Изнашивание: виды, характеристики механизмов изнашивания

Согласно ГОСТ 27674–88, изнашивание — это процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

В условиях всех видов трения происходит разрушение трущихся поверхностей, т. е. поверхности изнашиваются. Согласно ГОСТ 23.002–78, изнашивание рабочих поверхностей деталей машин и механизмов классифицируют по причинам, вызывающим износ.

Различают три основных вида изнашивания:

• механическое (абразивное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, при фреттинге, при заедании);
• коррозионно-механическое (включающее те виды изнашивания, что и в первом случае, осложненные коррозией, кроме того, окислительное и фреттинг‑коррозия);
• при действии электрического тока (электроэрозионное), включающее те же виды механического изнашивания, но усиленные электрическим током (рис. 1).

Изнашивание является сложным процессом, зависящим от двух взаимосвязанных групп факторов. С одной стороны, процесс изнашивания определяется условиями работы детали с учетом приложенных нагрузок, скорости перемещения, агрессивности среды и температуры эксплуатации.

С другой стороны, он зависит также от способности металла детали противостоять действию изнашивающих нагрузок, что определяется его химическим составом, термической обработкой, структурой и полученными в результате этого механическими свойствами (см. рис. 5)

Наиболее общим видом изнашивания является механическое изнашивание в результате механических воздействий. Ниже приведены основные виды механического изнашивания в зависимости от характера механического воздействия (ГОСТ 27674–88).

Рис. 1. Виды изнашивания

Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности. В эту группу следует отнести такие виды изнашивания, как абразивное, гидро— и газоабразивное, усталостное, кавитационное, эрозионное.

Абразивное изнашивание — изнашивание, возникающее в результате механических воздействий посредством режущего и царапающего действия твердых тел или частиц при наличии относительной скорости перемещения.

Гидро- и газоабразивное изнашивание появляются в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание вызывает изменение поверхности трения или отдельных участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном увеличении скорости движения твердого тела в жидкости, т. е. в условиях гидродинамической кавитации — нарушения сплошности внутри жидкости.

Эрозионное изнашивание возникает в результате воздействия потока жидкости или газа.

Изнашивание при заедании (адгезионное изнашивание) — изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Изнашивание при фреттинге — механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении. Коррозионно-механическое изнашивание есть изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой.

Окислительное изнашивание — коррозионно‑механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

Изнашивание при фреттинг-коррозии — коррозионно‑механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Электроэрозионное изнашивание — эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

К факторам, определяющим интенсивность изнашивания, относятся:

• род трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием);
• вид трения (сухое, граничное, гидродинамическое);
• среда (воздух, вода, газ, почва и т. п.);
• вид контакта пар трения (точка, линия, плоскость, цилиндр, сфера);
• характер движения (равномерное, непрерывное и т. д.);
• вид движения (вращательное, поступательное, возвратно‑поступательное);
• характер нагрузки (постоянная, неустановившаяся, знакопеременная);
• величина нагрузки;
• скорость перемещения трущихся поверхностей;
• температурные условия.

Изнашивание при фреттинге происходит в болтовых и заклепочных соединениях и других деталях, находящихся в подвижном контакте. Два последних вида изнашивания (коррозионно‑механическое и электроэрозионное) возникают в случаях, когда воздействие от механического изнашивания осложняется действием окислительной среды или электрического тока соответственно. В процессе изнашивания происходит деформирование и разрушение микрообъемов поверхности металла с последующим их отделением в виде частиц.

Для машиностроения наиболее важно изнашивание твердых тел при абразивном или адгезионном воздействии, когда два тела соприкасаются под действием нагрузок или рабочая поверхность находится в контакте с твердыми частицами. Изнашивание развивается на контактной поверхности под действием сил трения. Конвисаров Д. В. считал, что продукты изнашивания, состоящие из микроскопически малых обломков структуры тел трения,— основной признак изнашивания в точном смысле этого понятия. Все это относится к одной составляющей изнашивания — к диспергированию. Другая составляющая изнашивания — смятие поверхностей. При этом диспергирование и смятие действуют совместно.

1. Абразивное изнашивание

Абразивным называется изнашивание поверхности детали, возникающее в результате деформирующего, режущего или царапающего действия твердых частиц, чаще всего минерального происхождения (руда при ее добыче, переработке и транспортировке, кварцевый песок, содержащийся в почве при ее сельскохозяйственной, строительно‑дорожной и другой обработке). Абразивное изнашивание происходит и при взаимодействии пар трения, когда шероховатая деталь перемещается под нагрузкой относительно другой из более мягкого металла.

Сущность абразивного износа заключается в разрушении металла твердыми зернами абразива при пластическом деформировании и микрорезании трущихся поверхностей. Механизм данного вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности в виде более или менее дисперсных кусочков, хрупко отделяющихся при одно- или многократном воздействии абразива, в виде очень мелкой стружки и фрагментов разрушенного материала, предварительно выдавленного абразивной частицей по сторонам пластически деформированной зоны.

Потоки жидкости или газа со взвешенными абразивными частицами являются причиной гидро— или газоабразивного изнашивания. Изнашивающие абразивные частицы могут быть минерального происхождения (например, пыль, содержащая кварц), окалиной или наклепанными металлическими продуктами изнашивания, твердыми структурными составляющими одной из сопряженных поверхностей. Твердые частицы могут иметь разную форму и быть различным образом ориентированы гранями или ребрами относительно изнашиваемой поверхности, поэтому резать и снимать стружку могут только некоторые из них, большая же часть пластически деформирует более мягкий материал, оставляя следы в виде выдавленных рисок, царапин, канавок или отпечатков. Навалы, образующиеся по краям таких пластически выдавленных царапин, сминаются другими абразивными зернами, подвергаясь иногда неоднократному повторному передеформированию.

Абразивный износ является ведущим для машин и оборудования горнорудного производства, строительной, дорожной, почвообрабатывающей техники, инструмента производства кирпича, бетона и других строительных материалов. Абразивный износ и защита от него — одна из центральных проблем науки и техники, т. к. в промышленно развитых странах стоимость затрат, связанных с износом деталей, подверженных различным видам изнашивания, составляет более 10 % валового национального дохода. Половина из них связана с абразивным изнашиванием, поэтому выяснение закономерностей сопротивления металлических материалов этому виду износа является актуальной проблемой трибологии и триботехники при выборе наиболее стойких материалов деталей машин, подвергающихся при эксплуатации интенсивному абразивному изнашиванию.

Абразивное изнашивание, наблюдаемое при контакте с абразивом, может быть подразделено на два вида в соответствии с характером силового взаимодействия поверхности детали с абразивом:

• абразивное изнашивание материала детали при статических прижимных нагрузках, возникающее при продольном перемещении поверхности детали и абразива;
• абразивное изнашивание материала детали в условиях динамического воздействия, возникающего при их соударении.

По характеру силового воздействия абразивных частиц на трущиеся поверхности детали различают:

• скольжение детали по монолитному образцу;
• качение детали по абразиву;
• соударение с частицами абразива;
• соударение детали с монолитным абразивом;
• влияние потока абразивных частиц на поверхность детали;
• скольжение детали в массе абразивных частиц;
• взаимодействие сопряженных деталей в контакте с абразивными частицами.

Основной характеристикой поверхности, определяющей абразивное изнашивание в условиях статического нагружения, является наличие на ней хорошо различимых мелких царапин и углублений различной протяженности, всегда ориентированных в направлении движения абразива (рис. 2).

Рис. 2. Рельеф поверхности зуба ковша экскаватора после изнашивания при скольжении по абразиву, ×3

Повышению износостойкости материалов при абразивном изнашивании способствуют:

• насыщение поверхностных слоев элементами, образующими высокотвердые соединения карбидов, нитридов, боридов металлов;
• способность более мягких структур удерживать высокотвердые кристаллы в поверхностном слое;
• способность материала упрочняться при деформировании;
• различные виды обработки поверхности (закалка, цементация, азотирование, борирование, обкатывание роликами, напыление износостойких материалов, обработка лучом лазера, термохимические и физические методы и т. д.).

Стойкость материалов при абразивном изнашивании в большой степени зависит от условий и режимов эксплуатации. Так, двигатель автомобиля, эксплуатируемого в песчаных районах, требует капитального ремонта после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапыленного воздуха он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.

Помещение абразивных частиц в зону силового контакта деталей со смазочным материалом резко увеличивает износ. Данное явление наблюдается в подшипниках скольжения двигателей, цилиндро‑поршневой группе, трансмиссиях и т. д. Концентрация абразивных частиц также способствует возрастанию износа. Эффективными методами защиты от попадания абразива в зону трения являются различные уплотнения, фильтры и др.

Рассматривая процесс абразивного изнашивания, необходимо отметить частные случаи его проявления:

• абразивное изнашивание при ударе;
• гидро— и газоабразивное изнашивание.

Изнашивание материалов под действием твердых частиц в потоках жидкости или газа при газоили гидроабразивном изнашивании, несмотря на различное состояние сред, имеет много общего. Воздействие абразивной частицы, переносимой воздушным или жидкостным потоком на поверхность трения, сопровождается либо ударом с последующим образованием на ней лунок, либо скольжением, формирующим царапины. Газоабразивное и гидроабразивное изнашивание возникает под действием твердых абразивных частиц, увлекаемых потоком газа или жидкости. Газоабразивное изнашивание наблюдается в котлах, работающих на пылевидном топливе, в деталях пневмотранспортных устройств; гидроабразивное — в деталях насосов, гидросистем, распределителей, заслонок, вентилей, различных трубопроводов и т. д.

Жидкость или газ, в которых происходит перемещение абразивных частиц относительно поверхностей деталей, оказывает разупрочняющее действие на поверхностный слой материала. При этом следует различать два случая взаимодействия абразивных частиц с материалом. Уровень динамического воздействия и макрорельеф поверхности трения в первую очередь определяются ориентацией газоили гидроабразивного потока к этой поверхности, или так называемым углом атаки (рис. 3).

Рис. 3. Схемы газоабразивного (а) и гидроабразивного (б) изнашивания

Угол атаки α — это угол наклона вектора скорости абразивной частицы к поверхности детали. Различают два крайних случая:

• угол α равен или близок к 90 ° (αmax);
• угол α близок к 0° (αmin).

Переход от αmax к αmin сопровождается изменением условий внешнего воздействия на поверхностный слой и соответственно количественными и качественными изменениями процесса изнашивания. При угле атаки равном или близком к 90° абразивные частицы осуществляют прямой удар по поверхности детали.

При этом некоторая доля кинетической энергии твердой частицы затрачивается на упругое деформирование материала, а оставшаяся часть после исчерпания упругости материала расходуется на его пластическое деформирование и разрушение, а также на раздробление абразивной частицы. В случае пластического деформирования поверхностного слоя более высокую износостойкость показывает тот материал, который способен накопить до разрушения большее количество скрытой энергии. Выделение большого количества энергии в момент удара частицы вызывает мгновенный нагрев микрообъемов поверхностного слоя. По мере уменьшения угла атаки до 0° величина ударного импульса снижается.

На процесс абразивного изнашивания могут влиять природа и свойства абразивных частиц, агрессивность среды, свойства изнашиваемых поверхностей, характер взаимодействия частиц и поверхностей, нагрев и другие факторы. Общим для абразивного изнашивания является механический характер разрушения поверхностей.

Основные разновидности абразивного изнашивания различаются по способу закрепления частиц (закрепленные, полузакрепленные, свободные) и по способу контакта поверхности трения с абразивными частицами (скольжение, качение, удар).

Изнашивание закрепленными абразивными частицами характерно для изнашивания ковшей экскаваторов, ножей бульдозеров и скреперов, горного и камнеобрабатывающего инструмента и т. д. Данному виду изнашивания близок процесс шлифования при механической обработке металлов.

В процессе изнашивания происходит упрочнение (наклеп) поверхностного слоя за счет механического воздействия деформированием, однако возможно и разупрочнение поверхностного слоя в результате нагрева или физико‑химического воздействия окружающей среды, если она вводится для охлаждения или промывки.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев установили, что относительная износостойкость ε технически чистых металлов и отожженных сталей при трении о закрепленные абразивные частицы прямо пропорциональна твердости НV этих металлов и сталей:

(1)

где b — коэффициент пропорциональности.

Аналогичная зависимость характерна и применима для полимерных материалов. Для термически обработанных (закалка и отпуск) конструкционных и инструментальных углеродистых и легированных сталей установлена зависимость

(2)

где ε 0 — относительная износостойкость стали в отожженном состоянии; b — коэффициент пропорциональности, зависящий от химического состава стали; НV и Н0V0 — соответственно твердость сталей в закаленном и отожженном состоянии.

Классическая зависимость относительной износостойкости ε при абразивном изнашивании технически чистых металлов, углеродистых и хромистых сталей от их твердости по Винеру, полученной отжигом и отпуском при различных температурах после закалки, графически представлена на рис. 4, по данным М. М. Хрущова и М. А. Бабичева.

Как видно из рис. 4, зависимость относительной износостойкости для чистых металлов описывается выражением (2.1), т.к. экспериментальные точки располагаются на прямой, проходящей через начало координат. Зависимости для термообработанных углеродистых и легированных сталей описываются выражением (2), т. к. экспериментальные точки располагаются на прямых линиях, не проходящих через начало координат.

Рис. 4. Зависимость относительной износостойкости чистых металлов, конструкционных и инструментальных сталей ε от их твердости НV при абразивном изнашивании (по М. М. Хрущову и М. А. Бабичеву)

Для углеродистых сталей 40, У8, У12 в состоянии после нормальной закалки и отпуска при разных температурах зависимость относительной износостойкости от твердости описывается выражением (2). Причем коэффициенты b для этих сталей примерно равны, т. к. прямые линии для них параллельны. Для инструментальных сталей 9ХГ, ШХ15 и Р9Ф1 справедлива зависимость износостойкости от твердости

где ε0, НV и НV0 — соответственно относительная износостойкость и твердость материалов в закаленном и отожженном состоянии; k — превосходящий коэффициент b в выражении (2) (наклон прямых линий более крутой (рис. 4).

Наивысшие значения износостойкости сталей на этом графике соответствуют мартенситу закалки (крайние правые точки на прямых), наименьшие значения — зернистому перлиту при максимальной температуре отпуска (крайние левые точки на прямых для термообработанных сталей). Интервал между этими крайними структурными состояниями отражает износостойкость отпущенного мартенсита, далее — бейнита, троостита и сорбита отпуска соответственно.

Видно, что принципиально аналогичная чистым металлам и отожженным углеродистым сталям взаимосвязь между твердостью и износостойкостью имеет для структур после закалки и отпуска менее крутую зависимость. По мере снижения твердости (повышения температуры отпуска) износостойкость уменьшается, причем при одинаковой твердости чем больше содержание углерода и карбидообразующих элементов в стали, тем износостойкость выше. Это естественно, потому что карбиды как наиболее твердая фаза повышают сопротивление сталей абразивному изнашиванию.

Однако известно, что большое значение имеет и металлическая матрица стали, которая должна сама противостоять воздействию абразивных частиц и прочно удерживать карбиды от выкрашивания. Поэтому из трех принципиально различных по природе фаз матрицы — феррита, мартенсита и остаточного аустенита — феррит имеет наименьшую износостойкость, а мартенсит и аустенит — наибольшую как обладающие максимальной способностью к фрикционному упрочнению, особенно если аустенит метастабилен. Следовательно, стали с метастабильным аустенитом вообще не вписываются в зависимость, показанную на рис. 4.

Таким же примером несовпадения между исходной твердостью и износостойкостью служит высокомарганцевая сталь со стабильным аустенитом, имеющим низкую энергию дефектов упаковки. При исходной твердости стали 110Г13Л порядка 2000 МПа ее абразивная износостойкость находится на уровне стали 40 после закалки и низкого отпуска со структурой отпущенного мартенсита и твердостью более 6000 МПа, т. к. рабочая поверхность стали 110Г13Л приобретает микротвердость примерно такую же, как закаленная сталь 40.

Гетерофазные структурные составляющие — перлит, сорбит и троостит — имеют карбиды разной степени дисперсности и по износостойкости занимают промежуточное положение между ферритом и мартенситом. Поэтому ряд исследователей обнаруживает отклонения от прямолинейной зависимости между исходной твердостью и износостойкостью для сталей разного класса в связи с тем, что разные структурные составляющие имеют неодинаковую способность к фрикционному упрочнению или появление избыточного цементита в заэвтектоидных сталях, несмотря на рост твердости, не вызывает пропорционального роста абразивной износостойкости вследствие хрупкости крупных карбидов.

При исследовании влияния соотношения твердости абразива НВа и твердости изнашиваемых материалов НВм на величину износа получены следующие зависимости:

• при НВа/НВм < 0,7…1,1 износа практически нет и износостойкость материала велика;
• при 0,7–1,1 < НВа/НВм < 1,3…1,7 износ пропорционален величине отношения НВа/НВм;
• при НВа/НВм > 1,3…1,7 относительный износ имеет конечную и постоянную величину, не зависящую от НВа/НВм.

Общая закономерность изнашивания в струе абразивных частиц состоит в том, что при увеличении отношения НВа/НВм более единицы интенсивность изнашивания резко возрастает.

На повышение износостойкости влияет насыщение поверхностных слоев элементами, образующими высокотвердые соединения карбидов, нитридов, боридов металлов, а также способность более мягких структур (аустенит) удерживать высокотвердые кристаллы в поверхностном слое и упрочняться в процессе деформирования при трении (например, высоколегированные стали аустенитного класса).

Изнашивание в абразивной массе наблюдается у рабочих органов почвообрабатывающих, дорожных и строительных машин, ковшей экскаваторов, драг и канавокопателей и т. д. Износостойкость деталей при этом виде абразивного изнашивания прямо пропорциональна твердости материалов. Существенное влияние на величину износа оказывает степень насыщенности массы абразивными частицами. В каждом конкретном случае существует определенная насыщенность частицами, при которой износ материала достигает максимума. Различные грунты имеют различную изнашивающую способность. Если принять изнашивающую способность глинистых грунтов за 1, то для песчаных она будет 1,5; для суглинистых 1,9; для супесчаных 2,3.

Важное значение при изнашивании в абразивной массе имеют химическая активность и влажность почв и грунтов, степень закрепленности абразивных частиц. Многие узлы трения и рабочие органы машин изнашиваются в результате трения о свободный абразив в присутствии коррозионно‑активных сред, например в морской и пресной воде. В результате окислительно‑восстановительных реакций и трибохимических процессов на поверхности трения происходит выделение водорода, часть которого диффундирует в сталь, интенсифицируя изнашивание.

Изнашивание исходно свободными абразивными частицами широко распространено и часто встречается при эксплуатации машин и оборудования. Несмотря на постоянное совершенствование средств защиты (воздушные, топливные и масляные фильтры, уплотнения), практически все узлы трения сельскохозяйственных, дорожных, горных, транспортных и других машин работают в условиях попадания в зазоры между сопряженными деталями исходно свободных (незакрепленных) абразивных частиц.

2. Эрозионное изнашивание

Эрозия в широком понимании — 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. Урванцев Л. А. 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 изнашивание происходит в результате механического воздействия на поверхность материала потоков жидкости или газа, которые разрушают оксидную пленку металла, а абразивные частицы в потоке способствуют более интенсивному изнашиванию. Такое воздействие сопровождается механическим уносом с поверхности частиц материала, что приводит к утонению стенок детали, могут появиться свищи. Скорость разрушения прямо пропорциональна кинетической энергии движущихся частиц и шероховатости поверхности деталей. Эрозия протекает совместно с окислительными процессами.

Сильно подвергаются эрозионному изнашиванию колеса турбодетандеров, дроссельные вентили. Большим сопротивлением эрозионному изнашиванию обладают вязкие металлы, способные к упрочнению, например аустенитные марганцовистые стали. Предупреждает развитие эрозионного изнашивания в запорной арматуре своевременное устранение неплотностей.

Эрозионное изнашивание близко к абразивному как по своей природе, так и по характеру воздействия. Происходит оно, например, вследствие движения очищающе‑охлаждающего промывочного или продувочного агента в трубах. Чем выше скорость его потока, чем больше в нем твердых абразивных фракций и чем дольше действие этого потока на данную поверхность, тем интенсивнее изнашивание и четче проявляется результат — эрозионный износ.

Такому изнашиванию в автомобиле подвержены в первую очередь рабочие поверхности тарелок выпускных клапанов двигателя, распылители форсунок, жиклеры карбюратора. Эрозионному изнашиванию подвергаются также детали арматуры, осуществляющие дросселирование жидкости: плунжеры и седла дросселирующих и регулирующих клапанов. Различают процессы щелевой или ударной эрозии и кавитационного разрушения металла. При щелевой эрозии поверхности деталей размываются действием струи влажного пара, проходящего с большой скоростью через щель, образуемую седлом и плунжером. При ударной эрозии материал разрушается под действием ударов капель воды о поверхность детали.

При кавитационном режиме движения в потоке быстро движущейся среды и соответствующих гидродинамических условиях образуются пузырьки (пустоты) в результате нарушения ее сплошности. Схлопываясь, они создают местные гидравлические удары, которые, действуя на металлическую поверхность, разрушают ее. Увеличение срока службы деталей при эрозионном изнашивании достигается в результате изменения режимов работы арматуры: уменьшения скорости среды в дросселирующем сечении путем снижения перепада давлений, применения ступенчатого (каскадного) дросселирования, увеличения сечения отверстий для прохода среды, применения эрозионно‑стойких материалов.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит накопление дефектов кристаллического строения, образование микротрещин, расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. Скорость изнашивания в этом случае невелика, но 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.

Эрозионному изнашиванию подвержены стальные и чугунные поршневые кольца авиационных двигателей (рис. 5), которые скользят 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.

Эрозионное изнашивание начинается часто с микроцарапин, возникающих при схватывании поверхностей трения. Уменьшить разрушение колец можно улучшением их приработки.

Рис. 5. Очаги эрозии на поверхности поршневого кольца авиационного двигателя

На процесс эрозионного изнашивания оказывает влияние присутствие посторонних частиц в потоке. Например, лопатки турбин более интенсивно изнашиваются под действием пара, содержащего частицы соли. Если поток содержит абразивные частицы, то изнашивание становится эрозионно‑абразивным. Скорость эрозионного изнашивания зависит от свойств твердых частиц, их концентрации, скорости движения в потоке.

Эрозия и коррозия 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.

3. Кавитационное изнашивание

Под кавитацией (от латинского слова cavitas — пустота) 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. В движущемся с большой скоростью потоке при 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 гидравлическим ударом о поверхность восстановление сплошности потока (рис. 6).

При определенных типах кавитации на площади в 1 см2 в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн кавитационных пузырьков. Наложение большого числа таких микроударов приводит к образованию очагов разрушения на поверхности металлической детали (рис. 6).

Рис. 6. Схема гидравлических ударов при сокращении кавитационного пузыря

Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопроводах, гидромониторах и потоках, обтекающих лопатки центробежных, пропеллерных насосов и 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 и вызывает непосредственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия в виде ямок, сливающихся в микрокаверны на внешней поверхности гильз цилиндров, или скоплений микрополостей на внешних кромках и местах приварки лопастей гребных винтов судов на подводных крыльях (рис. 7).

а б

Рис. 7. Внешний вид гильзы дизеля (а) и гребного винта катера на подводных крыльях (б), изношенных кавитацией

Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному упрочнению была использована при разработке хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей (МАС) с высокой кавитационной стойкостью. Богачев И. Н. с сотрудниками показали, что наибольшим сопротивлением кавитационному разрушению обладают МАС на хромомарганцевой основе, которые под влиянием микроударов быстро текущей воды претерпевают мартенситное превращение на рабочей поверхности деталей, обусловливая интенсивное упрочнение и высокую кавитационную стойкость.

На основе принципа метастабильности хромомарганцевого аустенита в УрФУ разработана группа кавитационно‑стойких МАС 30Х10Г10, 03Х14АГ12М и др. (табл. 1), обладающих активной кинетикой образования мартенсита при деформации и высокой способностью к упрочнению. Эти стали должны подвергаться относительно несложной термообработке — закалке (аустенитизации) от 1050–1100 оС в воде.

Хромомарганцевоникелевые МАС имеют лучшие пластические свойства, коррозионную стойкость, технологические свойства и свариваемость, чем сталь 30Х10Г10, за счет некоторого снижения кавитационной стойкости. В одинаковых условиях кавитационная стойкость стали 20Х12Н3Г4 приближается к стойкости стали 30Х10 Г10, а стойкость стали 03Х13Н3Г4 — к стойкости стали 03Х14АГ12М. По кавитационной стойкости метастабильные аустенитные стали также на порядок превосходят относительно стабильную в этих условиях сталь 12Х18Н10Т (рис. 8). Аналогичная зависимость характерна и для стойкости при гидроабразивном изнашивании.

Таблица 1. Механические свойства и кавитационная стойкость аустенитных сталей

Марка стали	o 0,2	σв	δ	ψ	КСU, МДж/м2	Потери массы за 10 ч испытаний, мг
	МПа		%
12Х18Н10Т	330	620	44	52	2,4	1250
30Х10Г10	340	790	16	9	1,2	15
03Х14АГ12М	450	955	45	49	2,8	150
20Х13Н3Г4	320	1530	24	15	2,3	40

Рис. 8. Потеря массы, твердость поверхности НВ, глубина наклепанного слоя h закаленных сталей 30Х10Г10 (1) и 12Х18Н10Т (2) и количество α‑мартенсита на поверхности образцов стали 30Х10Г10 (α) в процессе кавитационного воздействия при испытании на струеударном стенде (по И. Н. Богачеву и Р. И. Минцу)

Представления об использовании метастабильной структуры для повышения служебных свойств были развиты впоследствии в работах многих исследователей, применивших синергетические представления в материаловедении и показавших всеобщность явления структурной приспособляемости материалов, самоорганизации структуры, направленной на уменьшение интенсивности повреждающих факторов внешнего воздействия. МАС являются наиболее яркими представителями материалов, проявляющих свойства синергетических систем. Повышение износостойкости и усталостной прочности таких сталей в сравнении со стабильными аустенитными сталями близкого состава достигается за счет проявления эффектов от развития ДМП в метастабильном аустените в процессе воздействия на поверхность абразивных частиц и циклического нагружения — интенсивного упрочнения при нагружении и создания сжимающих напряжений на поверхности вследствие образования мартенситных фаз и релаксации напряжений в момент фазовых превращений (микроПНП‑эффекта (ПНП — пластичность, наведенная превращением).

МАС целесообразно использовать в условиях, когда рабочая температура среды не превышает Мд γ→ε→α‑превращений. В противном случае кавитационная, абразивная, гидроабразивная стойкость и циклическая прочность будут снижаться, что видно на примере сталей 03Х14АГ12М, 20Х13Н3Г4 (табл. 1), однако они лучше обрабатываются резанием в сравнении со сталью 30Х10Г10.

Кавитационно‑стойкие МАС используют для изготовления литых деталей гидромашин (лопасти гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов) и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитации, а также выпускают в виде листа и электродов для защитной облицовки или наплавки деталей из углеродистых сталей. Однако изготовление гребных винтов судов на подводных крыльях, имеющих сложную геометрическую форму в цельнолитом или сварно‑литом вариантах из кавитационно‑стойких МАС, не получило широкого распространения вследствие технологических трудностей. Поэтому наплавка и облицовка лопастей гидротурбин, насосов и других деталей, в т. ч. методом сварки взрывом, служит основным технологическим способом использования кавитационно‑стойких МАС.

Принцип Богачева — Минца как научная основа решения проблемы повышения контактной прочности металлических сплавов, выбора материалов и режимов их термической обработки оказался применим и для других видов изнашивания. Однако применительно к каждому виду механического изнашивания необходимо использовать правило метастабильности аустенита: Мн < 20 оС или температуры эксплуатации во избежание появления хрупких кристаллов мартенсита охлаждения, Мд > 20 оС для обеспечения образования мартенсита деформации. Конкретное наполнение этого правила должно быть разным.

Преимущества МАС системы Fe–Mn–Cr–C перед стабильными сталями близкого состава могут быть реализованы тогда, когда конкретным условиям эксплуатации (усталостное, абразивное, ударно‑абразивное изнашивание, гидрои газоабразивное, эрозионное, кавитационное, циклическое контактно‑ударное воздействие) соответствует сталь определенного химического состава. При правильном выборе состава хромомарганцевого аустенита (сочетания углерода, хрома и марганца) обеспечивается благоприятная кинетика мартенситных превращений, и достигаются свойства образующихся мартенситных фаз для реализации микро‑ПНП эффекта и сильного упрочнения микрообъемов рабочей поверхности деталей машин.

Например, для сталей, способных успешно противостоять абразивному изнашиванию, содержание углерода в метастабильном аустените должно быть не менее 0,6 %, чтобы их износостойкость при испытании по закрепленному абразиву достигла таковой для износостойкости стали 110Г13Л. Сталь 30Х10Г10Л, имея на порядок более высокую, чем сталь 110Г13Л, кавитационную стойкость, уступает этой стали по абразивной износостойкости вследствие невысокого содержания углерода в мартенсите деформации, что не обеспечивает достаточно высокого уровня упрочнения рабочей поверхности, несмотря на активную кинетику деформационных мартенситных превращений (ДМП).

4. Усталостное изнашивание

Контактная усталость при трении происходит в результате накопления повреждений и разрушения поверхности под влиянием циклических контактных нагрузок, вызывающих появление «ямок» выкрашивания (питинг). Усталостное изнашивание проявляется при трении качения или реже — качения с проскальзыванием. Так, контактную усталость можно наблюдать в тяжело нагруженных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах подвижного состава железнодорожного транспорта и т. д.

При механическом взаимодействии деталей в поверхностных слоях материала возникает сложное напряженное состояние: перед выступом шероховатости образуется зона сжатия материала, а за выступом — зона растяжения. В результате такого знакопеременного циклового воздействия в микрообъемах материала накапливаются повреждения, снижающие его прочность. Накопление усталостных микроповреждений ведет к разрушению поверхностных слоев материала в зоне трения.

Изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению (выкрашиванию) частиц, называется усталостным изнашиванием. Причины усталостного разрушения поверхностного слоя заключаются в знакопеременном характере напряжений в зоне контакта металлов при трении (рис. 9). Материал кольца перед фронтом микронеровности будет испытывать сжимающие напряжения, а после пятна контакта — растягивающие.

Поскольку контакт поверхностей трения имеет дискретный характер, пятно контакта испытывает многократное воздействие (механическое, тепловое) других пятен контакта. Постепенное повышение плотности дефектов кристаллического строения приводит к образованию микротрещин и локальному разрушению поверхностного слоя.

Усталостное изнашивание — это процесс разрушения поверхностей деталей от внутренних напряжений, пластических деформаций, накопления плотности дефектов кристаллического строения до критического значения. При этом на поверхности трения образуются микротрещины, трещины, единичные и групповые ямки. Интенсивность усталостного изнашивания зависит от величины нагрузки, ее длительности и количества изменений направления этой нагрузки.

Впервые на усталостную природу изнашивания при трении скольжения указал Д. В. Конвисаров (Уральский индустриальный институт). Причины усталости поверхностного слоя деталей он усматривал в повторных или знакопеременных движениях деталей машин. Изнашивание твердых тел при трении сходно с разрушением их от усталости, а разница между обоими разрушительными процессами заключается в том, что за изнашиванием можно легко проследить, усталость же металлов проявляется почти всегда внезапной аварией.

Экспериментально доказана знакопеременность напряжений в зоне контакта деталей при трении. На рис. 9 приведена схема нагружения элементов поверхности вращающегося кольца при трении о неподвижный образец. Материал кольца перед неподвижным образцом испытывает напряжение сжатия, а после контакта этот же материал растянут. Сжатые участки кольца обозначены знаком минус, растянутые — знаком плюс. Таким образом, за один оборот материал кольца при наличии одного неподвижного образца будет испытывать одно сжатие и одно растяжение. При этом напряжения элементов поверхности неподвижного образца за период полного оборота кольца не изменяются.

Рис. 9. Схема нагружения элементов поверхности кольца: 1 — кольцо; 2 — образец; Q — напряжение на площадке А кольца; а₂ — напряжение на площадке А неподвижного образца; τ — время

Механизм усталостного изнашивания материала объясняют поразному. Большое распространение в настоящее время получила теория усталостного изнашивания, разработанная группой советских ученых под руководством И. В. Крагельского. Согласно этой теории, частицы износа поверхности трения могут отделяться и без внедрения шероховатостей одной детали в поверхностные слои другой детали сопряжения.

Изнашивание может происходить вследствие усталости микрообъемов материала, возникающей под действием многократных сжимающих и растягивающих усилий, не превышающих критические Ркр. В результате циклического воздействия нагрузки на поверхности детали возникают усталостные микротрещины, которые, постепенно смыкаясь, приводят к образованию частиц износа.

Такое явление получило название фрикционно‑контактной усталости. Данный вид изнашивания происходит в результате механических воздействий при трении двух соприкасающихся поверхностей, например в шестеренных передачах зубьев шестерен (трение зуб о зуб), в червячных передачах — поверхности червяка и червячного колеса, в подшипниковых соединениях — цапфы и втулки (подшипники скольжения).

В процессе эксплуатации механизмов их отдельные сборочные единицы (узлы трения) изнашиваются, т. е. теряют свои первоначальные свойства.

Все трущиеся детали механизмов в соединениях имеют мельчайшие неровности, высота которых зависит от шероховатости поверхности. Высота этих неровностей достигает 6–10 мкм. Трущиеся поверхности изнашиваются вследствие соприкосновения этих неровностей. Интенсивность изнашивания трущихся поверхностей зависит также от свойств смазочного материала и степени герметизации соединений сборочных единиц.

Усталостное изнашивание неустранимо, однако профилактические меры, предусмотренные системой планово‑предупредительного технического обслуживания и ремонта, способствуют резкому снижению этого вида изнашивания. Особенно эффективно замедление процесса усталостного изнашивания достигается в результате упрочнения рабочих поверхностей в результате поверхностной пластической деформации и закалки, создающих остаточные напряжения сжатия.

Процесс усталостного изнашивания обычно связан с многократно повторяющимися циклами напряжений в контакте качения или скольжения. В процессе взаимодействия поверхностей в их верхних слоях возникают поля напряжений. Схема распределения напряжений при контакте цилиндра с плоскостью, рассчитанная методом конечных элементов, приведена на рис. 10.

Рис. 10. Схема распределения касательных напряжений, возникающих при качении цилиндра по плоскости

В процессе трения на рабочей поверхности деталей возникают максимальные напряжения сжатия, а по глубине материала детали распространяются направленные касательные напряжения, максимум которых концентрируется на некотором расстоянии от точки их контакта.

Интенсивность усталостного изнашивания определяется следующими факторами:

• наличием остаточных напряжений в поверхностях концентраторов напряжений (окислы, другие крупные включения, дислокации);
• качеством поверхности (микрорельеф, загрязнения, вмятины, царапины, задиры, канавки, риски);
• распределением нагрузки в сопряжении (упругие деформации, перекосы деталей, зазоры);
• видом трения (качения, скольжения или качения с проскальзыванием);
• наличием и типом смазочного материала.

Далее опишем процесс усталостного изнашивания (рис. 11, а). При вступлении в контакт двух поверхностей в относительном движении сначала на трущейся поверхности образуются усталостные микротрещины 2. Смазочный материал, попадая в микротрещины, способствует их расклиниванию 3 и выкрашиванию 4 частиц металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие ямки (питтинг).

Число этих ямок и одновременно их размеры увеличиваются до тех пор, пока растущие контактные напряжения на рабочих поверхностях не приведут к пластической деформации и интенсивному изнашиванию детали. Толщина разрушенного слоя металла примерно соответствует глубине распространения под поверхностью максимальных касательных напряжений.

Рис. 11. Схема усталостного изнашивания поверхности при P < P_кр и возникновении первичной микротрещины на поверхности (а) и микротрещины в подповерхностном слое (б) (по В. А. Зорину)

В зависимости от соотношения нормальной и тангенциальной составляющих сил в контакте, а также структуры материала и его физико‑механических свойств первичная микротрещина может зародиться и в подповерхностном слое.

В таком случае механизм разрушения поверхности можно представить следующим образом (рис. 11, б): 1 — зарождаются подповерхностные дислокации; 2 — идет процесс накопления дислокаций; 3 — образуются полости; 4 — слияние полостей ведет к образованию микротрещин, параллельных поверхности трения; 5 — при достижении микротрещиной некоторой критической длины отделяется частица износа. Подповерхностные микротрещины зарождаются, как правило, у деталей с неоднородной структурой материала; азотированных, цементованных, поверхностно закаленных, а также у деталей, работающих при очень больших контактных напряжениях.

Участки рабочих поверхностей деталей, поврежденные усталостным изнашиванием, имеют две типичные области: относительно гладкого материала, которая формируется по краям в результате трения двух сторон микротрещины при ее раскрытии и смыкании (в этой области металл обычно имеет специфическую окраску вследствие воздействия масла, пыли и продуктов коррозии), и шероховатой поверхности «рваного» металла, расположенной на дне раковины.

Способность детали сопротивляться усталостному изнашиванию обычно оценивают временем работы τ в заданных условиях до отрыва частиц металла. Наибольшее влияние на развитие усталостного изнашивания оказывают условия трения (нагрузка и температура), свойства материалов (твердость и шероховатость поверхности) и применяемые смазочные материалы. Сопротивление материалов питтингу прямо пропорционально твердости рабочей поверхности и вязкости смазочного материала. С возрастанием нагрузки N на рабочую поверхность деталей наработка до возникновения усталостного выкрашивания уменьшается (рис. 12).

Смазочные материалы уменьшают напряжение, действующее в контакте, в результате чего процесс образования микротрещин в начальной стадии идет медленнее. Усталостное изнашивание наиболее часто наблюдается в условиях высоких контактных нагрузок при одновременном качении и проскальзывании одной поверхности под другой. В таких условиях работают, например, зубчатые колеса, тяжело нагруженные шестерни и подшипники качения, зубчатые венцы.

Усталостное изнашивание материала может быть умеренным и прогрессирующим. Усталостное изнашивание рабочих поверхностей деталей сопровождается повышением уровня шума и вибрации по мере увеличения износа.

Рис. 12. Зависимость времени наработки (τ) до появления усталостного выкрашивания от вязкости смазочного материала (μ), твердости материала (НВ) и нагрузки (N)

Обычное умеренное усталостное изнашивание для большинства пар трения не является опасным, и детали, имеющие усталостные повреждения, могут использоваться длительное время. Прогрессирующее изнашивание возникает при высоких контактных напряжениях, сопровождается интенсивным разрушением поверхности и может привести к поломке деталей (например, зуба шестерни).

При интенсивном абразивном изнашивании рабочих поверхностей их разрушение происходит быстрее, чем образование усталостных трещин. Поэтому, как правило, в таких случаях питтинг не наблюдается.

5. Изнашивание при схватывании и заедании

Схватывание при трении — приваривание, сцепление, местное соединение двух твердых тел под действием молекулярных сил. При этом образуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта поверхностей. В местах схватывания исчезает граница между соприкасающимися телами, происходит сращивание одно- и разноименных металлов.

Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Оно сопровождается прочным соединением контактирующих участков поверхностей трения. В процессе трения относительное перемещение поверхностей приводит к вырыву частиц металла одной поверхности и наволакиванию их на другую более твердую поверхность.

Схватывание — это процесс недопустимого повреждения, которое развивается в результате возникновения локальных металлических связей между поверхностями, деформации этих связей и разрушения с отделением частиц металла или их налипанием на поверхность. Металлические связи возникают вследствие интенсивной деформации поверхности.

При механических видах изнашивания металлических материалов основным первичным процессом, обусловливающим возникновение износа, является упругопластическая деформация поверхностных слоев материалов, приводящая к возникновению в поверхностных слоях большого количества дефектов кристаллического строения (точечные дефекты, дислокации, дефекты упаковки, двойники), сильной фрагментации зерен, текстурированию металла, а также к образованию ультрамелкокристаллической структуры с размером кристаллитов 0,01–1,00 мкм. Схватывание облегчается в случае трения одноименных поверхностей (например, медь — бронза, бронза — латунь).

На явлении схватывания при совместном пластическом деформировании металлов основаны технологические процессы холодной сварки металлов и получения биметаллов методом холодной прокатки. Если при технологических процессах соединения металлов методом холодной сварки и плакирования схватывание используется намеренно, то при резании металла, холодной обработке давлением и при трении схватывание является вредным сопутствующим процессом. Схватывание, при котором имеет место задир, является одним из наиболее опасных и относится к катастрофическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности, и трущиеся детали выходят из строя. Различают схватывание I рода (холодный задир) и II рода (горячий задир) (рис. 13).

Холодный задир происходит при трении с небольшими скоростями относительного перемещения (до 0,5–0,6 м/с) и удельными нагрузками, превышающими σт, при отсутствии смазочного материала и защитной пленки окислов. Развивается на глубину до 0,5 мм. Средняя температура поверхности при этом достигает не более 100 оС. Возникает при трении скольжения с малыми скоростями и при небольшой нагрузке при отсутствии на поверхности смазки или окисной пленки. Протекает при трении вследствие сближения ювенильных участков в точках контакта поверхностей на расстояние действия межатомных сил. В этих точках активизируются источники дислокаций; перемещение и взаимодействие последних приводит к повышению количества точечных дефектов кристаллического строения. Это вызывает диффузионный обмен атомами между поверхностями, в результате чего возникают металлические связи с взаимной достройкой электронных уровней объединяемых атомов.

Накопление дефектов кристаллического строения и взаимодействие их между собой приводят к возникновению в поверхностном слое материалов многочисленных субмикро- и микротрещин, развитие которых в конечном итоге обусловливает отделение фрагментов материала — продуктов изнашивания (частиц износа). Такие «мостики» холодной сварки существуют считанные доли секунды, после чего они разрушаются тангенциальными напряжениями при трении. Поскольку место сварки упрочнено наличием большого количества дефектов кристаллического строения, разрушение происходит в другой точке, немного вглубь от поверхности. Таким образом, частица металла отрывается с одной поверхности и переносится на другую.

Рис. 13. Внешний вид рабочей поверхности коленчатого вала тяжелого грузовика после изнашивания схватыванием I рода и глубинным вырыванием при трении скольжения

Горячий задир, наоборот, имеет место при трении скольжения с большими скоростями (более 0,6 м/с) и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500–1500 °C). Механизм возникновения данного типа разрушения такой же, как и у схватывания I рода. Оно возникает при трении скольжения с большими скоростями и нагрузкой, когда существенно повышается температура в месте контакта. При нагреве металл интенсивно размягчается, вследствие чего облегчается возникновение металлических связей между поверхностями.

В очень тяжелых условиях трения в месте схватывания происходит оплавление поверхности, т. е. температура в зоне трения достигает 1500 оС и выше. Схватывание II рода происходит при сухом трении или граничной смазке, когда высокое давление разрушает защитные вторичные пленки, а высокая температура служит причиной десорбции смазочного материала с поверхности.

При схватывании I рода коэффициент трения составляет 0,5– 4,0, толщина разрушающегося слоя — до 3–4 мм, а при схватывании II рода — соответственно 0,10–1,0 и до 1,0 мм.

При трении качения в условиях граничной смазки также наблюдается изнашивание, вызванное схватыванием материалов и заеданием. Схватывание происходит при местном разрыве смазочной пленки и установлении металлического контакта, что возможно не только при прекращении подачи смазочного материала, но и вследствие общей перегрузки сопряжения, резкого повышения температуры масла в поверхностных слоях, местных температурных вспышек и т. д.

6. Окислительное изнашивание

Окислительное изнашивание (ОИ) является проявлением структурного приспособления металлов при трении. ОИ протекает в условиях нормального процесса трения и заключается в образовании вторичных пленок твердых растворов и химических соединений металла с кислородом и их удалении с поверхности трущихся деталей.

Главная особенность ОИ состоит в том, что скорость разрушения пленок не превышает скорости их образования. Пластическая деформация активирует поверхность, стимулируя процесс окисления; деформационные и окислительные процессы протекают в поверхностных слоях толщиной 10–100 нм. Окислительный износ имеет место в отсутствие агрессивной среды, при нормальной или повышенной температурах без смазки или при ее недостатке. Скорость изнашивания при ОИ мала благодаря защитному действию окисных пленок, предотвращающих

поверхности от схватывания. Под влиянием повторной пластической деформации пленки разрушаются, и если пленки твердые, то их частицы могут быть абразивом, царапающим поверхность. Разрушенные окисные пленки очень быстро восстанавливаются, при этом процесс восстановления пленок усиливается под влиянием повышения температуры в зоне трения.

Окислительное изнашивание характеризуется протеканием одновременно двух процессов — пластической деформации малых объемов металла поверхностных слоев и проникновения кислорода воздуха в деформированные слои. В первой стадии происходит разрушение и удаление мельчайших твердых частиц металла из непрерывно образующихся (от проникновения кислорода) пленок. Для второй стадии характерно образование и выкрашивание пластически недеформирующихся хрупких окислов.

Интенсивность изнашивания зависит от окислов, препятствующих схватыванию поверхностей. При обычных температурах окисление поверхностей активизируется пластической деформацией, поэтому необходимо создавать поверхности трения с высокой твердостью. Повышение температуры способствует росту окисных пленок, а вибрация разрушает их.

Окислительное изнашивание возникает при трении скольжения и трении качения. При трении скольжения оно становится ведущим, а при трении качения — сопутствующим другим видам изнашивания. Проявляется этот вид изнашивания при сравнительно невысоких скоростях скольжения и небольших удельных нагрузках, а также на таких деталях, как шейки коленчатых валов, цилиндры, поршневые пальцы и др. Интенсивность изнашивания можно уменьшить, сменив смазочный материал, понизив рабочую температуру узла трения.

ОИ проявляется при следующих скоростях скольжения: при сухом трении для отожженных сталей — до 4 м/с и для закаленных сталей — до 7 м/с; при граничном трении — до 25 м/с. При этом удельная нагрузка не должна превышать значений, при которых разрушаются масляные пленки или окисные слои. Температура в зоне трения ограничивается величиной 200 оС; при более высокой температуре происходит размягчение металла и десорбция смазки с поверхности, т. е. активизируются процессы, которые приводят к схватыванию II рода. В зависимости от условий трения и свойств материалов, составляющих пару трения, ОИ может проявляться в двух формах. Первая форма состоит в образовании подвижных, довольно пластичных пленок

вторичных структур, которые перемещаются по поверхности и заполняют впадины и неровности (структуры 1‑го рода) (рис. 14). Поверхность становится очень гладкой без значительных признаков рельефа (рис. 15).

Рис. 14. Схема строения поверхностных слоев при ОИ: а — вторичные структуры 1‑го рода, б — вторичные структуры 2‑го рода

Рис. 15. Состояние поверхности трения цапфы шестерни гидроцилиндра, покрытой пленками 1‑го рода: а — внешний вид цапфы; б — микрофотография, х300; в — субмикрофотография, х12000

Вторичные структуры 1‑го рода представляют собой твердые метастабильные растворы кислорода в металле, а также эвтектики разной степени насыщения. Твердость вторичных структур 1‑го рода превышает твердость основы. Изнашивание структур 1‑го рода происходит путем перемещения тонких пленок по поверхности контакта с последующим выносом их с поверхности (рис. 16). Особенностью таких пленок является отсутствие четкой границы между ними и основным металлом.

Другая форма ОИ связана с образованием твердых и хрупких пленок на основе химических соединений кислорода с металлом — вторичных структур 2‑го рода, которые имеют твердость, значительно превышающую твердость основного металла. Поверхность трения отличается гетерогенностью строения с наличием участков, на которых прошло разрушение и удаление пленок (рис. 17).

Рис. 16. Схема образования и выноса с поверхности подвижных вторичных структур 1‑го рода: а — в плане; б — в сечении

Рис. 17. Схема образования и выноса с поверхности хрупких вторичных структур 2‑го рода: а — в плане; б — в сечении

Механизм изнашивания защитных слоев 2‑го рода состоит в возникновении в пленках отдельных субмикротрещин, которые затем развиваются и приводят к отслоению пленок с поверхности металла. Разрушению оказывает содействие повышенная хрупкость структур 2‑го рода, напряжения в слое, обусловленные разным удельным объемом окисла и металла, а также отсутствие достаточно прочного соединения пленки с основой (на что указывает четкая граница раздела между окисным слоем и основой). Основные характеристики вторичных структур приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики вторичных структур при окислительном изнашивании

Характеристика	Форма вторичных структур
	1‑го рода	2‑го рода
Класс чистоты поверхности	10–14	9–13
Глубина слоя, который разрушается	10–30 нм	10–100 нм
Температура поверхностного слоя	До 100 оС	До 200 оС
Повышение твердости относительно основного металла	2–3 раза	4–5 раз
Коэффициент повышения объема поверхностного слоя	1,0–1,05	1,05–1,08
Разрушение поверхностного слоя	Вязкое	Вязкохрупкое
Скорость изнашивания	До 0,1 мкм/ч	До 0,05 мкм/ч

Структуры 1‑го рода чаще возникают на термообработанных сталях и чугунах, в особенности после дополнительного применения упрочняющих технологий. Повышенная прочность сталей и чугунов предопределяет их малую активацию (т. е. пластическую деформацию) во время трения. Повышенной склонностью к образованию пленок 2‑го рода отличаются цветные сплавы.

Благодаря низкой прочности и повышенной химической активности цветные сплавы достаточно легко деформируются и интенсивно пассивируются, соединяясь с кислородом и другими компонентами среды. Возникновение пленок 2‑го рода также характерно и для твердых подшипниковых сталей в условиях трения качения (рис. 18).

Рис. 18. Вид поверхности трения подшипника гидронасоса, покрытой пленками 2‑го рода: а — внешний вид цапфы; б — микрофотография, х300; в — субмикрофотография, х20000

Образование пленок того или другого рода зависит от типа материалов, наличия и типа смазки, а также условий трения. Если трение происходит при малых скоростях скольжения и малых нагрузках, на поверхности возникают вторичные структуры 1‑го рода. По мере возрастания удельной работы трения (вычисляемой как А = PV) повышается интенсивность структурно‑термической активации поверхности и осуществляется переход от структур 1‑го рода к структурам 2‑го рода; при этом дальнейший рост А приводит к повышению содержания кислорода в соединении, окислы становятся более стабильными, а затем к образованию соединений стехиометрического состава (на сплавах железа — Fe2O3, Fe3O4).

Такое изменение строения защитных вторичных слоев наблюдается при переходе от граничного трения к сухому. Наличие масляной пленки между поверхностями при граничном трении обеспечивает перераспределение нагрузки и более равномерную деформацию поверхности; последняя сосредоточивается в очень тонких поверхностных слоях, приводя к их текстурированию и аморфизации.

Активированные таким образом поверхностные слои взаимодействуют с кислородом (пассивируются), а степень этого взаимодействия контролируется экранирующим действием смазочного материала. Масло препятствует доступу кислорода к поверхности, поэтому в активированных слоях металла возникают ненасыщенные кислородом структуры: метастабильные твердые растворы и тонкие эвтектики (подвижные, хорошо сцепленные с поверхностью пленки 1‑го рода).

При сухом трении за счет сил адгезии усиливается деформация поверхности, т. е. повышается ее активация, что стимулирует процесс пассивации (насыщение поверхности кислородом), при этом ничто не препятствует доступу кислорода к месту контакта.

В результате возникают защитные слои 2‑го рода, более насыщенные активными компонентами среды. Сначала, при недостаточно большом уровне энергии трения, структуры 2‑го рода представляют собой химические соединения нестехиометрического состава и имеют хорошие защитные свойства. По мере повышения давления или скорости скольжения количество кислорода в пленках возрастает, т. е. они становятся более пассивированными, что приводит к возрастанию удельного объема пленок. В них возникают напряжения, что вызывает ухудшение сцепления с основным металлом.

Сами пленки становятся толстыми, рыхлыми, падает их прочность, возрастает хрупкость; они довольно легко разрушаются и удаляются с поверхности. Постепенно, с ростом работы трения, структуры 2‑го рода теряют защитные качества, и сам факт их образования вызывает повышение интенсивности окислительного изнашивания. В табл. 3 приведены данные относительно свойств защитных структур, возникающих на стали 45 при граничном и сухом трении.

Таблица 3. Свойства защитных структур, возникающих на стали 45 при граничном и сухом трении

Характеристика структуры	Граничное трение (структуры 1‑го рода)	Трение без смазочного масла (структуры 2‑го рода)
Толщина пленки	0,01–0,03 мкм	10–100 мкм
Содержание кислорода	1–10 %	20–30 %
Тип соединения, внешние признаки	Твердые растворы и эвтектики; стекловидные, бледно‑матовые; субмикротрещины, волнистость поверхности; класс чистоты: 12…14 — на пленке, 9…12 — под пленкой	Окислы, цвет окислов металла, трещины; класс чистоты: 9…10 — на пленке, 6…7 — под пленкой
Скорость изнашивания	Не более 0,01 мкм на 1000 м пути трения	10 мкм на 1000 м пути трения
Микротвердость	1000–1200 HV	800–900 HV

Окислительное изнашивание фиксируют на калибрах, деталях шарнирно‑болтовых соединений, металлических колесах фрикционных передач и т. п. (рис. 19).

Рис. 19. Внешний вид деталей, работающих в условиях окислительного износа

Кроме окислительных пленок, защитные пленки могут иметь некислородное происхождение, т. е. быть по составу сервовитными, сульфидными, фосфидными и т. п. Третья разновидность механизмов окислительного изнашивания — механохимическая форма абразивного изнашивания. Она имеет общие черты с чисто абразивным изнашиванием (т. е. режущее, царапающее воздействие твердых частиц), но отличается от него тем, что абразивные частицы внедряются неглубоко, поэтому они в состоянии удалить с поверхности не микрочастицы металла, а лишь тонкую окисную пленку. Следовательно, потеря массы детали от такого вида изнашивания будет минимальна.

7. Водородное изнашивание

Водородное изнашивание связано с присутствием водорода в поверхностном слое металлических деталей узлов трения. Как один из процессов разрушения металлических поверхностей при трении водородное изнашивание установлено Д. Н. Гаркуновым и А. А. Поляковым.

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей. Водород выделяется из материалов деталей пары трения или из окружающей среды (смазочный материал, рабочая жидкость — топливо, вода и др.) и ускоряет изнашивание. Водородное изнашивание вызывается следующими процессами, происходящими в зоне трения:

• интенсивным выделением водорода при трении в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, создающей источник непрерывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна;
• адсорбцией водорода на поверхностях трения;
• диффузией водорода в деформируемый слой металла, скорость которой определяется градиентами температур и напряжений, что приводит к накоплению водорода в процессе трения;
• особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования и с эффектом накопления водорода, характерным для мгновенного разрушения и образования мелкодисперсного порошка изнашиваемого материала.

Установлены два вида изнашивания металлических деталей под влиянием водорода — изнашивание диспергированием и изнашивание разрушением.

При водородном изнашивании диспергированием на поверхностях трения не наблюдается задиров, вырывов, заметного переноса материала с одной поверхности трения на другую. Поверхности трения могут иметь блеск и очень мелкие царапины, риски, которые не видны невооруженным глазом, и направлены вдоль направления движения.

Водород в зависимости от его количества в поверхностном слое усиливает диспергирование металла. Установлено, что при незначительном наводороживании износостойкость образцов стали 45 несколько повышается, а при дальнейшем наводороживании — снижается (рис. 20). Это объясняется тем, что при незначительном наводороживании несколько повышается твердость стали.

Рис. 20. Зависимость относительной микротвердости стали 45 от продолжительности наводороживания

Как видно из рис. 20, микротвердость в течение первых полутора часов наводороживания увеличивается, а затем снижается и становится меньше исходной. Это свидетельствует о том, что при насыщении стали водородом происходит разрыхление поверхности слоя и, как следствие, снижение его износостойкости (рис. 21).

Водородное изнашивание разрушением отличается от вышеописанного вида изнашивания тем, что поверхностный слой металла (чугуна или стали) толщиной до 1–2 мкм при определенных условиях разрушается мгновенно. Это происходит тогда, когда в поверхностном слое накапливается достаточно большое количество водорода.

Накоплению водорода способствует десорбция смазочного материала из поверхностного слоя металла при трении, поскольку водород получает возможность занять большое число адсорбционных центров на поверхности. В процессе трения концентрация водорода в стали непрерывно возрастает. Водород проникает в зародышевые трещины, полости, межкристаллитные границы и другие места.

Рис. 21. Зависимость количества поглощенного водорода С_н (1) и интенсивности изнашивания Ј (2) от продолжительности наводороживания

В условиях трения происходит периодическое деформирование поверхностного слоя и объем дефектных областей (полостей) изменяется. Поступающий в полости водород молизуется и, не имея возможности выйти обратно при уменьшении объема, стремится расширить полость, создавая высокое напряжение.

8. Изнашивание при фреттинг-коррозии

Фреттинг-коррозия — это процесс разрушения плотно контактирующих поверхностей пар металл–металл или металл–неметалл при их колебательных перемещениях в условиях воздействия коррозионной среды.

Для возбуждения фреттинг‑коррозии достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разрушение заключается в образовании на соприкасающихся поверхностях мелких язв и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Этому виду изнашивания подвержены не только углеродистые, но и коррозионно‑стойкие стали в парах трения сталь–сталь (могут быть как одноименные, так и разноименные), сталь–олово или алюминий, сурьма, а также чугуны и многие другие пары трения.

Фреттинг‑коррозия развивается в болтовых соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, листовых рессорах, шестернях, муфтах и т. д. Она возникает в результате непрерывного разрушения защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта.

Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающихся поверхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты изнашивания не могут выйти из зоны контакта, в результате чего возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.

При фреттинг‑коррозии несмазанных поверхностей относительная скорость движения соприкасающихся поверхностей небольшая. Так, в случае гармонических колебаний с амплитудой 0,025 мм и частотой 50 с–1 максимальная скорость составляет 7,5 мм/с, а средняя — 2,5 мм/с. Если амплитуда колебательного движения большая (около 2,5 мм), то площадь поражения фреттинг‑коррозией увеличивается и изнашивание происходит как при однонаправленном скольжении. Поэтому можно считать, что амплитуда перемещения поверхностей около 2,5 мм является верхним пределом амплитуды для возбуждения фреттинг‑коррозии.

Фреттинг‑коррозия осуществляется также в вакууме, в среде кислорода, азота и гелия. Интенсивность изнашивания при фреттингкоррозии в атмосфере воздуха выше, чем в вакууме и в среде азота, а в кислороде больше, чем в гелии. Таким образом, фреттинг‑коррозия представляет собой вид разрушения металлов и сплавов в малои неагрессивных коррозионных средах при одновременном воздействии механических и химических факторов.

Язвы и продукты коррозии на сопряженных поверхностях валов и напрессованных на них дисков, колес, муфт и колец подшипников качения, осях и ступицах колес подвижного состава железных дорог, запрессованных в картерах вкладышах подшипников, пригнанных поверхностях шпонок и их пазов, центрирующих поверхностях шлицевых соединений, опорах силоизмерительных устройств, опорных поверхностях пружин, затянутых стыках, в заклепочных соединениях между листами, на заклепках и в отверстиях, на болтах и т. п.— результат проявления фреттинг‑коррозии. Данный вид коррозии наблюдается в проволочных канатах, электровыключателях, рубильниках и штепсельных разъемах (рис. 22).

Рис. 22. Штепсельный разъем электрической проводки

Продукты фреттинг‑коррозии накапливаются в виде порошков, содержащих металлические частицы. В случае удаления порошков из зоны трения происходит ослабление посадок с натягом.

Необходимые для протекания данного процесса относительные микросмещения сопряженных поверхностей совершаются вследствие деформации деталей под нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происходящих в упругих системах. Повреждения поверхностей вследствие фреттинг‑коррозии служат коцентраторами напряжений и снижают предел усталости.

При фреттинг‑коррозии протекают следующие процессы. Под действием сил трения кристаллическая решетка поверхностных слоев при циклических тангенциальных смещениях расшатывается и разрушается. Процесс разрушения представляет собой диспергирование поверхности без удаления продуктов изнашивания. Оторвавшиеся частицы металла подвергаются быстрому окислению. Дополнительным источником повреждения поверхностей может явиться возникающее местами схватывание сопряженных металлов.

Упрощенная схема процесса фреттинг‑коррозии в начальной фазе такова: перемещение и деформация поверхностей под действием переменных касательных напряжений — коррозия — разрушение окисных и других пленок — обнажение чистого металла и местами схватывание — разрушение очагов схватывания и адсорбция кислорода на обнаженных участках.

Образование окисных пленок на металлической поверхности или продуктов изнашивания в виде окислов изменяет характер протекания процесса, который начинает определяться не только физико‑химическими свойствами материалов пары трения в исходном состоянии, но и природой окислов и других образовавшихся химических соединений. Окислению металла сопутствует увеличение объема.

При наличии в сопряжении замкнутых контуров (например, в цилиндрических сопряжениях) это приводит к местному повышению давления, что способствует повышению интенсивности изнашивания и возникновению питтинга. Окислы оказывают абразивное действие, которое зависит от прочности сцепления окисных пленок с основным металлом, твердости окислов и размеров их частиц в продуктах изнашивания. Твердость окислов металлов, как правило, больше твердости чистых металлов.

Механизм изнашивания при фреттинг‑коррозии в упрощенном виде показан на рис. 23.

Рис. 23. Механизм изнашивания металлических поверхностей при фреттинг‑коррозии: 1, 2 — контактирующие детали; 3 — точки контакта поверхностей; 4 — мелкие зарождающиеся каверны; 5 — общая большая каверна; 6 — трещины; 7 — отколовшиеся объемы металла; 8 — отколовшиеся частицы с твердой структурой

Первоначальное контактирование деталей происходит в отдельных точках поверхности I. При вибрации окисные пленки в зоне фактического контакта разрушаются, образуются небольшие каверны, заполненные окисными пленками II, которые постепенно увеличиваются в размерах и сливаются в одну большую каверну III. В ней повышается давление окисленных частиц металла, образуются трещины. Некоторые трещины сливаются, и происходит откалывание отдельных объемов металла. Частицы окислов производят абразивное воздействие. В результате действия повышенного давления и сил трения частиц окислов повышается температура и происходит образование белых твердых нетравящихся структур в отколовшихся частицах и на поверхности каверн.

Твердость А12 О3 может превосходить твердость азотированной стали, что объясняет странный на первый взгляд факт разрушения при фреттинг‑коррозии твердых сплавов и сильного разрушения закаленной хромистой стали при трении о них алюминия. Напротив, хромистая сталь при трении о цинк и медь, т. е. о металлы с большей, чем у алюминия, твердостью, повреждается меньше вследствие малой твердости окислов цинка и меди. Вместе с тем медь изнашивается значительно медленнее цинка не столько в результате большей твердости, сколько вследствие того, что окисные пленки меди прочно сцепляются с основой и образуют плотный слой, защищающий основной металл.

Внедрение твердых окислов олова и алюминия в мягкие металлы может значительно уменьшить их дальнейший износ. Крупный размер частиц окислов способствует повышению интенсивности изнашивания. Так, в паре алюминий – закаленная хромистая сталь, где сталь сильно изнашивается, размер частиц корунда 10 мкм.

Свободный графит в серых чугунах, контактирующих без смазочного материала, не снижает скорость изнашивания при фреттингкоррозии. По‑видимому, графит не обеспечивает эффективного смазывания в этих условиях, а структуру ослабляет. Перлитные чугуны в контакте друг с другом менее подвержены повреждению, чем ферритно‑перлитные. Большая твердость является благоприятным фактором. Фосфидная эвтектика упрочняет ферритно‑перлитные чугуны. При фреттинг‑коррозии возможно образование и белых слоев в результате диффузии азота или углерода из продуктов разложения масла. В результате схватывания и пластической деформации могут образовываться наплывы материала.

С увеличением давления, а в особенности амплитуды относительных смещений, скорость изнашивания при фреттинг‑коррозии возрастает. Такой рост при повышении давления обусловлен увеличением площади контакта, поражаемой коррозией. Повышение частоты перемещений ускоряет изнашивание, но начиная с некоторой частоты снижается активность факторов, протекающих во времени (окислительные процессы, наклеп и др.) и рост скорости изнашивания уменьшается.

Универсальных средств борьбы с фреттинг‑коррозией нет. Поскольку нельзя исключить взаимное микросмещение поверхностей вследствие упругости материала, то для борьбы с фреттинг‑коррозией следует:

• уменьшить микросмещения;
• снизить силы трения;
• сосредоточить скольжение в промежуточной среде.

Уменьшить относительные микросмещения можно путем придания деталям соответствующей конфигурации или посредством повышения силы трения. Например, известно, что применение разгружающих выточек в ступицах повышает предел выносливости валов и осей. Повышение давления может быть действенным, если проскальзывание поверхностей значительно снизится и будет скорее субмикроскопического, чем микроскопического характера; в противном случае результаты будут прямо противоположны ожидаемым.

Шероховатость поверхностей может длительно влиять на коэффициент трения, если один из элементов пары не является металлом. Другой метод увеличения силы трения состоит в нанесении на поверхность электролитического слоя меди, олова, кадмия, серебра или золота. Сила трения возрастает за счет повышения фактической площади контакта сопрягаемых деталей. Например, можно исключить фреттинг‑коррозию между литым алюминиевым картером и корпусом подшипника с помощью лужения. Кадмирование вкладышей, болтов и других деталей для защиты от коррозии и фреттинг‑коррозии широко распространено в авиационной и автомобильной промышленности. Однако при значительных микросмещениях такие покрытия сами подвергаются фреттинг‑коррозии и быстро изнашиваются.

Если исключить вибрацию невозможно, то ослабить повреждение поверхностей можно путем снижения силы трения или перенесения скольжения в промежуточную среду. Для снижения удельной силы трения достаточно понизить давление или уменьшить коэффициент трения. В условиях фреттинг‑коррозии обычные смазочные материалы не влияют на коэффициент трения, т. к. граничная пленка в процессе работы не пополняется и быстро разрушается. Дисульфид молибдена в виде порошка или пасты уменьшает повреждения, но, по‑видимому, он не является универсальным средством.

Аналогично действуют свинцовые белила или их смесь с МоS2. Фосфатированная поверхность, обработанная водной эмульсией масла или покрытая парафином, уменьшает силы трения.

Свинцовые и индиевые покрытия при малом сопротивлении сдвигу играют роль твердых смазочных материалов. Хотя сила трения при этом и уменьшается, основное назначение покрытий состоит в перенесении процесса смещений вовнутрь покрытия. Все покрытия срабатываются, большая или меньшая их эффективность определяется сроком службы.

Хорошую сопротивляемость фреттинг‑коррозии оказывают пары сталь — политетрафторэтилен или полиамиды. Действенным средством могут стать резиновые прокладки.

Наконец, уменьшить повреждение от фреттинг‑коррозии можно, повышая твердость одной детали. При увеличении твердости стали уменьшается взаимное внедрение деталей, что снижает интенсивность изнашивания; кроме того, продукты изнашивания в этом случае меньше размером и их абразивное действие слабее. Закалка и азотирование полезны; хромирование не предотвращает и, вероятно, не уменьшает повреждения из‑за высокой твердости окисла хрома.