Износ от трения и эрозии

Изнашивание трением.

Применительно к механическим системам процесс изнашивания трением рассматривается как измене­ние размеров и формы поверхностей элементов. Интенсивность процесса изнашивания зависит от внешних и внутренних факто­ров. К первым относятся величина и характер нагрузок, наличие и качество смазки, температурные условия, режим взаимного пе­ремещения поверхностей, участвующих в процессе трения, характер образующихся на поверхности защитных окисных пленок; ко вторым — твердость, предел упругости, теплофизические характеристики, химическая стойкость, характеристики структуры материала, способность адсорбировать смазку и т. д.

В зависимости от количества внешних и внутренних факторов в материалах возникают сложные явления, сочетание которых определяет процесс изнашивания.

В настоящее время наиболее распространена классификация видов изнашивания трением, приведенная на рис. 15.

Согласно этой классификации все виды трения делятся на ме­ханические, молекулярно-механические и коррозионно-механические.

Механическое изнашивание представляет собой процесс разрушения поверхностных слоев в результате упругих и пласти­ческих деформаций без существенных физико-химических измене­ний свойств материалов.

Подвидами механического изнашивания являются абразивное изнашивание, пластическое деформирование, изнашивание при кавитации и хрупкое разрушение поверхности.

Абразивное изнашивание представляет собой пластическую де­формацию поверхностных слоев при трении скольжения в ре­зультате воздействия на сопряженные поверхности твердых абразивных частиц. Взаимодействие поверхности детали с твердыми частицами разнообразно. При абразивном изнашивании происхо­дит пластическое деформирование материала независимо от того, образуется при этом стружка (уносимая, например, током смаз­ки), или возникают риски, борозды и т. д.

Абразивные частицы — это частицы нагара, продукты изнашивания и включения твердых частиц в смазочные жидкости.

Примером абразивного изнашивания может быть изнашивание цилиндровых втулок и поршней двигателей, дейдвудных подшип­ников буксирных судов при работе на мелководье и др.

Абразивная эрозия представляет собой изнашивание поверхно­сти под воздействием движущихся в потоке газа или жидкости аб­разивных частиц, например, эрозия кромок лопаток газовых тур­бин под воздействием частиц золы, движущихся вместе с газовоздушным потоком.

При пластическом деформировании под воздействием внешних нагрузок и высоких температур более мягкий материал перемеща­ется в направлении движения, а затем и отрывается; например, изнашивание мягких антифрикционных материалов (баббитов) подшипников скольжения, наволакивание материала зубьев зуб­чатых передач при работе с перегрузкой и т. д.

Изнашивание при кавитации представляет собой хрупкое раз­рушение поверхностей деталей в результате местных гидравличе­ских ударов; например, разрушение поверхностей лопастей греб­ных винтов с засасывающей стороны, поверхностей гидравлических частей центробежных насосов и др.

Хрупкое разрушение поверхности происходит в тех случаях, когда поверхностные слои материала из-за многократно повторяю­щихся деформаций становятся хрупкими •— в результате наклепа и усталости материала; например, усталостные разрушения зубьев зубчатых передач в районе линии контакта (питтинг), когда из-за многократно повторяющихся пульсирующих нагрузок образуются микротрещины с последующим хрупким разрушением материала; при трении качения (у подшипников качения), когда на поверх­ностях тел качения и беговых дорожек образуются усталостные разрушения в результате так называемой (в данном случае) контактной усталости.

Молекулярно-механическое изнашивание — это раз­рушение местных металлических связей в том случае, когда сопря­женные трущиеся поверхности сближены на расстояние, не превы­шающее размеров атомных решеток, т. е. когда возможно моле­кулярное взаимодействие поверхностей. При этом на поверхностях отсутствуют окисные пленки, смазка и пр. Молекулярно-механическое изнашивание происходит как при низких и нормальных тем­пературах, так и при высоких. В первом случае происходит чисто молекулярно-механическое взаимодействие, во втором (молекулярно-тепловом изнашивании) — изменение структуры и механических свойств поверхностных слоев металла. В обоих случаях микро­объемы вырываются из поверхностей после молекулярного схватывания и уносятся другой поверхностью или током смазки.

Пример: вырывание микрообъемом с контактной поверхности зубьев тяжело нагруженных зубчатых передач при срывах в режиме

смазки.

Коррозионно-механическое изнашивание представ­ляет собой разрушение поверхности детали при одновременном механическом и коррозионном воздействии на нее.

Окислительный процесс наблюдается в том случае, когда в результате непосредст­венного контакта сопряженных поверхностей происходит пластиче­ское деформирование и срезание выступов с обнажением незащи­щенного окисной пленкой металла и его окисление. Наличие в га­зовой или жидкой среде, омывающей деталь, агрессивных ве­ществ значительно ускоряет процесс разрушения; например, изна­шивание рабочих шеек валов механизмов (насосов), работаю­щих в морской воде.

Фретинг-коррозия возникает в результате относительно не­большого перемещения (например, при вибрации) находящихся в контакте двух деталей, одна из которых (или обе) металли­ческая.

Фретинг-коррозия приводит к образованию обычно на металли­ческой сопряженной поверхности питингов (мелких точечных раз­рушений). Частицы окислов металлов заполняют образовавшиеся питинги, поэтому только после удаления продуктов коррозии они становятся видимыми.

Фретинг-коррозии подвержены, например, посадочные места вкладышей рамовых подшипников тяжелонагруженных двигате­лей внутреннего сгорания, посадочные места гребных валов в районе кормовых торцов облицовок, насаженных по прессовой посад­ке и др.

В процессе изнашивания трением все перечисленные явления происходят в большинстве случаев одновременно, но одно из них обычно является ведущим, определяющим износ, остальные ему сопутствуют.

Из всех рассмотренных видов изнашиваний наиболее распро­странено абразивное.

Эрозионное изнашивание. Эрозия металлов возникает при ме­ханическом ударном воздействии на поверхность разрушаемого элемента (детали) жидких и твердых частиц, движущихся с не­которой скоростью и обладающих запасом кинетической энергии. Эрозия возможна также при воздействии волн кавитационного происхождения.

Эрозионному изнашиванию подвергаются поверхностные слои металла.

При этом интенсивность изнашивания находится в прямой зависимости от состояния поверхности и запаса кинетиче­ской энергии движущихся частиц. С увеличением шероховатости поверхности и. скорости движения потока перед ударом о поверх­ность интенсивность эрозионного изнашивания повышается. Уста­новлено, что интенсивность изнашивания находится в шестой сте­пени от скорости потока. В процессе эрозионного изнашивания рассматривают четыре периода:

инкубационный — пластические деформации поверхностных слоев металла (потери металла практически отсутствуют);

наиболее интенсивное изнашивание; заканчивается при дости­жении максимальной скорости изнашивания;

снижение интенсивности изнашивания;

стабилизация изнашивания (наиболее длительный, определяю­щий работоспособность элемента).

В судовых энергетических установках эрозионному изнашива­нию подвержены гребные винты, рабочие колеса центробежных и осевых насосов, наружные и внутренние поверхности нагрева па­ровых водотрубных котлов, рабочие, направляющие и сопловые лопатки паровых и газовых турбин и др..

Эрозионное изнашивание может быть результатом явления ка­витации, при котором образуются и сокращаются (замыкаются) кавитационные каверны, появляются ударные волны, действующие на поверхность деталей. Явление кавитации и связанное с ним эрозионное разрушение возможно у лопастей гребных винтов и рабочих колес центробежных и осевых насосов.

Для борьбы с эрозионным изнашиванием в настоящее время применяют материалы с высокой эрозионной стойкостью, металли­ческие и неметаллические покрытия; при проектировании учитыва­ют конструктивные особенности деталей, обеспечивающих мини­мальную интенсивность эрозионного изнашивания, выбирают оп­тимальные режимы работы.