2.2 Виды износа

Износ разделяют на две группы: 1 – естественный или нормальный и 2 – аварийный.

К первой группе относят виды износа, вызываемые действием сил трения, при этом величина нарастания износа соответствует длительному времени эксплуатации станков. Ко второй группе относят виды износа, интенсивность которых нарастает в течение короткого времени и достигает таких размеров, при которых дальнейшая эксплуатация станков становится невозможной. Естественный износ может перейти в аварийный при нарушении правил эксплуатации станка. Так, например, неизбежен аварий­ный износ шеек вала и подшипников в случае внезапного прекращения смазки.

2.3 Классификация видов изнашивания

В зависимости от преобладания какого-либо фактора или группы факторов по ГОСТ27674-88 различают следующие виды, подвиды и разновидности изнашивания (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Виды	Подвиды	Разновидности
изнашивания	изнашивания	изнашивания
	Абразивное	Изнашивание о закрепленный абразив
		Изнашивание в абразивной прослойке
		Гидроабразивное изнашивание
		Газоабразивное изнашивание
	Усталостное изнашивание
Механическое
	Адгезионное	Холодное изнашивание.
	изнашивание	Горячее изнашивание
	Эрозионное изнашивание	Гидроабразивное эрозионное изнашивание
		Газоабразивное эрозионное изнашивание.
	Окислительное	Химическое окислительное
Коррозионное		изнашивание
		Электрохимическое окислительное
		изнашивание
	Водородное
	Фреттинг-коррозия
Электроэрозионное

Механический износ возникает в результате усталости металла под действием сил трения двух сопрягаемых деталей в процессе скольжения одной детали по другой.

Исследования показали, что на величину износа деталей влияют следующие факторы:

1) качество материала сопрягаемых деталей;

2) качество поверхностей трущихся деталей;

3) нагрузка на единицу поверхности трущихся деталей;

4) время работы деталей;

5) условия и качество смазки;

6) предохранение трущихся поверхностей от попадания пыли.

Механическое изнашивание – наиболее распространенный вид. При этом виде изнашивания происходит истирание (срезание) поверхностного слоя металла у совместно работающих деталей, в результате чего они теряют свои геометрические размеры. Механический износ возникает при работе таких распространенных сопряжений деталей, как «вал – подшипник скольжения», «станина – суппорт», « поршень – цилиндр» и др. Величина и характер износа зависят от физико-механических свойств поверхностных слоев деталей, условий работы сопрягаемых поверхностей, условий смазки трущихся поверхностей, степени шероховатости последних и др. Данный вид изнашивания имеет целый ряд подвидов.

Абразивное изнашивание – возникает в тех случаях, когда трущиеся поверхности загрязняются мелкими абразивными частицами, находящимися в свободном или закрепленном состоянии Абразивные частицы, обладая большей, чем металл деталей твердостью, разрушают трущиеся поверхности и резко увеличивают их износ. Частицы чаще всего бывают минерального происхождения, продуктами износа или наклепанными металлическими фрагментами. Они имеют различную форму, часто острые грани и ребра.

Основной механизм их воздействия – резание или царапание. Интенсивность абразивного изнашивания прямо пропорциональна твердости абразивных частиц и обратно пропорциональна твердости поверхностей трения. Поэтому материалы высокой твердости обладают повышенной абразивной твердостью.

В свою очередь абразивное изнашивание имеет следующие разновидности:

- закрепленный абразив – сопровождается изнашиванием металла и попутным разрушением самого абразива путем дробления и скола (нежелательное явление, так как это обуславливает обновление изнашивающей способности абразива) Основной признак такого изнашивания – хорошо различимые риски и царапины различной протяженности, но всегда ориентированных в направлении движения детали.

При высоких нагрузках эта разновидность абразивного изнашивания может перейти частично в тепловое;

- изнашивание в абразивной прослойке – возникает при динамическом контактировании двух поверхностей, когда между ними попадают абразивные или иные твердые частицы. Эти частицы препятствуют полному сближению контактирующих поверхностей. Наиболее часто такое изнашивание возникает в узлах и сочленениях типа «вал - втулка»;

- гидроабразивное изнашивание – происходит в результате действия твердых частиц, находящихся в жидкости во взвешенном состоянии и перемещающихся относительно поверхностей деталей. При гидроабразивном изнашивании носителем абразивных частиц является жидкость. Поэтому интенсивность изнашивания зависит от факторов, связанных с трибологическими свойствами жидкости;

- газоабразивное изнашивание – изнашивание свободными абразивными частицами, находящимися в воздушной среде. Наиболее сильное влияние на процесс газоабразивного изнашивания оказывают энергетические факторы (скорость и масса частиц). На деталях, подверженных газоабразивному изнашиванию, образуется волнистая поверхность по направлению, перпендикулярному вектору скорости потока твердых частиц.

Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате многократного деформирования микрообъемов металла деталей. В процессе эксплуатации многие детали машин (валы, шатуны, пружины, зубья шестерен) подвергаются длительному воздействию переменных нагрузок. Эти динамические нагрузки гораздо опаснее для прочности деталей, чем нагрузки статические.

Явление разрушения материала от действия переменных нагрузок в теории сопротивления материалов получило называние усталость материала. Различают контактную усталость поверхностных слоев, которая возникает при трении качения и проявляется в развитии местных очагов разрушения, и усталостное изнашивание при трении скольжения в виде отделения микрообъемов материала поверхностного слоя детали.

Валы, пружины и другие детали разрушаются от усталости в поперечном сечении. При этом возникает характерный вид излома с двумя зонами: зоной развивающихся трещин и зоной, по которой произошел излом Поверхность первой зоны гладкая, а второй – с раковинами, а иногда зернистая, Такой излом говорит о том, что причиной поломки является усталость.

Для предотвращения разрушения от усталости важно правильно выбирать размеры поперечного сечения вновь изготавливаемой или ремонтируемой детали; при этом необходимо по возможности избегать резких переходов от одного размера к другому. Грубо обработанная поверхность, наличие рисок и царапин, могут стать причиной возникновения усталостных трещин.

Адгезионное изнашивание – возникает вследствие действия сил молекулярного сцепления на поверхности раздела двух металлических деталей с образованием адгезионных связей (мостиков сварки). Этот вид взаимодействия называют также изнашиванием при заедании, схватывании.

Адгезионный износ возникает, когда трущиеся части двух деталей имеют небольшую скорость относительного перемещения (v = l м/сек) и большое удельное давление, которое превышает предел текучести металла на участках контакта. Это возможно при отсутствии смазки и защитной плёнки окислов. Детали, изготовленные из мягких металлов, подвергаются большему износу, чем твердые детали, например цементированные и закаленные.

Физически этот процесс изнашивания характеризуется глубинным вырыванием материала, переносом его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. В процессе работы машины относительное перемещение деталей приводит к вырыву частиц металла одной поверхности и наволакиванию их на другую. Образуется прочное соединение контактирующих участков поверхностей трения. Адгезионное изнашивание является одним из наиболее опасных и разрушительных.

Изнашиванию при заедании подвержены поверхности опор скольжения, работающие при высоких скоростях и недостаточном количестве смазки, например, шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника.

Сила адгезионного взаимодействия зависит от степени шероховатости поверхностей, площади физического контакта, структуры материала, нагрузки и температуры на контакте. Для адгезионного схватывания или заедания сопрягаемых материалов энергетическое состояние на площади фактического контакта может достигаться как за счет повышения температуры, так и за счет совместного пластического деформирования. В связи с этим различают два вида заедания: холодное при высоких контактных давлениях на пятнах касания, достигающих предела текучести материала и горячее – при высоких скоростях скольжения и температурах свыше 100...150°С. Последний возникает при трении скольжения деталей, работающих на больших скоростях (v = 3…4 м/сек) и с большими удельными давлениями. Тепловому износу хорошо сопротивляются цементированные и закаленные детали, а также детали, изготовленные из теплоустойчивых металлов.

Эрозионное изнашивание – процесс поверхностного разрушения металла под действием внешней среды (потока жидкости или газа). Эрозионное воздействие слагается из трения высокоскоростного потока и его ударов о поверхность. В результате такого воздействия происходит расшатывание и вымывание отдельных зерен или микрообъема материала с поверхности детали. Различают гидроэрозионное (воздействие потока жидкости) и газоэрозионное (воздействие потока газа или сжатого воздуха) виды изнашивания. Гидроэрозионному изнашиванию подвергаются детали топливных, масляных, водяных насосов, гидроприводов тормозов, гидроусилителей машин. Газоэрозионному изнашиванию подвергаются днища поршней, поверхности камер сгорания, гильзы цилиндров, детали компрессоров.

Коррозионное изнашивание – появляется в деталях машин, испытывающих непосредственное воздействие воды, воздуха, химических веществ, температуры. Под влиянием коррозии в деталях образуются глубокие разъедания, материал приобретает губчатую поверхность, теряет механическую прочность. Обычно коррозионный износ сопровождается и механическим вследствие сопряжения деталей. В этом случае происходит, так называемое коррозионно-механическое изнашивание, т. е. комплексный износ. Коррозионный износ возникает при трении скольжения в случае отсутствия или наличия граничной смазки, а также трения качения с небольшими удельными нагрузками. Коррозионный износ сопровождается двумя взаимосвязанными процессами: микропластической деформацией верхних слоев и диффузией кислорода в деформированный металл. В начале коррозионного износа окисление проявляется в поверхностных слоях металла, т. е. на поверхности трения. В результате образуются твердые растворы кислорода в металле. Эти растворы перемещаются и заполняют все неровности поверхности в процессе движения деталей. В дальнейшем происходит образование сплошных слоев химического соединения кислорода с металлом. Окисленный металл в виде порошка отделяется от основного металла, а на поверхности детали образуются углубления и неровности.

Различают три основных подвида коррозионного изнашивания: окислительное, водородное и фреттинг-коррозия.

Окислительное изнашивание – изнашивание, при котором основное влияние на процесс изнашивания имеет химическая реакция материала с кислородом воздуха с образованием на поверхности трения защитных окисных пленок, последующим разрушением этих пленок в результате трения и многократным повторением процесса. Процесс происходит под одновременным влиянием коррозионного и механического факторов.

По характеру протекания коррозионных процессов различают химическую и электрохимическую коррозию. При химической коррозии наблюдается преимущественное развитие на поверхности металлов окислительных процессов с образованием оксидной пленки. Одним из главных факторов, ускоряющих этот процесс, является температура. С повышением температуры окружающей среды резко возрастает химическая коррозия. К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в водных растворах, при которых разрушение металлов может происходить в результате образования нерастворимых продуктов (ржавчины) или переход металла в раствор в виде ионов.

Для увеличения ресурса работы узлов трения в условиях окислительного изнашивания при конструкторском проектировании рекомендуется применять коррозионно-стойкие стали с повышенным содержанием хрома (12... 15 %) и никеля (от 8 % и выше). Введение в структуру примерно 12 % хрома способствует резкому повышению коррозионной стойкости стали.

Водородное изнашивание – выражается в повышении в поверхностных слоях концентрации водорода (сильного окислителя), которая приводит к процессам интенсивного разрушения.

Природа водородного изнашивания состоит в следующем. Водород является одним из наиболее легких и распространенных элементов. Он имеет самый маленький размер атома (0,046 нм) и массу. В атомарном состоянии он обладает исключительной подвижностью и проникающей способностью в кристаллические решетки металлов. Внедряясь через поверхностные дефекты внутрь металла, он вступает во взаимодействие с уже имеющимися там частицами водорода и объединяется с ними в молекулы.

Объединенные молекулы занимают больший объем, вследствие чего внутри структуры металла создается напряженное состояние, особенно внутри наиболее глубоких и узких трещин. При достаточно большой концентрации водорода в поверхностном слое развиваются микронапряжения, превышающие предел прочности металла, вследствие чего происходит интенсивное его разрушение. Внешне это проявляется в виде поверхностного измельчения или хрупкого растрескивания.

Фреттинг-коррозия – это процесс разрушения плотно контактирующих поверхностей пар «металл – неметалл» или «металл – металл» при колебательных перемещениях (вибрациях). Фреттинг-коррозия является особой формой изнашивания и по условиям возникновения и характеру проявления имеет следующие отличия от обычного механического изнашивания при скольжении:

- вследствие малых амплитуд смешения удаление продуктов износа затруднено, поэтому повреждения поверхности носит локальный характер;

- малые скорости относительного перемещения;

- продуктами износа при фреттинг-коррозии металлов являются в основном их оксиды.

На участках, пораженных фреттинг-коррозией, протекают сложные одновременно действующие процессы «схватывания», абразивного разрушения, усталостно-коррозионного износа. Это изнашивание возникает в местах контакта плотно сжатых деталей (например, резьбовые и заклепочные соединения), если в результате вибрации между их поверхностями возникает микроскопическое колебательное перемещение.

Электроэрозионное изнашивание – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов электрического тока. Этот вид изнашивания характерен для контактов и разъемных соединений деталей системы электрооборудования, например, «электропровод - вывод».