Фреттинг-коррозия как разновидность повреждения повреждения, которая появляется на стальных поверхностях, ее отличительные особенности и свойства. Характеристика повреждений деталей машин при фреттинг-коррозии, основные методы ее предупреждения.
Автор предпочитает следующее обозначение фреттинг-коррозии: разновидность повреждений, которые возникают, когда две поверхности, соприкасающиеся и номинально неподвижные по отношению друг к другу, испытывают небольшое периодическое относительное движение. Тогда фреттинг определяется как «действие, в результате которого возникает повреждение от фреттинга или фреттинг-коррозии», т.е. фреттинг - это колебательное относительное движение (обычно тангенциальное), которое может иметь место между контактирующими поверхностями. Термин фреттинг часто используют в широком смысле, включая фреттинг-коррозию. 4) термин «фреттинг-коррозия» обозначает разновидность повреждения от фреттинга, когда образовавшиеся продукты разрушения являются результатом химических реакций между составляющими поверхности и окружающей среды. Проведенный анализ показал, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, протекают схватывание, абразивное разрушение, усталостные процессы, сопровождающиеся окислением и коррозией.Необходимость осуществления мероприятий по защите от фреттинг-коррозии диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих контактирующих деталей, т. к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло-и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества.
Введение
Для ускорения технического прогресса необходимо развивать выпуск экономичных, надежных и долговечных машин, повышать уровень их конструирования и совершенствовать технологию производства. Одной из первоочередных задач является обеспечение высокой надежности и долговечности тех наиболее распространенных типов узлов, в которых конструктивно предусмотрено сопряжение деталей. Недостаточная контактная прочность последних, определяющая в большинстве случаев прочность узла, снижает эксплуатационную надежность и долговечность машин, приборов и аппаратов.
Как известно, ресурс работы ответственных узлов зачастую ограничивается преждевременным износом или разрушением контактирующих деталей в результате развития особого вида повреждения поверхности, получившего название фреттинг-коррозии и возникающего на контактирующих металлических поверхностях при относительном колебательном движении. Такое движение может вызываться вибрациями, возвратно-поступательным перемещением, периодическим изгибом или скручиванием сопряженных деталей. Относительное перемещение поверхностей может быть очень малым, тем не менее оно является достаточным для возникновения фреттинг-коррозии.
При фреттинг-коррозии значительно ухудшается качество поверхностей деталей, а это может привести к существенному снижению их усталостной прочности. До сих пор при оценке усталостной прочности конструкторы практически не учитывают влияние этого фактора. Однако эксперименты показывают, что под влиянием фреттниг-коррозии усталостная прочность может понизиться в несколько раз.
Вследствие интенсивного износа контактирующих поверхностей при фреттниг-коррозии детали часто теряют размеры и допуски. Трудно преувеличить масштабы выхода из строя машин и механизмов по причине фреттинг-коррозии и наносимый ею экономический ущерб.
В связи с увеличением в современных конструкциях нагрузок, рабочих скоростей и уменьшением допусков глубокое изучение причин возникновения фреттинг-коррозии и изыскание эффективных мер борьбы с ней обрело большое народно-хозяйственное значение для современного машиностроения.
Определение и терминология
Термин фреттинг-коррозия впервые ввел Томлинсон для обозначения той разновидности повреждения повреждения, которая появляется на стальных поверхностях. С тех пор это выражение использовалось наиболее широко. Автор предпочитает следующее обозначение фреттинг-коррозии: разновидность повреждений, которые возникают, когда две поверхности, соприкасающиеся и номинально неподвижные по отношению друг к другу, испытывают небольшое периодическое относительное движение. Тогда фреттинг определяется как «действие, в результате которого возникает повреждение от фреттинга или фреттинг-коррозии», т.е. фреттинг - это колебательное относительное движение (обычно тангенциальное), которое может иметь место между контактирующими поверхностями. Относительное движение обычно называют проскальзыванием.
Фреттинг - это явление износа между двумя поверхностями, имеющими колебательное относительное движение малой амплитуды. Термин фреттинг часто используют в широком смысле, включая фреттинг-коррозию. Такое использование не рекомендуется.
Фреттинг-коррозия - это разновидность фреттинга, когда преобладает химическая реакция. Фреттинг-коррозию часто характеризуют отделением частиц и последующим образованием окислов, которые часто являются абразивными, способными увеличивать износ. Фреттинг-коррозия может приводить к образованию других продуктов химической реакции, которые не могут быть абразивными.
Предпочтительно использовать термин «фреттинг» для обозначения действий по следующим причинам: 1) это действие, как можно себе представить, может происходить без появления какого-либо повреждения (т.е. без явления изнашивания) так же, как работа в условиях усталости (т.е. циклическое нагружение) может происходить без появления усталостного разрушения;
2) термин «фреттинг-усталость» может тогда означать совместное действие фреттинга и усталости, при котором действительное повреждение от износа незначительно;
3) термины «повреждение от фреттинга» и «фреттинг-износ» описывают результаты действия фреттинга;
4) термин «фреттинг-коррозия» обозначает разновидность повреждения от фреттинга, когда образовавшиеся продукты разрушения являются результатом химических реакций между составляющими поверхности и окружающей среды.
Характеристика повреждений деталей машин при фреттинг-коррозии
Имеющиеся экспериментальные данные по фреттинг-коррозии не исчерпывают всего многообразия проявлений этого вида поверхностного разрушения. В большистве опубликованных работ рассматривается влияние внешних механических факторов на интенсивность развития фреттинг-коррозии. Однако наиболее полную информацию для установления механизма этого явления можно получить, исследуя структурные изменения поверхностных слоев, природу образующихся окислов и так далее. С этой целью и был проведен комплексный анализ структурного состояния поверхностей и поверхностных слоев ряда деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены вибрации и имеют характерные повреждения в результате развития фреттинг-коррозии. При проведении исследований применяли металлоконструктурный, электронномикроскопический, рентгеноструктурный анализ, а также изучали микрогеометрию поверхности и микротвердость поверхностных слоев.
Проведенный анализ показал, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, протекают схватывание, абразивное разрушение, усталостные процессы, сопровождающиеся окислением и коррозией. Причем в зависимости от условий нагружения, свойств материалов и окружающей среды один из перечисленных процессов является преимущественным и оказывает существенное влияние на долговечность работы соединения.
Схватывание как ведущий процесс при фреттинг-коррозии встречается в прессовых, болтовых, заклепочных и других соединениях, к которым вследстие действия больших контактных нагрузок затруднен доступ окружающей среды. В этом случае вступают в контакт ювенильные участки поверхности, что приводит к схватыванию и взаимному переносу металла.
Рассмотрим преимущественное развитие процессов схватывания на примере узла соединения главного и прицепного шатуна поршневого двигателя. В этом узле сопряжены главный шатун (рис. 1, а) и палец прицепного шатуна (рис. 1, б), посадка прессовая. Детали изготовлены из термообработанных перлитных сталей соответсвенно 40ХНМА и 38ХМЮА. Внутренняя поверхность проушины главного шатуна хромирована, палец прицепного шатуна азотирован. Посадочный поясок покрыт слоем латуни. Узел работает при температуре 100-200 °С. Относительное перемещение сопряженных деталей может достигать 15-30 мкм.
Под действием высоких удельных нагрузок в поверхностных слоях контактирующих участков протекает интенсивная пластическая деформация. Электронномикроскопический анализ позволил обнаружить наличие сложного рабочего рельефа поверхностей контакта, образовавшегося в результате их деформирования.
Пластические деформации способствуют схватыванию ювенильных участков поверхности. При динамических нагрузках во время работы соединения происходит разрушение узлов схватывания, что приводит к глубоким вырывам металла и налипанию одного металла на другой. Вырывы и наросты становятся концентраторами напряжений, снижающими долговечность работы соединения. В нашем случае разрушение, в основном, происходит по хромированной поверхности главного шатуна, имеющей меньшее значение ударной вязкости.
Если разрушение поверхностей на первых этапах работы имеет локальный характер, то в дальнейшем при благоприятных условиях оно распространяется по большой поверхности (рис. 2, а). Окислительные процессы в этом случае несколько затормаживаются вследствие затруднительного доступа воздуха в зону контакта.
Преимущественное усталостно-коррозионное повреждение поверхности большей частью обнаруживается на шлицевых соединениях, сопряжениях с легкоходовой, скользящей и легкопрессовой посадками и на некоторых других. Пример повреждения шлицевого соединения показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Участки поверхностей деталей, поврежденные фреттинг-коррозией: а, г - схватывание; б, д - усталостно-коррозионное разрушение; в, е - абразивное разрушение
В результате действия внешней нагрузки и возможного микроперемещения поверхностей происходит пластическая деформация материала, которая интенсифицирует коррозионные процессы на контакте. Причем преимущественная коррозия поверхности происходит в складках деформационного рельефа.
В связи с предеформированием материала в поверхностных слоях начинают развиваться усталостные явления, сопровождающиеся образованием микротрещин. Срастание микротрещин приводит к отколу частиц металла, упрочненных пластической деформацией. На этапе наблюдается упрочнение и разупрочнение поверхностных слоев, о чем свидетельствует немонотонное изменение микротвердости по глубине. Развитие усталостных процессов, сопровождающихся интенсивным окислением и коррозией, приводит к прогрессирующему разрушению поверхностного слоя. При усталостно-коррозионных процессах глубина повреждения может достигать 0.2-0.4 мм. Усталостно-коррозионное повреждение поверхности чаще всего приводит к усталостному разрушению деталей. Это можно объяснить тем, что и фреттинг-коррозия и усталость, как правило, имеют одну и ту же причину возникновения.
Преимущественно абразивное разрушение поверхности при фреттинг-коррозии встречается в соединениях, детали которых изготавливаются из сплавов, образующих твердые продукты износа, например, корунд .
В конструкциях часто встречаются соединения стальных поверхностей в сопряжении с корпусами, изготовленными из алюминиевых сплавов. В этих случаях при знакопеременных нагрузках ведущим видом повреждения обычно становится абразивный (рис. 2, в).
На начальных стадиях возникают процессы схватывания с последующим окислением продуктов износа. Окислившиеся продукты износа алюминиевого сплава ( ) имеют высокую твердость. Скопление большого количества окислов приводит к деформации поверхностных слоев абразивными частицами, срезанию микрообъемов металла и окисных пленок. Шаржированные на поверхности частицы корунда образуют царапины и борозды различной величины. Существенным показателем абразивного разрушения при фреттинг-коррозии можно считать характер микрорельефа поверхностей контакта. Контакитрующие поверхности уже через небольшой промежуток времени работы становятся шероховатыми, имеют спецефические следы воздействия продуктов износа. Пластическая деформация поверхности абразивными частицами носит, в основном, локальный характер. Глубина повреждения при абразивном действии частиц обычно невелика и может достигать нескольких сотых долей миллиметра.
Фреттинг-коррозия обладает рядом отличительных особенностей по сравнению с другими видами разрушения поверхностей: 1) скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей при фреттинг-коррозии мала по сравнению со скоростями при обычном трении скольжения;
2) малая амплитуда смещений затрудняет удаление продуктов износа из зоны контакта;
3) процесс фреттинг-коррозии отличается большой интенсивностью разрушения по сравнению с другими видами изнашивания поверхностей, причем, если присутствие кислорода может уменьшать износ при обычном трении скольжения, то в условиях фреттинг-коррозии кислород углубляет повреждения;
4) продуктами фреттинг-коррозии металлов являются, в основном, их окислы.
Чаще всего фреттинг коррозия развивается при различных прессовых посадках на вращающихся валах, в местах посадки лопаток турбин, в шлицевых, шпоночных, болтовых и заклепочных соединениях. Фреттинг-коррозии подвержены канаты и канатные шкивы, контактные поверхности подшипников качения, передающих нагрузки в отсутствии качения, контактные поверхности рессор и пружин, клапанов и толкателей, кулачковых механизмов и т.п.
Методы предотвращения фреттинг-коррозии
Сложная взаимосвязь процессов фреттинг-коррозии и недостаточная изученность их природы, влияние большого числа факторов, определяющих активность этих процессов в каждом конкретном случае, затрудняет разработку методов защиты. Имеющиеся в различных источниках данные свиделеьствуют о том, что борьба с этим видом разрушения возможна различными путями: подбором соответствующих пар контактирующих материалов, использованием различных гальванических и диффузионных покрытий, применением жидких и твердых смазок, неметаллических прокладок и покрытий и т.д.
А. Бартель делает попытку систематизировать разнообразные меры по предупреждению фреттинг-коррозии, выделяя их в четыре основные группы: конструктивные, механические, подбор материалов, монтажные и производственные.
В качестве конструктивных возможностей для борьбы с фреттинг-коррозией рекомендуется применять бесконтактные лабиринтные уплотнения, вместо цилиндрической посадочной поверхности - шарообразную, трению скольжения предпочитать трение качения, плотно подгонять призматические и сегментные шпонки и т.д.
Предупреждение фреттинг-коррозии «механическим» путем обеспечивается созданием хорошей напряженной посадкой. Посадочные места должны предварительно подвергаться дробеструйной обработке.
При транспортировке машин и механизмов необходимо использовать транспортные предохранители. В тяжело нагруженных узлах рекомендуется применить смазку под давлением, как это показано на примере сферической опоры шасси железнодорожного вагона (рис. 3) и т.д.
Широкие возможности для предупреждения фреттинг-коррозии дает третья группа мероприятий - подбор пар материалов, слабо восприимчивых к фреттинг-коррозии, и физико-химическая модификация контактирующих поверхностей. Так, очень твердые материалы (например, с высоким содержанием карбидов) обладают повышенной способностью противостоять фреттинг-коррозии. Положительный эффект дает применение коррозионноустойчивых сталей, а также нанесение плазменных покрытий. Также следует уделить внимание специальной обработке контактирующих поверхностей. Так, азотирование с дополнительным нанесением порошка дисульфида молибдена, нанесение гальванического слоя хрома, обработка поверхности пескострыйным методом с последующим нанесением металлической пыли свинцовистой бронзы, покрытие из неметаллических материалов дают возможность успешно бороться с фреттинг-коррозией.
К четвертой группе отнесены такие монтажные и производстенные мероприятия, как тщательная подгонка сопряжений, посадка подшипников скольжения и шарикоподшипников с натягом и т.д. Для восстановления поверхностей, сильно подверженных фреттинг-коррозией, рекомендуется использовать наплавку молибдена, а для менее поврежденных - расплавленную массу дисульфида молибдена.
Выбор метода предупреждения фреттинг-коррозии следует проводить с учетом конкретных условий работы сопряжения и предъявляемых к нему требований. Так, Е.Л. Нюрнберг предотвратил фреттинг-коррозию устранением относительного перемещения контактирующих поверхностей в соединении подшипников качения и зубчатых колес с валом путем увеличения удельной нагрузки на сопряженные поверхности. Это было достигнуто применением специальных втулок (разъемных и с нарезанной резьбой) и горячей посадкой при монтаже соединения.
Обычные смазки, а также смазки с примесью графита или дисульфида молибдена использовано в качестве метода борьбы с фреттинг-коррозией. Правда, этот метод полностью не устраняет фреттинг-коррозию, но значительно снижает ее интенсивность.
Третий метод, предложенный Е.Л. Нюрнбергером, основан на использовании коррозионноустойчивых материалов. Применение таких материалов как тефлон и резина в соединении «вал - втулка» позволяет иногда полностью устранить фреттинг-коррозию. Тефлоновую пленку напыляют на вал, затем вал подвергают термической обработке и перед сборкой покрывают обычной консистентной смазкой. Кроме рассмотренных методов предлагается использовать различные демпфирующие устройства для гашения вибрации.
Р.Б. Уотерхауз рекомендует для устранения относительного перемещения контактирующих поверхностей уменьшать тангенциальные силы или увеличивать силы трения. Для увеличения силы трения представляются две возможности. Там, где позволяет конструкция, наиболее простым и эффективным методом является увеличение нормальной нагрузки. Второй метод - увеличение коэффициента трения нанесенным на поверхности гальваническим путем слоя меди, олова.
Однако при применении этих методов необходимо учесть, что если нагрузка и коэффициент трения будут увеличены в недостаточной степени, то это может привести к интенсификации повреждения.
Уменьшение тангенциальной силы может быть достигнуто покрытием из материала, обладающего низким модулем упругости. В этом случае необходимо, чтобы амплитуда скольжения не достигала предельной величины.
Г.Р. Мак-Доуэлл также считает, что эффективным средством предотвращения фреттинг-коррозии является устранением относительного перемещения или его уменьшения путем увеличения натяга или изготовлением специальных зажимов. Отмечается также высокая эффективность применения прокладок из резины и тефлона между контактирующими поверхностями. исключение влияния атмосферы с помощью герметизации зоны контакта клеем или другим герметизирующим материалом и применением смазки также дали положительный эффект.
К.Е. Филлипс считает, что нецелесообразно идти по пути предотвращения относительного перемещения сопряженных поверхностей, так как даже небольшая деформация в пределах упругости может быть достаточной для возникновения фреттинг-коррозии. Большие возможности в борьбе с фреттинг-коррозией автор видит в применении смазки, считается, что во многих случаях обильная смазка является достаточным средством защиты. Кроме того, отмечается, что внутреннее напряжения сжатия замедляют развитие фреттинг-коррозии; упрочнение накаткой, дробеструйная обработка, азотирование и цементирование также затрудняют появление фреттинг-коррозии.
В.Ю. Вахтель для повышения усталостной прочности деталей, работающих в условиях фреттинг-коррозии, предложил эффективный метод уменьшения концентрации напряжений, заключающийся в нанесении сетки канавок определенной глубины на поверхность, которую необходимо защитить от разрушения. Проверка этого метода, проведенная на болтовом соединении, показала, что долговечность соединения в условиях фреттинг-коррозии увеличилась в три раза.
В ряде работ проводилось систематическое исследование антифреттинговых свойств жидких и твердых смазок.
А.С. Ахматов с сотрудниками при изыскании мер по предупреждению фреттинг-коррозии в совмещенных подшипниковых опорах турбохолодильников показали, что любой вид смазки уменьшает скорость развития фреттинг-коррозии, причем масла, обладающие высокой прочностью граничной пленки и большой склонностью к адгезии с поверхностью материала, наиболее эффективны.
Н.А. Скарлетт также исследовал антифреттинговые свойства различных смазок. Испытанию на специальной установке подверглись 32 смазки, отличающиеся по вязкости и противоизносным присадкам. Большинство испытанных консистентных смазок показали плохие антифреттинговые свойства. Для борьбы с фреттинг-коррозией рекомендованы консистентные смазки на литиевой и кальциевой основе с содержанием полярных присадок.
Из всего многообразия перечисленных апробированных средст предотвращения фреттинг-коррозии можно сделать вывод, что универсального метода защиты от этого вида разрушения контактирующих поверхностей не существует. Большинство предложенных методов разработаны для частных случаев с конкретными условиями работы конструкции, в зависимости от которых один и тот же метод может давать совершенно противоположные результаты.
Вывод
Необходимость осуществления мероприятий по защите от фреттинг-коррозии диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10% ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих контактирующих деталей, т. к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло- и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества. К потерям, которые терпит народное хозяйство от коррозии, должны быть отнесены также громадные затраты на всякого рода защитные антикоррозионные мероприятия, ущерб от ухудшения качества выпускаемой продукции, выход из строя оборудования, аварий в производстве и так далее.
Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства.
Фреттинг-коррозия является физико-химическим процессом, защита же от коррозии металлов - проблема химии в чистом виде.
