Аналіз сучасних поглядів і досліджень із підвищення зносостійкості твердих тіл

1.1 Аналіз сучасних поглядів і досліджень із підвищення зносостійкості твердих тіл

Зниження зношування деталей рухливих сполучень є однієї з головних завдань у сучасному машинобудуванні. Так щорічні витрати на ремонт становлять

20-25% вартості машин, а 5 % обсягу їх промислового випуску йде на заміну зношеної продукції. Основна частина деталей виходить із ладу не через втрату міцності й об'ємного зменшення, а внаслідок зношування. Крім того, зношування найчастіше є першопричиною поломки деталей, оскільки сприяє насиченню поверхневого шару дефектами й зниженню міцності. Є ряд областей техніки, у яких невирішені проблеми зношування гальмують розвиток виробництва. З кожним роком ці проблеми стають усе більш гострими тому, що посилюються режими експлуатації технічних засобів, підвищуються вимоги до їхньої надійності, довговічності й точності функціонування, з'являються нові області застосування рухливих сполучень. Тертя твердих тіл або контакт із газоподібним або рідким середовищем супроводжується зміною їх розмірів. Послідовність явищ, що мають місце в зоні контакту, що й приводять до такого результату, називають зношуванням.

Зміна лінійних розмірів тіл, що сполучаються процесі тертя може відбуватися як внаслідок відділення з їхніх поверхонь невеликих обсягів матеріалу, так і в результаті пластичного деформування найбільш навантажених виступів поверхні тертя. Отже, зношування - це процес відділення матеріалу з поверхні твердого тіла при терті й (або) збільшення залишкової деформації, що супроводжується поступовою зміною розмірів цього тіла. У машинах і механізмах зношування є причиною зниження їх кінематичної точності. Виникнення динамічних навантажень, втрати міцності й руйнування окремих елементів. Зношування - ця зміна розмірів і форми твердого тіла в результаті зношування. Про величину зношування можна судити по зменшенню розмірів тіла, що треться в напрямку, перпендикулярному до його поверхні тертя. Кількісними характеристиками процесу зношування є швидкість і інтенсивність І зношування. Швидкість зношування - являє собою зношування тіла, що треться в одиницю часу. Визначається швидкість зношування як відношення товщини зношеного шару ∆h, зміни об’єму V, або маси ∆m, твердого тіла до інтервалу часу ∆t, протягом якого це тіло зазнало зношування. Розрізняють лінійну i_h об'ємну і_v і масову і_m швидкості зношування:

Більш розповсюдженими є характеристики процесу зношування які враховують шлях тертя L рівний, при постійній силі тертя й швидкості ковзання v, добутку v на час стирання ∆t. Розрізняють лінійну І_h, масову І_m, об'ємну І_v і енергетичну І_w інтенсивності І зношування. Лінійну інтенсивність зношування являє собою товщину зношеного шару ∆h, що приходиться на одиницю шляху тертя :

Ця величина може бути визначена по зміні обсягу ∆v або маси ∆m зношеного шару:

/( A_aL) : /(p A_aL) ,

Де p- щільність матеріалу, що треться;

A_a - площа поверхні тертя елемента, що треться (номінальна площа контакту, якщо поверхні тертя тіл, що сполучаються, однакові ). Очевидно, що І_h є безрозмірною величиною. У більшості випадків інтенсивність зношування реальних тіл . Масова інтенсивність зношуванні - це маса речовини, яка віддаляється з поверхні тіла, що зношується, за одиницю шляху тертя :

Об'ємна інтенсивність зношування - це обсяг матеріалу, зношеного за одиницю шляху тертя :

Розрізняють миттєву й середню швидкості й інтенсивності зношування. Наведені вище характеристики являють собою середні швидкість і інтенсивність зношування. Миттєві значення цих характеристик є похідними зношування за часом або шляху тертя.

Енергетична інтенсивність зношування визначає обсяг зношеного матеріалу, що доводиться на одиницю роботи сили тертя :

де F - сила тертя.

Ця характеристика застосовується в основному при вивченні роботи гальмових обладнань і муфт зчеплення. Зносостійкість Е_и різних реальних вузлів тертя може приймати значення, що належать широкому інтервалу : від  до  . Розрізняють десять класів зносостійкості ( від 3- го до 12- го ), кожний з яких відрізняється по величині Е_и від наступного за ним в 10 раз. Номер класу відповідає мінімальному показнику ступені при Е_и . Так, якщо зносостійкість колодкового гальма відповідає шостому класу , це означає, що Еи= , якщо сьомому класу, то Еи=. При вивченні опору матеріалів абразивному зношуванню найчастіше в лабораторних випробуваннях використовують поняття відносна зносостійкість Е_о :

де  - висота зношеного шару еталона ;

 - висота зношеного шару досліджуваного матеріалу.

Величини й  визначаються при однакових режимах навантаження.

Наведені характеристики процесу зношування є інтегральними для обраної пари тертя й режимів її навантаження . Вони не зв'язують зношування із процесами взаємодії й руйнування в зоні контакту.

Зношування тіл, що труться слід розглядати як сумарний результат одночасного протікання елементарних актів руйнування й змін властивостей матеріалу, природа яких різноманітна. Це визначає різноманіття видів зношування, що мають місце на одному й тому ж контактному майданчику в будь-який заданий момент часу. Однак для кожної конкретної пари тертя й обраних режимів навантаження характерний ведучий (домінуючий) вид зношування, що визначає інтенсивність зношування тіл, що труться. Поряд з ведучим мають місце супутні види зношування. Так, при втомному зношуванні, що переважає по своєму якісному й кількісному прояву, можливе існування абразивного й окисного видів зношування. Зі зміною режимів навантаження провідним видом може бути абразивне зношування, а супутніми - втомне й окисне.

Таким чином, при терті реальних тіл у зоні контакту можуть реалізовуватися часток, що одночасно трохи приводять до утвору, зношування явищ, що мають різну природу, що й підкоряються різним закономірностям. Математичний опис процесу зношування базується, як правило, на одному явищі. Це явище може бути основним, однак у реальних вузлах воно не визначає повністю опір матеріалів, що сполучаються, зношуванню. Тому не слід очікувати повного збігу розрахункових значень інтенсивності зношування з даними, які отримані експериментально для реальних вузлів тертя. Різноманіття причин зношування тертьових тіл привело до розробки великої кількості класифікацій видів зношування, кожна з яких різниться принципом, покладеним у її основу. Розглянемо деякі з них. В основу першої класифікації, запропонованої Бринеллем в 1921 р., була покладена кінематична ознака й наявність прошарку між поверхнями тертя. Згідно із цією класифікацією, існують наступні види зношування: при терті кочення з мастильним матеріалом; при терті кочення без мастильного матеріалу; при терті ковзання з мастильним матеріалом; при терті ковзання без мастильного матеріалу; при терті тіл, розділених твердими частками. Ф. Т. Барвелл і К. Стронг запропонували класифікацію видів зношування, засновану на фізико-механічних і хімічних явищах у контакті. Вони розрізняють сім видів зношування: 1) задір або заїдання, обумовлені сильною адгезійною взаємодією на точках контакту; 2) пластичний плин поверхні; 3) викришування; 4) стирання твердими частками; 5) безперервне зношування, що приводить до утворення дрібних часток зношування й згладжуванню поверхні тертя (у результаті впливу слабких механічних навантажень і адгезії); 6) зношування в результаті хімічної корозії ; 7) фреттинг-корозия. В основу класифікації Б. І. Костецкого покладені фізико-хімічні й механічні процеси, що протікають у зоні тертя. У цьому випадку виділяють наступні види зношування: схоплювання твердих тіл; окисне зношування; корозію й фреттинг , а також зминання; ерозійне, кавітаційне й втомне зношування. Класифікація І. В. Крагельского, заснована на характері порушення фрикційних зв'язків і руйнування поверхонь тертя, включає: втомне зношування, спостережуване при пружному відтискуванні матеріалу нерівностями, що впровадилися, контр тіла; малоциклову втому при пластичному відтискуванні матеріалу; мікрорізання з утворенням стружки при більших значеннях глибини щодо впровадження нерівностей поверхні контр тіла в обсяг поверхневого шару, що зношується, матеріалу; адгезійне порушення фрикційних зв'язків, спостережуване при схоплюванні плівок; когезіонне руйнування поверхневих шарів при схоплюванні тертьових тіл на ювенільних ділянках контакта. Д.Н. Гаркунів запропонував підрозділяти зношування на наступні види; при схоплюванні й заїданні поверхонь; виборчий перенос; водневе; окисне; корозійне; корозійно-механічне; фреттинг-корозія; внаслідок диспергування, внаслідок пластичної деформації; у результаті викрошування знову утворених структур; тріщиноутворення на поверхнях тертя; абразивне й ерозійне. Ця класифікація побудована з обліком фізико-механічних і хімічних явищ, що протікають у зоні контакту, і топографії поверхні тертя після зношування.

Відповідно ГОСТ 16429—70, усі види зношування можна розділити на три групи: механічне; молекулярно-механічне й корозійно-механічне (мал. 1.1)

Рис. 1.1.1. Класифікація видів зношування за ГОСТ 16429-70 ;

Перша група поєднує ті вила зношування, які є результатом руйнування поверхневого шару твердого тіла, викликаного в більшості випадків багаторазовими деформаціями цього шару. Друга група представлена зношуванням, обумовленим адгезійними явищами на плямах фактичного контакту, у результаті протікання яких утворюються містки зварювання, що руйнуються під впливом тангенціальної сили. Руйнування цих містків зварювання може відбуватися за обсягом одного з елементів пари тертя. Третя група включає окисне зношування й фреттинг-корозію. Основною причиною яких є хімічні процеси ініційовані імпульсним тепловим і механічним впливом на матеріал нерівностей, що вступають у контакт поверхонь тертя. Фізичні й хімічні процеси, що протікають у зоні тертя.

Поділ поняття міцності на об'ємну й поверхневу, розвиток термодинаміки дозволив Б.І. Костецкому [5-7] висунути принципово новий - структурно-енергетичний підхід. Відповідно до якого для всіх матеріалів існують границі структурно-енергетичної пристосованості, яка характеризується стабільним протіканням процесів тертя й зношування [8]. Так само була освітлена єдина дифузійна природа процесів окиснення й зв'язування, яке дозволило досліджувати як загальні закономірності тертя й зношування, так і специфічні. Робота І.Г. Носовского й співробітників [9-11], підтвердили вакантно-дислокаційну гіпотезу зв'язування. Умови граничного змащення це найгірший режим роботи вузлів тертя в них сполучаються механічні й фізико-хімічні взаємодії фрикційного контакту й навколишнього середовища [12-14]. Мастильний матеріал з дислокаційно-енергетичних позицій [15, 16], суттєво впливає на кількість дефектів у поверхні тертя й змінює природу її взаємодії з навколишнім середовищем [17, 18] Відбувається утвір адсорбційних, хемосорбційних шарів [19-21]. Явище адсорбції й утвору адсорбційних шарі на трибо поверхні досліджене А.С. Ахматовим, Б.В. Дерягиним, Г. І. Фуксом, П.А. Ребиндером, М.В. Райко [14, 10-12]. У роботах [21, 22] показаний загальний механізм дії більшості хімічно активних присадок у мастильному матеріалі. Н. Жорже, А. Годфри, К. Майер, Ф. Барвел вивчали плівки, які утворені на поверхнях при фрикційному контакті. Дослідження м.В. Райко, Р.М. Матвиевского [25, 26] суттєво розвили бачення про фазові переходи в мастильних шарах. Роботи в напрямку утворення мастильних шарів [16-23] виділили роль трибохімічних реакцій у зоні тертя [18]. Також відзначається значимість впливу матеріалу трибосполучених [11]. Окремо варто виділити переваги ламелярних мастильних матеріалів [12, 15]. У якості твердих масел можуть використовуватися різні матеріали: графіт або чисті метали з низькою температурою плавлення Pb, Bі, Sb, Sn. Значне поширення одержали сульфіди металів: сірчисте залізо й марганець, а надалі сірчистий цинк, мідь і свинець [21]. Великий цикл робіт присвячений механізмам дії ламилярних мастильних матеріалів [25]. У цей час відсутні чіткі ознаки за якими можна виходячи із загального класу захисних покрити виділити спеціальні зносостійкі, тому що ознаки зносостійкості чітко не сформульовані [28]. Деякі автори [14-20] вважають, що оптимальна зносостійка структура визначається сприятливим з'єднанням самої структури й складного комплексу властивостей (іноді навіть суперечливих), по-перше, фізико-механічних (високий опір стиску, вигину, зрушення, значні сили молекулярно механічного зчеплення, комбінацією твердості й в'язкості при мінімальній крихкості); по-друге, фізичних (значна тепло-провідність, не значні розбіжності коефіцієнтів розширення й ін.); по-третє, фізико-хімічних (висока насиченість і рівномірність мікро-розподілу легуючих елементів, стійкість проти корозії й ін.). При цьому одержання відзначеного комплексу властивостей практично не можливо в однофазному однокомпонентному й навіть багатокомпонентному сплаві, але цілком здійсненне в гетерогенній структурі. Слід так само враховувати те, що для різних умов експлуатації й впливу зовнішніх факторів оптимальна зносостійкість відповідає різним, але характерним для кожного конкретного випадку структурним станам [26].Абразивне зношування - це відділення з поверхні тертя матеріалу або його пластичне деформування під впливом твердих часток, що супроводжується зміною лінійних розмірів тіла, що зношується. Цей вид зношування реалізується при наявності: •нерухомо закріплених твердих зерен на поверхні тертя одного з тіл, що сполучаються. Це тверді структурні складові матеріалу елементів пари тертя, частки абразивної шкурки, брусків і іншого інструмента, частки нагару на стінках циліндра двигуна внутрішнього згоряння;

•вільних часток, що попадають у зону контакту тертьових тіл (оксидні плівки, частки зношування, пили);

•незакріплених часток, що передають тиск деформуючої маси (абразивні частки в ґрунті, гірських породах, насипних вантажах при їх транспортуванні).

Абразивне зношування закріпленими частками спостерігається у двигунах внутрішнього згоряння (у парі тертя циліндр-поршневе кільце), при обробці матеріалів абразивним інструментом огранювання каміння, виготовлення лінз і виробів з деревини, обробка металів без застосування мастильно-охолоджуючих рідин) і т.д..

Звичайно перший механізм вносить незначний вклад у процес зношування в порівнянні із другим. Поверхня металів, що зазнають абразивне зношування, покривається безліччю паралельно розташованих канавок, орієнтованих у напрямку відносного переміщення тіл, що сполучаються. В окремих випадках, що особливо коли домінують є другий механізм зношування, дно канавок покривається мікротріщинами, площина яких перпендикулярна до вектора V. Встановлено, що вплив швидкості ковзання на І_h металів при абразивному зношуванні неоднозначне. Характер залежності І_h (v) є досить складним і визначається структурою металу й рівнем нормального навантаження. При в при v > 2 м/с спостерігається тенденція до зменшення І_h з ростом швидкості ковзання. Для ряду металів при низьких швидкостях ковзання інтенсивність зношування перебуває в прямої залежності від тиску на контакті, швидкості ковзання й коефіцієнта тертя:

Очевидно, однієї із причин зниження І_h є зменшення глибини відносного впровадження часток в обсяг металу з ростом v. Відповідність І_h роботі тертя підтверджує можливість застосування кінетичної теорії міцності твердих тіл для пояснення закономірностей їх абразивного зношування. Контактно-абразивне зношування вільними частками. Контактно-абразивне зношування спостерігається у вузлах тертя двигунів внутрішнього згоряння (циліндр - поршневе кільце), транспорту ( колесо-рейка, п'ята - підп'ятник поворотного механізму вагонів, у парах вал втулка, палець - вушко гусениці) і інших обладнань. Механізм зношування тертьових тіл, у контакті яких перебуває вільний абразив (частки зношування, оксидів, нагару, пили), залежить від співвідношення твердості поверхонь цих тіл і твердості абразиву, а також від навантаження. Для важко навантажених вузлів тертя (зубчасті передачі, підшипники кочення) найбільш імовірним є процес дроблення абразиву. частки, що попадають у зону контакту, абразиву не встигають впровадитися в обсяг одного з тертьових тіл на необхідну для мікрорізання глибину {h/R >0,1) і руйнуються. Руйнування відбувається импульсно, подібно мікровибуху, а осколки, що утворюються при цьому, володіючи високою швидкістю, вибивають із поверхневого шару тіла, що зношується, невеликі обсяги матеріалу або пластично деформують його. У цьому випадку поверхні тертя мають кратероподібні сліди руйнування, які можуть бути лише незначно витягнутими в напрямку відносного руху тертьових тел. Зношування поверхонь, що сполучаються тіл не супроводжується утворенням стружки. Зношування в масі абразивних часток цей вид зношування має місце у вузлах тертя сільськогосподарської техніки (диски, ножі й лемеша ґрунтообробних машин, деталі, що контактують із мінеральними добривами, ножі й шнеки збиральних машин) гірничодобувного устаткування (долота бурильних установок, ковші екскаваторів, деталі піднімальних обладнань), транспорту (платформи для насипаних вантажів, стрічки конвеєрів).