11. Лекция

Схватывание и заедание поверхности при трении.

Схватывание – явление прочного соединения прочного соединения металлов в результате взаимного трения или совместного деформирования при температуре ниже температуры рекристаллизации. В результате схватывания образуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта поверхностей. В местах схватывания исчезает граница между соприкасающимися телами, происходит сращивание одно- и разноименных металлов.

На явлении схватывания при совместном пластическом деформировании металлов базируются технологические процессы холодной сварки металлов и получение биметаллов методом холодной прокатки. Схватывание между инструментом и обрабатываемым металлом наблюдается при обработке давлением, а при резании оно проявляется в виде наростообразования на резце. Если при технологических процессах соединения металлов методом холодной сварки и плакирования схватывание – необходимое явление, то при резании, холодной обработке давлением и при трении оно является вредным сопутствующим процессом.

Для образования прочных связей между металлами в холодном состоянии необходимо отсутствие на соприкасающихся поверхностях всякого рода пленок и загрязнений. Процесс схватывания в обычных условиях представляет собой соединение кристаллических решеток зерен металлов, контактирующих друг с другом. Причем может произойти сращивание в один кристаллит, либо в кристаллиты с переходной зоной.

Если на поверхности металлов будут оксидные пленки или другие соединения (хлориды, сульфиды), то схватывание будет возможным только при наличии условий, необходимых для их удаления. Такие условия появляются в результате совместной пластической деформации и зависят от соотношения механических свойств пленки и металла. Если сопротивление деформированию пленки значительно больше, чем сопротивление металла, то при достаточной нагрузке металл пластически деформируется. Пленка при этом не растекается, а разрывается на отдельные части, связанные с металлом, почти не изменяя общую площадь контакта. Происходит выход основного металла в промежутки между частями пленки, и совершается схватывание на чистых, вновь образованных поверхностях металла. Если твердость пленки меньше твердости металла, то пленка деформируется вместе с металлом, не разрушаясь, и схватывание не возникает. На процесс схватывания влияет толщина неметаллических пленок и присутствие на поверхностях адсорбированных пленок из внешней среды. С повышением температуры процесс схватывания облегчается.

Прочные связи между металлами, металлом и неметаллом и между неметаллами могут образоваться и благодаря адгезии. Адгезия обусловлена межатомными связями или взаимодействием слипшихся поверхностей с тонкими пленками жидкостей, находящихся между ними. Эти связи слабее металлических, а их действие при трении аналогично схватыванию.

Схватывание между металлическими поверхностями при некоторых режимах трения без смазочного материала происходит сравнительно легко. Пластическое деформирование на площадках фактического контакта и внедрение одной поверхности металла в другую создают условия для сдирания оксидных и адсорбированных пленок, масел, газов и влаги и образования узлов схватывания. Узел схватывания – это местное соединение поверхностей, образующееся при трении в результате схватывания. Могут также наблюдаться и узлы адгезии.

Характер разрушения узлов схватывания или адгезии по Боудену Ф.П. можно свести к четырем случаям.

1. Прочность связи меньше прочности металлов пары трения. В этом случае срез происходит по самому соединению. Количество металла, удаленного с обеих поверхностей незначительно, даже при сравнительно высоком коэффициенте трения.

2. Соединение прочнее, чем один из металлов. Срез происходит в толще менее прочного металла; при этом его частицы будут налипать на более твердую поверхность. Не исключается, что коэффициент трения будет относительно малым. При некоторой длительности процесса трения на твердой поверхности образуется пленка из более мягкого металла, скольжение становится подобным скольжению одинаковых металлов.

3. Соединение прочнее обоих металлов. Основные разрушения связи приходятся на толщу менее прочного металла, но возможны вырывы частиц и в более прочном металле. Более интенсивное изнашивание мягкого металла может сопровождаться заметным износом твердого металла.

4. Соединение одинаковых металлов. Казалось бы, в этом случае прочность соединения и металла должна быть одинаковой. На самом деле соединение подвергается наклепу, и при перемещении его сопротивление срезу увеличивается. Поэтому срез редко возникает по соединению, а чаще по глубине основной массы металла. Поверхностные повреждения оказываются значительными. Это объясняет, почему скольжение одноименных металлов приводит к значительному износу, и увеличивает коэффициент трения.

Изнашивание при схватывании.

Процесс возникновения и разрушения узлов схватывания видоизменяется в зависимости от конструкции деталей, материала и режимов трения.

1. Вырывы материала в виде микроскопических и субмикроскопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую поверхность. Площадь частиц мала, масса их может быть до 10 г. При работе приваренные частицы срабатываются, вырываются и уносятся из зоны трения. Повреждения поверхностей наблюдаются под микроскопом, а мельчайшие частицы могут быть обнаружены лишь авторадиографией. Интенсивность изнашивания в этом случае будет небольшой и не может вызвать катастрофического разрушения.

2. Образование тонкой пленки (налета) мягкого материала на твердой сопряженной поверхности, например, намазывание бронзы на сталь, стали или алюминиевого сплава на хромовое покрытие. Последствия такого схватывания следующие:

а) может наблюдаться интенсивное изнашивание, например, в случае, когда бронзовая пленка отделяется от стальной детали, уносится из зоны трения и возникает вновь;

б) при высокой скорости скольжения из-за большого тепловыделения, вызванного значительной силой трения между одноименными металлами, намазывание бронзы может закончиться заеданием;

в) намазывание вызывает скачок силы трения, не влияя заметно на износ;

г) намазывание является стадией предкатастрофического повреждения поверхностей трения; тончайший слой стали, намазанный на хромированную поверхность, схватывается со стальной поверхностью трения, и образует вырывы хромового покрытия и изнашивание его наклепанными частицами хрома; затем происходит обратный перенос хрома на покрытие с образованием новых больших очагов схватывания;

д) намазывание резины на стальную шейку вала обращает, как правило, пару трения во фрикционную пару с повреждением резиновой поверхности;

е) образование тонкого слоя меди на стальной поверхности при избирательном переносе не приводит к износу сопряжения и повышению сил трения.

3. Перенос твердого материала на мягкую поверхность. Сталь переносится на бронзу, бронза вследствие адгезии переносится на резину или пластик. На более твердой поверхности образуются риски в результате царапающего действия перенесенного металла, находящегося в наклепанном состоянии. Такой вид схватывания приводит к потере работоспособности узла трения, но проявляется редко.

Схватывание и заедание поверхности при трении. Изнашивание при схватывании. Атир, задир и заедание поверхностй.

4. Вырывание материала с образованием глубоких борозд, уступов и впадин. Процесс вырывания сопровождается интенсивным наклепом поверхностных слоев на значительную глубину. При больших скоростях скольжения в процессе образования повреждений на поверхностях возникают «белые слои». Глубинное вырывание поверхностных слоев является катастрофическим процессом; оно приводит к повышению скорости изнашивания в десятки тысяч раз, увеличению сил трения, повреждению поверхностей, что снижает сопротивление усталости деталей, вызывает заклинивание и поломку.

Для качественной оценки степени повреждения поверхности от схватывания используют следующие термины:

Натир – участок поверхности трения, отличающийся по цвету от прилегающих участков и испытывающий наибольшее давление. Натир бывает светлым (результат сглаживания микронеровностей поверхности или образования мельчайших рисок в направлении скольжения) и темного цвета (результат местных повышенных температур и образования оксидных пленок). Натиры могут образовываться при любом виде изнашивания и могут стать зонами повреждения от схватывания.

Задир – образование в результате схватывания различимой невооруженным глазом борозды и оттеснением материала как в стороны, так и по направлению скольжения. Может образоваться и группа борозд.

Заедание – наиболее яркая форма проявления схватывания. Образуются широкие и глубокие борозды с неровными краями, иногда слившиеся; присутствуют крупные наросты; возможно оплавление поверхности. Может произойти полное заклинивание деталей.