изнашивания в механизмах

Износ – это наиболее распространённый процесс качественных и количественных потерь работоспособности элементов машин.

Изнашивание

Изнашивание — это процесс постепенного разрушения деталей или их покрытий (окраски, смазки), происходящий при трении или других видах контакта с внешней средой и сопровождающийся изменением размеров или физико-механических свойств (твердости, пластичности, структуры и т. д.).

При заедании

Кавитационное

Усталостное

Коррозионно-механическое изнашивание — изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой. Характеризуется образованием пленок окислов, химических соединений и последующим разрушением этих образований.

а — абразивный износ при перемещении одной микрошероховатой поверхности по другой;
б — эрозионный износ поверхности мелкими частичками, бомбардирующими ее под разными углами;
в- локальная приповерхностная усталость, фреттинг под действием знакопеременной локальной нагрузки;
1. Абразивное изнашивание— изнашивание в результате механических воздействий посредством режущего и царапающего действия твердых тел или частиц при наличии относительной скорости перемещения.

В процессе изнашивания происходят срезание с поверхности микростружек более твердыми абразивными частицами и постепенное уменьшение размеров детали.

Изношенный поршневой палец Абразивный износ на поршне – глубокие борозды в продольном направлении

Абразивные частицы, обладая большей, чем металл твёрдостью, разрушают поверхность деталей и резко увеличивают износ. Это наиболее распространённый вид изнашивания.

В технологических машинах более 60 % изнашивания имеют абразивный характер.

Основным источником абразивных частиц, попадающих в сопряжения машин, является окружающая среда.

В 1 м3 воздуха содержится от 0,04 до 5 г. пыли, которая на 60 % состоит из взвешенных частиц, имеющих размеры от 5 мкм до 120 мкм, то есть соизмеримых с зазорами в сопряжении машин.

Другим источником являются частицы собственного износа трущихся поверхностей.

Абразивное изнашивание является одним из наиболее быстропротекающих процессов разрушения рабочих поверхностей деталей.

ПРИМЕР. Детали СиДМ обладают следующими скоростями абразивного изнашивания, мм/ч.

Зубья ковша экскаватора 0,13 – 12,70 мм/ч
Ножи скрепера 0,13 – 2,54 мм/ч
Рабочие органы молотковых дробилок 0,13 – 25,40 мм/ч
Дробящие плиты щековых дробилок 0,05 – 0,5 мм/ч

Варианты защиты узлов привода СиДМ от абразивного изнашивания:

— герметизация сопряжений с помощью уплотнительных элементов;

— обеспечение чистоты применяемых в машинах топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей;

— фильтрация дизельных топлив перед заправкой машин.

Методы повышения абразивной износостойкости поверхности:

Метод Материал детали Формула проявления
Гальваническое покрытие (хромирование, никелирование) Большинство чёрных и цветных металлов Образование тонкого гладкого покрытия
Анодирование Алюминий Образование тонкого окисного слоя повышенной твёрдости
Насыщение (цементация, цианирование, азотирование) Малоуглеродистые стали Повышение твёрдости поверхности
Напыление (металлизация, наплавка порошкового металла, напыление керамики) Наклепывание поверхности (дробеструйное, накатывание роликом) Металлические и полимерные материалы Большинство чёрных металлов Формирование слоёв взаимосвязанных частично окисленных частиц Образование тонкого слоя повышенной твёрдости
Плазменная закалка Чугун, сталь Повышение локальной твёрдости поверхности
Лазерное упрочнение Чугун, сталь Повышение твёрдости материала детали в тонких поверхностных слоёв

2. Гидро- и газоабразивноеизнашивание -абразивное изнашивание в результате действия твердых абразивных частиц или тел, увлекаемых потоком жидкости (газа).

Абразивные частицы попадают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения топлива, масла, рабочих жидкостей при заправках, неудовлетворительной герметизации и фильтрации.

Такому изнашиванию подвергаются детали насосов, гидроприводов, гидроусилителей, цилиндропоршневой группы двигателей.

Для снижения интенсивности гидроабразивного (газоабразивного) изнашивания необходимо:

— повышать твердость поверхностей деталей;

— не допускать загрязнения топлива, масла и рабочих жидкостей при заправках;

— вовремя заменять и следить за исправностью фильтров и воздухоочистителей, уплотнительных элементов машин и др.

3. Гидро- газоэрозионное изнашивание — это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа).

4. Усталостное изнашивание вызывает изменение трущейся поверхности или отдельных её участков в результате знакопеременного повторяющегося деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Усталостное изнашивание происходит в процессе трения, при котором под действием больших повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, возникают микропластические деформации сжатия.

При многократных деформациях одних и тех же участков на поверхности детали появляются микро- и макроскопические трещины, которые в дальнейшем в результате отслаивания и выкрашивания частиц металла приводят к возникновению осповидных углублений и впадин.

Усталостное изнашивание при высоких контактных давлениях наблюдается на беговых дорожках подшипников качения, зубьях шестерен и других деталях.

а б

Осповидное выкрашивание рабочей поверхности зубьев шестерни (а) и беговой дорожки подшипника качения (б)

Основным мероприятием, обеспечивающим снижение интенсивности усталостного изнашивания, является

— снижение контактных давлений между соприкасающимися поверхностями путем более равномерного их распределения по длине зуба и между телами качения. Этого можно достичь более точным монтажом и соблюдением оптимальных зазоров и натягов

в подвижных и неподвижных соединениях.

5. Кавитационное изнашивание поверхности происходит при большой скорости движения твердого тела в жидкости.

Кавитация – процесс, при котором в жидкости происходит быстрое образование и схлопывание пузырьков пара — каверн.

Появлению паровых пузырьков способствуют местное понижениедавления в жидкости, омывающей с большой скоростью поверхности деталей (лопасти турбин, насосов, подводные крылья и т.п.).

Жидкость вскипает при резком понижении местного давления. Пузырьки образуются из газа, растворенного в жидкости.

После попадания в зону высоких давлений каверны (паровые пузырьки) «захлопываются», возникает гидравлический удар. Это может вести к разрушению поверхности обтекаемой детали.

Формирование и схлопывание пузырьков пара может происходить в течении долей секунды. Схлопывание каждого пузырька вызывает относительно небольшое повреждение, но в течении тысяч циклов формирования и схлопывания повреждения накапливаются. Как только на поверхности появятся неравномерности, кавитационные разрушения начнут концентрироваться у поврежденных участков, вызывая глубокую локализованную кавитацию.

Процесс образования пузырьков в потоке жидкости гребного винта

Кавитационные повреждения гребного винта

Последствия гидродинамической кавитации приводят к сильному износу рабочих частей и заметно сокращают срок службы турбин, насосов, гидравлических машин, гребных винтов и других деталей.

ПРИМЕР.

Кавитация в насосах

Крыльчатка насоса Конец плунжера

Кавитационное разрушение часто возникает из-за:

— слишком большого перепада давления между всасыванием и нагнетанием;

— дросселирования на стороне всасывания насоса;

— образованию пузырьков может способствовать газ, вносимый через негерметичные прокладки, манжеты, или выделяющийся при разложении химических веществ, содержащихся в воде;

а – манжетное уплотнение; б – уплотнительный стакан: одна манжета (5) обеспечивает герметизацию при разрежении в насосе, две другие – при давлении.

— неправильно сконструированные крыльчатки, клапаны и другие детали насосов;

— оказывает влияние также и состав сплавов. Мягкие, пластичные металлы и хрупкие низкопрочные сплавы, в частности серый чугун, легко разрушаются при кавитации. Такие сплавы, как хромистые нержавеющие стали, устойчивы в самых различных условиях.

6. Изнашивание при заедании (адгезионное изнашивание) — это изнашивание в результате схватывания (местного соединения двух твердых тел вследствие действия молекулярных сил), последующего глубинного вырывания металла, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность.

Такое изнашивание возникает при значительных удельных нагрузках и граничной смазке и сопровождается выделением значительного количества теплоты, высоким коэффициентом трения и наибольшей интенсивностью изнашивания.

Для снижения вероятности возникновения изнашивания при заедании необходимо:

— снижать шероховатость поверхностей, конусность и эллипсность деталей при механической обработке;

— улучшать условия смазки сопряженных поверхностей;

— соблюдать рекомендации по обкатке;

— не допускать перегрузок подвижных соединений в процессе эксплуатации.

1 – канал подачи смазочного материала; 2 – вкладыш; 3 – корпус; 4 – зазор, заполненный смазочным материалом; 5 – цапфа вала

7. Фреттинг-коррозия это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Фреттинг-коррозия является особым видом изнашивания номинально неподвижных деталей в результате возвратно-поступательных перемещений с очень малой амплитудой в коррозионной среде.

Причиной таких перемещений могут быть вибрации, динамические нагрузки, периодический изгиб или скручивание сопряженных деталей.

Фреттинг-коррозии возникает из-за непрерывного разрушения защитной оксидной плёнки в точках подвижного контакта.

Проявляется в виде интенсивного окисления поверхностей, тёмных пятен на посадочных поверхностях, рис.:

При дальнейшем развитии может служить причиной зарождения усталостных трещин.

Данному виду коррозии подвержены болтовые соединения,

посадочные поверхности подшипников качения, листовые

рессоры, шестерни, муфты и т.д.

К способам защиты поверхностей контактирующих деталей от фреттинг-коррозии относятся:

— закалка токами высокой частоты;

— химико-термическая обработка;

— нанесение на поверхности деталей различных пленок и покрытий;

— применение смазочных материалов;

— предотвращать контактирование металлических поверхностей нанесением покрытий из полимерных материалов;

— для неподвижных соединений подшипников качения необходимо снижать относительные перемещения сопряженных поверхностей путем обеспечения определенной величины натяга и др.

ПРИМЕР.

Подшипники качения вала редуктора лебедки.

Внутренние поверхности внутренних колец подшипников (посадка с натягом на валу) имеют следы фреттинг-коррозии, возникающей при микроперемещениях сопрягаемых поверхностей. Причина — ослабление посадки подшипника на валу. Следствие — появление ударных нагрузок, ускоренный рост усталостных трещин.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *