Коррозионно-механические виды изнашивания

Коррозионно-механические виды изнашивания

Окислительное изнашивание. Металлическое состояние металлов термодинамически является неустойчивым, и поэтому металлы постепенно переходят в более устойчивую аморфную (ионную) форму. Этот процесс получил широко распространенное название коррозия. Самопроизвольное разрушение металлических материалов происходит вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой (жидкой, газовой и твердой).

По механизму окисления принято различать, прежде всего, два его типа: химический и электрохимический.

Химический тип характеризуется взаимодействием металла в твердом состоянии с адсорбированными на нем молекулами газа (например, кислорода). При наличии сродства между металлом и газом происходит химическое взаимодействие. При этом окислитель отнимает у металла валентные электроны и на поверхности металла образуется новый материал с присущими ему свойствами (рис. 7.3). В газовой среде этот процесс происходит за доли секунды. В жидкой гораздо медленнее.

Электрохимический тип окисления обуславливается переносом в электропроводящей среде ионов металла под действием электрического поля (это могут быть как внешние источники тока, так и контактная разность потенциалов). Основой для электропроводящей среды могут стать как адсорбированная на поверхности влага, так и влага в капельном состоянии. Окружающая нас среда (воздух) почти всегда несет в себе мельчайшие твердые частицы, в том числе и соли. Вместе с влагой они образуют необходимый для протекания этого процесса электролит. В тех случаях, когда на поверхности металла образуется оксидный материал с плотностью, близкой к металлу, оксидный слой бывает сплошным и диффузия молекул кислорода через него существенно затрудняется. Поэтому скорость роста толщины оксидного слоя на таких металлах быстро замедляется и на поверхности металла образуются тонкие и прозрачные пленки оксида. Этот механизм окисления характерен для инертных металлов (золота, платины и серебра). Оксидные пленки на черных и цветных металлах часто отличаются по плотности от основного металла. Благодаря этому оксидные пленки, образующиеся на металле, имеют разрывы или пучности, внутрь которых попадает кислород, и процесс окисления металлов продолжается. Для металла таких типов характерными являются более толстые слои оксидов, которые в процессе трения могут легко разрушаться и образовывать мелкие частицы износа абразива.

Окислительные  процессы  на  металлах  могут  играть  важную роль и в ускорении химических изменений смазки, которые часто приводят к образованию пленки полимеризованного материала на самих металлических поверхностях. Такие пленки могут быть вредными, вызывая, например, пригорание поршневых колец в двигателе внутреннего сгорания. Однако полимеризационная пленка может служить и защитным слоем при абразивном износе.

При сухом трении обычно образуются более толстые и насыщенные пленки оксидов, близких по составу и свойствам к известным оксидам металла. Так, в зависимости от условий трения и, прежде всего, от температуры на железе образуются пленки, содержащие FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Следует иметь в виду, что поскольку окисление поверхностей активируется их пластическим деформированием при трении, увеличение твердости рабочих элементов трущихся тел препятствует окислительному изнашиванию.

Рис. 7.3. Твердость металлов и оксидов по шкале Мооса

Фреттинг-коррозия это изнашивание плотно контактирующих тел при их колебательном относительном перемещении в условиях воздействия коррозионной среды. Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при малых колебательных перемещениях. Это особая форма изнашивания, по условиям возникновения и характеру проявления заметно отличающаяся от обычного коррозионно-механического изнашивания при однонаправленном движении. Вследствие малой амплитуды колебаний продукты износа полностью не удаляются из зоны трения и оказывают определенное абразивное воздействие на основной металл, что может привести к заклиниванию сопряжений. При этом повреждения локализуются на участках действительного контакта. Эти повреждения имеют вид натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных продуктами коррозии со специфической окраской и имеющих вид окрашенных пятен, участков локального износа в виде полос или канавок, а также поверхностных микротрещин. Специфический характер изнашивания при фреттинг-коррозии проявляется также в том, что окислительная среда интенсифицирует процесс изнашивания, окисление при этом протекает интенсивно и продукты изнашивания в основном представляют собой диспергированные оксиды трущихся металлов. Такой характер окислительного процесса, при котором интенсивное окисление не приводит, однако, к образованию защитных пленок Б.И. Костецкий связывает с динамическим характером нагружения узла трения и называет динамическим окислением.

Фреттинг-коррозия приводит к значительному ухудшению качества поверхностей и в 3...6 раз снижает усталостную прочность деталей вследствие образования концентраторов напряжений, а также снижает размерную точность сопряжений.

Фреттинг-коррозия обычно развивается при прессовых посадках на вращающихся валах в местах посадки лопаток турбин, в шпоночных, шлицевых, болтовых и заклепочных соединениях, подверженных вибрации, подшипниках качения, передающих нагрузку в условиях отсутствия качения и т.д., т.е. в тех случаях, когда имеют место микроколебания и окислительная среда. Согласно исследованиям Р.Б. Уотерхауза для развития фреттинг-коррозии достаточно, чтобы амплитуда колебаний достигала долей микрометров. Увеличение амплитуды приводит к росту объемного изнашивания. При достижении амплитуды 2...5 мм и более изнашивание приобретает характер обычного окислительного при однонаправленном скольжении. Зависимость износа от удельной нагрузки имеет экстремальный характер. Левая ветвь зависимости отражает обычные для фреттинг-коррозии коррозионно-усталостные процессы, когда поступление кислорода воздуха в контакт не затруднен. В правой части кривой износ снижается, поскольку характер изнашивания меняется, в частности, интенсифицируются адгезионные процессы, в этих условиях не приводящие к значительному износу. Увеличение частоты колебаний снижает износ при фреттинг-коррозии до определенной установившейся величины, после чего износ стабилизируется. В атмосфере азота износ от частоты колебаний не зависит.

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