К истории открытия водородного изнашивания
Источники наводороживания
Водородный износ может быть вызван не только тем водородом, который образуется при трении, но и водородом, который может образовываться при различных технологических процессах.
Так, при выплавке стали в доменном производстве из влаги дутья (водяного пара) в результате разложения под действием углерода образуется водород, который и попадает в сталь.
При термической обработке, например, в результате азотирования (при диссоциации аммиака) выделяется водород, который диффундирует в сталь.
Наводороживание стальных изделий происходит при электроохлаждении хрома, кадмия, цинка и никеля (повторим, что одним из способов удаления водорода из гальванических покрытий является термообработка изделий при 200...400 °С).
Во время удаления окалины, продуктов коррозии стальные изделия подвергают травлению в кислоте. Погружение стали в раствор кислоты приводит к растворению железа на анодных участках и выделению водорода на катодных участках с одновременным его внедрением в сталь. В результате накопления газообразного водорода на поверхности детали могут быть даже вспучивания. Степень наводороживания при травлении зависит от многих факторов — состояния стали и особенно наличия в растворе ничтожного количества (следов) серы, фосфора, мышьяка, селена (так называемых “отравителей”), которые способны замедлять (или “отравлять”) реакции химической десорбции и таким образом увеличивать площадь, покрытую водородом и собственно абсорбцию. Поэтому на практике вопрос выбора ингибитора должен быть тщательно продуман, иначе может иметь место повышение абсорбции водорода.
При фосфатировании водород внедряется в сталь. Здесь следует регулировать в ванне содержание свободной кислоты и определенных окислительных реагентов и тем самым можно существенно понизить количество адсорбированного водорода.
Атмосферная коррозия металла может вызвать абсорбцию водорода в том случае, если она протекает в промышленной атмосфере, содержащей сернистый ангидрид и кислую сернокислую соль.
Водород, проникший в сталь (этот водород называют биографическим), в процессе трения будет постепенно диффундировать к поверхности трения и, молизуясь в дефектах, вызывать повышенный износ.
В.Я. Матюшснко и М.А. Андрейчик определили влияние различных технологических операций на наводороживание стальной поверхности. Результаты экспериментов приведены в табл 2.
Таблица 2
| Технологическая операция | Содержание водорода в см3 на 100 г |
| Токарная обработка без СОЖ Токарная обработка с СОЖ Закалка Отпуск Цементация Закалка после цементации | 0,4 5,6 12,6 6,8 15,4 18,8 |
Как будет показано далее, технологически приобретенный водород снижает нагрузку стали до заедания и уменьшает ее износостойкость.
К истории открытия водородного изнашивания
При анализе причин одной из аварий самолета А.А. Поляковым и Д.Н. Гаркуновым было обнаружено явление переноса материала стального ротора топливного насоса на бронзовый золотник. Причина такого переноса очень твердого и прочного материала (закаленной стали) на мягкий материал — бронзу — не была известна и в литературе по схватыванию металлов и мас- сопереносу отсутствовали какие-либо объяснения. В связи с таким неординарным случаем переноса металлов появилось предположение, что это могло произойти в результате действия водорода. Но этому не было прямых подтверждений. Самое главное, такое предположение противоречило установившемуся мнению о том, что само трение является процессом обезводороживания. Считалось, что максимальная температура при трении находится на поверхности, и водород, имеющийся в детали, будет двигаться в сторону высокой температуры и затем десорбироваться с поверхности. На этом был основан процесс обезводороживания, восстанавливающий механические свойства стальных деталей после их хромирования. Хромированные трущиеся детали, например цилиндры авиационных поршневых двигателей, не подвергали обезводороживанию, I так как считали, что такое обезводороживание произойдет в процессе их работы.
Было установлено, что передача тепла происходит по нормали от мест с большей температурой к местам с меньшей температурой.
I’iic. 3.3. Контактнровапие двух шероховатых поверхностей:
it — единичные нормали
Наибольший перепад температуры происходит в направлении
нормали к площадке, образованной единичным выступом.
На рис. 3.3 показано взаимодействие двух поверхностей и
направление единичных векторов, совпадающих е направлением
нормали к единичной площадке контакта [16).
Очевидно, в общем случае направление общей нормали п к
поверхности контакта не совпадает с единичными векторами.
Температурное поле, распространяясь в глубь материала, приводит
к изменению его механических свойств в тонком поверхностном
слое. Величина теплового потока зависит от работы
трения и величины площадки, на которой она генерируется [16].
В связи с изложенным вопрос о влиянии водорода на трибоси-
стему в практике и технической литературе не ставился. Поводимому,
первой работой о влиянии водорода на уменьшение
износостойкости стальной детали была работа, опубликованная
в 1960 г. [44]. В ней говорилось, что наводороживание увеличивает
дефектность (число “слабых мест”) поверхностного
слоя и снижает его износостойкость. В работе не утверждалось,
что в процессе трения детали могут наводороживаться.
Только в последние годы теоретически А.В. Кудинов [18], а
затем экспериментально В.Я. Матюшенко, Г.П. Шпеньков и
Д.Н. Гаркунов установили, что при тяжелых режимах трения
максимальная температура регистрируется на некоторой глубине
от поверхности трения. Это создает условия, при которых
водород, если он будет адсорбирован на поверхности детали,
под действием температурного градиента диффундирует в глубь
поверхности, там концентрируется, вызывает охрупчивание
поверхностных слоев и усиливает изнашивание.
Рис. 3.4. Кривые распределения температуры по глубине от поверхности
трения стального образца при нагреве трением:
1 — в течение 5 с; 2 — 20 с; 3 — 10 с
Испытанию подвергалась теплостойкая пластмасса в паре
со сталью. Распределение тепла по глубине стального образца
в процессе трения показано на рис. 3.4 [17].
Таким образом установлено, что трение может обезводоро-
дить поверхность детали (обезводороживание происходит при
легких режимах трения, например при полировании); при тяжелых
режимах трения максимальные температуры наблюдаются
под поверхностью трения (на некоторой глубине, рис. 3.5),
что способствует продвижению водорода с поверхности в глубь
металла.
Рис. 3.5. Наличие зон с максимальной температурой под поверхностью
трения (тяжелые условия трения)
В случае циклического трения, например при взаимодействии
колеса с рельсом, будет происходить своеобразная накачка
водородом контактирующих поверхностей деталей.
3,2.4, В ли я н и е водорода на прочность.
Водородное охрупчивание
Первой работой, в которой установлено влияние водорода
на охрупчивание стали, является исследование Пфейля, опубликованное
в 1926 г. В настоящее время по этому вопросу имеется
множество работ. По водородной хрупкости опубликован
ряд монографий, в которых обобщен большой экспериментальный
материал. Основные выводы, сделанные П. Коттерилом
но влиянию водорода на объемную прочность стали, сводятся
к следующему:
— водород не оказывает существенного влияния на упругие
характеристики железа и стали;
— при содержании водорода до 0,1 см3/100 г твердость стали
не меняется, хотя предел прочности уменьшается;
— разрушающее напряжение снижается пропорционально
росту концентрации водорода;
— характеристики пластичности (удлинение и сужение) снижаются
пропорционально повышению концентрации водорода
вплоть до 5 см-VlOO г; при дальнейшем увеличении содержания
водорода пластичность остается на низком уровне;
— степень о х р уп чиван ия стали под влиянием водорода
уменьшается с повышением скорости деформации; при ее предельно
высоком значении (испытании на удар) водород не вызывает
охрупчивания стали;
— охрупчивание стали под влиянием водорода проявляется
в интервале температур -100...+ 100 °С; наибольшая степень
охрупчивания наблюдается при нормальной и несколько более
низкой температуре;
— для возникновения явления охрупчивания необходимо наличие
растягивающих напряжений;
— в присутствии водорода характер разрушения стали изменяется:
вместо типичного для пластичного металла вязкого
разрушения наблюдается хрупкое разрушение (обычно путем
разрыва по плоскостям спайности);
— интенсивность охрупчивания металла под влиянием водорода
зависит от вида обработки; сталь особенно склонна к
недородной хрупкости в закаленном состоянии; вероятность
проявления водородной хрупкости повышается также в результате
наклепа;
— водород вызывает преждевременнЬе хрупкое разрушение
высокопрочных легированных сталей при статическом нагружении;
— водород не влияет на свойства металла в ненапряженном
состоянии; удаление водорода из стали до се деформирования
обеспечивает полное сохранение пластичности; по-видимому,
для проявления водородной хрупкости необходимо присутствие
водорода, способного диффундировать в процессе деформации;
— если водород распределяется по образцу неравномерно,
то области, богатые водородом, будут обладать наименьшей
пластичностью при испытании на растяжение; в этих областях
начнется преждевременное разрушение.
Указанные особенности влияния водорода на свойства стали
установлены экспериментально при выявлении влияния водорода
на объемную прочность стальных деталей. Можно с большой
достоверностью предполагать, что эти положения в неко- )
торой степени будут справедливы для стали в процессах трения
и изнашивания.
О механизме водородного охрупчивания. Несмотря на обширную
литературу с описанием экспериментальных работ, единой
точки зрения на механизм водородного охрупчивания нет. Это
объясняется существованием многочисленных факторов, влияющих
на этот механизм, сложностью и недостаточной изученностью
отдельных элементарных физико-химических процессов.
Теории водородного охрупчивания можно разделить на четыре
группы.
1. Теория давления молекулярного водорода, согласно которой
охрупчивание есть результат давления молекулярного
водорода в макро- и микропустотах, а также в трещинах внутри
металла. Давление возникает в результате молизации атомарного
водорода.
2. Адсорбционные гипотезы, объясняющие снижение разру- ;
шающего напряжения вследствие уменьшения поверхностной
энергии внутри трещин при адсорбции водорода (водород действует
как поверхностно-активное вещество).
3. Теория взаимодействия водорода с решеткой металла; водород
является разновидностью дефекта, понижающего проч- 1
ность когезионной металлической связи.
4. Теории, основанные на взаимодействии водорода с дисло-
кациями; водород производит блокирующее действие на дислокации.
Для защиты металлов от воздействия водорода при повышенных
температурах и давлениях рекомендуются следующие
методы [3]: введение в сталь сильных карбидообразующих элементов
(хрома, молибдена, ванадия, ниобия и титана) для стабилизации
карбидной составляющей и предупреждения обезуглероживания
стали (процесс обезуглероживания описывается
реакцией Fe3C + 2Н2 3Fe + СН4, происходит своеобразная
коррозия стали); плакирование или футеровка стали металлами,
имеющими более низкую водородопроницаемость (например
медь, серебро, алюминий, сталь 08X13, 12Х18Н10Т
и др.).
М. Смилковский отмечает, что если подключить к мембране
положительный электрический потенциал по отношению к
вспомогательному электроду, то проникновение водорода полностью
затормозится. При подключении отрицательного потенциала
около 1000 В наводороживание увеличивается в несколько
раз. Водород проникает в металл преимущественно в
ииде протонов.
Имеются вещества, малые добавки которых в металл способствуют
проникновению в него водорода. Это могут быть
соединения серы, сурьмы, мышьяка, селена, примеси сероводорода
и др. Поэтому иаличие указанных веществ в стали крайне
нежелательно.
Существуют также ингибиторы проникновения водорода в
металл. Многие полярные органические соединения тормозят
проникновение водорода в металлы при коррозии и катодной
поляризации. Так, дибензилсульфоксид при сильно отрицательных
потенциалах катода восстанавливается в дибензилсульфид
и прочно адсорбируется на поверхности металла. Механизм
действия органических ингибиторов проникновения водорода
состоит в том, что при электролизе ионы водорода разряжаются
на внешней поверхности адсорбированного слоя органических
молекул, в результате нарушается непосредственный контакт
ионов водорода с поверхностью.
3.2.5. Отличия водородного изнашивания
от водородного охрупчивания
Водородное изнашивание не имеет общих черт с водородным
охрупчиванием стали ни по источникам наводороживания,
ни по интенсивности и характеру распределения водорода
в стали, ни по характеру разрушения. Водородное изнашива-
иие связано только с процессом трения и обусловлено трением.
6 -3 3 5 1 81
Для него характерна высокая локальная концентрация водорода
в поверхностном слое стали, возникающая из-за больших
градиентов температуры и напряжений при трении, которые
обусловливают накопление водорода и особый характер роста
трещин, приводящий к сплошному разрушению слоя стали.
Водородное изнашивание представляет собой эволюционный
процесс, направленный на разрушение трущихся поверхностей.
Трение создает условия для образования диффузионно-
способного водорода из смазочного материала, топлива,
пластмассы, паров воды и других материалов. Далее, трение
обеспечивает адсорбцию водорода на поверхности трущейся
детали (стальной или чугунной) путем создания ювенильных
поверхностей. Трение благодаря деформации тонких поверхностных
слоев образует гидридофильную зону на стальной или
чугунной поверхности детали, которая своеобразно “впитывает”
водород. В результате трения диффузионно-способный водород
концентрируется на некоторой глубине от поверхности
трения, где располагается максимум температуры при трении.
Глубина концентрации водорода зависит от режимов трения и
участвующих в нем материалов. Чем тяжелее режим трения, тем
глубже находится максимум температуры. Все указанные выше
процессы отличают водородное изнашивание от водородной
хрупкости металлов.
Последним этапом водородного изнашивания является своеобразное
разрушение стальной поверхности. Под ней одновременно
образуются многочисленные трещины, которые, сливаясь,
могут мгновенно превратить поверхностный слой детали
в порошок. При водородном охрупчивании образуется и развивается
только одна трещина, которая и приводит к разрушению
детали. Как видим, и здесь имеется коренное отличие водородного
изнашивания от водородного охрупчивания.
При водородном изнашивании концентрация водорода под
поверхностью настолько велика, что никакой другой источник
наводороживания не может создать и десятой доли подобной
концентрации.
Подавляющее большинство методов борьбы с водородным
изнашиванием не может быть использовано для снижения интенсивности
водородного охрупчивания металлов ввиду принципиальных
различий этих явлений. Водородное изнашивание
— явление самоорганизующееся, по сложности и масштабам
проявления оно превосходит явление водородного охрупчивания.
Между тем процессы водородного охрупчивания, а
также сходные с ними процессы коррозионного растрескива-
пня сталей и сплавов изучены в большей степени (хотя и не до
конца). Это облегчает изучение механизма разрушения стали
при водородном изнашивании.
3.2.6. Виды водородного изнашивания
Водородное изнашивание диспергированием (ВИДИС). При
этом виде изнашивания каких-либо изменений в поверхностном
слое детали вследствие обычного износа при диспергировании
не наблюдается. Водород усиливает (в зависимости от
его количества в поверхностном слое) диспергирование стали
или чугуна. На поверхностях трения нет вырывов, задиров, заметного
переноса материала с одной поверхности трения на
другую; они могут иметь блеск и очень мелкие царапины в
направлении движения, которые не видны невооруженным
глазом.
При изучении износостойкости наводороженных стальных
образцов (наводороживание производилось электролитическим
способом) установлено [19], что при незначительном наводо-
роживаиии износостойкость образцов из стали 45 несколько
увеличивается, а при дальнейшем наводороживании падает. Это
связано с тем, что при начальном наводороживании повышается
твердость стали.
На рис. 3.6 представлена зависимость изменения относительной
микротвердости стали (отношение микротвердостей наво-
дороженной стали 45 к ненаводороженной в процентах) от времени
наводороживания. Микротвердость увеличивается в первый
период (1,5 ч) наводороживания, когда происходит про-
Рис. 3.6. Изменение относительной микротвердости стали от времени
выдержки в наводороживаемой среде
6* 83
цесс насыщения стали водородом, сопровождающийся упрочнением
поверхностного слоя. Далее микротвердость при наводороживании
падает и становится меньше исходной. Уменьшение
микротвсрдости стали при насыщении ее водородом свидетельствует
о разрыхлении ее поверхностного слоя и снижении
износостойкости.
Зависимость количества поглощенного водорода и интенсивности
изнашивания стали от времени выдержки в наводорожи-
вающсй среде приведена на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Зависимость количества поглощенного водорода (^„(кривая 2)
и интенсивности изнашивания / (кривая 1) от времени выдержки в наво-
дороживающей среде
Испытания образцов на изнашивание проводили на машине
трения 77МТ-1 при возвратно-поступательном движении. Вначале
испытывали ненаводороженные образцы. Нижний образец
(2x4x6 см) был из стали 45, а верхний (0,5x1,5x3,5 см) из чугуна
СЧ21. Наводороживание проводили в 26%-ном растворе серной
кислоты по методике, изложенной в работе [19]. Интенсивность
изнашивания оценивали величиной
/ = тЬ(Аа) р ,
где т — масса изношенного слоя; L — путь трения; Аа — номинальная
площадь трения образца; р — плотность материала.
Исследования показали, что интенсивность изнашивания при
наводороживании вначале может уменьшиться на небольшую
величину, а в дальнейшем увеличиться на два порядка.
Установлено также, что при наводороживании значительно
уменьшается нагрузка до заедания стальных образцов при трении
(рис. 3.8). Испытания проводили на машине трения АЕ-5, в
которой три стальных образца, расположенные под углом 120°,
истирались о плоскую сторону вращающегося диска. Масло
I’ис. 3.8. Зависимость предельной нагрузки до заедания от времени на-
подороживання стали
подавали каплями в центральную часть диска. Из приведенного
графика следует, что наибольшее падение нагрузки до заедания
происходит после 4...5 ч наводороживания.
Водородное изнашивание разрушением (ВИРАЗ).Этот вид
изнашивания имеет специфическую особенность: поверхностный
слой стали или чугуна разрушается мгновенно на глубину
до 1...2 мкм. Это происходит, когда поверхностный слой накапливает
большое количество водорода. Ранее отмечалось, что
процесс трения создает условия для высокой концентрации водорода
в поверхностных слоях стали. Трение десорбирует смазочный
материал, и водород получает возможность занимать
большее число адсорбционных центров на поверхности. Концентрация
водорода в стали непрерывно растет. Водород попадает
в зародышевые трещины, полости, межкристаллитные
границы и другие места. При трении происходит периодическое
деформирование поверхностного слоя, и объем дефектных
мест (полостей) изменяется. Поступающий в полости водород
молизуется и, не имея возможности выйти обратно при уменьшении
объема, стремится расширить полость, создавая высокое
напряжение. Повторение цикла вызывает эффект накопления,
продолжающийся до тех пор, пока внутреннее давление в
полостях не вызовет разрушения стали по всем развившимся и
соединившимся трещинам.
Рассмотрим повреждения различных деталей и узлов трения
от ВИРАЗ.
Разрушение стальных подпятников керосиновых насосов. При
эксплуатации керосиновых насосов наблюдались случаи ката-
Рис. 3.9. Участок переноса закаленной стали со стальиого ротора на
бронзовый золотник (хЮО)
строфического износа поверхностей стальных закаленных роторов
и сопряженных е ними бронзовых золотников. Ротор изготовлен
из стали 12ХНЗА, твердость поверхности HRC 60, твердость
золотника из бронзы НВ 61. Внешне разрушение проявлялось
как износ стальной поверхности на глубину 0,03 мм и
намазывание микроскопических лепестков стали на поверхность
бронзового золотника (рис. 3.9).
Идентичность материала этих лепестков с материалом ротора
установлена спектральным анализом. На роторе по всей
поверхности трения имелись относительно глубокие кольцевые
царапины. На участках золотника, где частиц стали не было,
наблюдалось “вымывание" одной из фазовых составляющих
бронзы, а также следы серого налета на поверхности.
Как выяснилось, ротор имел небольшой перекос относительно
золотника, что могло привести к повышенной скорости изнашивания
поверхностей трения. В керосине, который одновременно
служит смазочным материалом для насоса, допуска-
стся незначительное количество примесей коррозионно-актив-
ных соединений серы (меркаптаны). Вследствие высокой сорбционной
способности они могут накапливаться на металлических
поверхностях. В обычных условиях работы эти соединения
при допустимом их содержании в керосине не вызывают коррозии.
С повышением температуры возникает хемосорбция,
физическая адсорбция уменьшается и, следовательно, уменьшается
механическое защитное действие адсорбционного слоя. В
этих условиях трение приводит к значительному ускорению
коррозии. Происходит избирательное анодное растворение
медного сплава, образование меркаптидов, выделение водорода
на меди и диффузия его в сталь.
Трудности лабораторного воспроизведения этого процесса
связаны с необходимостью пропускать через зону трения большой
объем керосина, чтобы накопить достаточное количество
упомянутых поверхностно-активных соединений.
Золотники топливных насосов, а также лопатки роторов
насосов и сопряженные с ними детали не всегда имеют повреждения
из-за водородного изнашивания в виде крупных задиров
и микропереноса. Некоторые детали работают в режиме
ВИДИС. Однако за несколько часов работы линейный износ
трущихся поверхностей может составить 0,5 мм и более (при
нормальной работе — износ до 0,01 мм).
Исследования А.И. Праведиикова показали особую роль
водорода в термодеструкции пластмасс. Экспериментально установлено,
что энергия активации при термодеструкции пластмасс
находилась в пределах 125...300 кДж/моль. Однако для
процесса в целом она значительно меньше, что свидетельствовало
в данном случае о протекании цепной реакции, при которой
должен быть агент-переносчик. Таким переносчиком оказался
атомарный водород, который активен и может инициировать
разложение органической молекулы. После разложения
молекулы пластмассы водород молизуется и в дальнейшем уже
менее активная молекула водорода входит в состав летучих
продуктов вместе с другими продуктами как примесь. Расчеты
А.Н, Праведиикова показали, что такая роль водорода возможна
даже при небольших его концентрацях.
При отсутствии водорода удалось повысить термостойкость
пластмасс до температуры 600 °С. Полученные результаты
объяснили причины высокой термостойкости органического
полимера, известного под названием “черный оряон”, который
выдерживает температуру до 1000 °С. Этот полимер —карбо87
низированный полиакрилонитрид, в своей структуре не содержит
ни одного атома водорода.
В процессе термодеструкции при трении’ обычных пластмасс
водород может входить в металл, наводороживая его.
Повреждения пластмассовых тормозных элементов автомобилей.
Процессы переноса стали и чугуна на пластмассовые тормозные
элементы автомобилей рассматривали А.Г. Георгиевский
и М.Н. Олина [20]. При трении асбестосмоляного образца с
чугуном, легированным никелем и хромом, при температуре
400...500 °С происходит перенос пластмассы на чугун. При дальнейшем
повышении температуры на поверхности чугунных образцов
наблюдается увеличение толщины неметаллической пленки,
которая при температуре 900 °С достигает 100 мкм. Пленка
неоднородна по строению: прилегающая к металлу часть более
светлая, подобна оксидной. В дальнейшем чугун переносится на
пластмассу. Предварительно на некоторой глубине от поверхности
трения образуется тонкая трещина, которая местами выходит
на поверхность. На отдельных участках наблюдается закатывание
пластмассы в металлическую поверхность. Чугун переносится
несплошным слоем; отделившаяся от основного материала
посредством образования трещины часть чугуна хрупко
разрушается на отдельные агломераты зерен. В процессе трения
происходит охрупчивание чугуна в тонком поверхностном
слое. Позднее перенос чугуна на пластмассовый элемент автомобиля
изучали М.М. Бородулин и И.И. Васильев [21]. При намазывании
чугуна фрикционные качества пары трения снижаются,
а на поверхности контртела образуются глубокие кольцевые
выработки. Тормозные барабаны быстро выходят из строя. Явление
намазывания в тормозных транспортных средствах было
впервые обнаружено при работе тормозных накладок в горных
условиях (температурный режим наиболее тяжелый); при работе
на равнинной местности на первой стадии эксплуатации это
явление остается незаметным. В зависимости от напряженности
работы тормозного элемента образуются повреждения как на
тормозном барабане, так и на накладке или колодке из фрикционной
пластмассы. На поверхности пластмассовой колодки легкового
автомобиля в наиболее нагруженной части имеются частицы
чугуна в виде небольших вытянутых по направлению движения
лепестков размером до I ...1,5 мм2 (рис. 3.10).
В тормозных устройствах грузовых автомобилей повреждения
колодок имеют большие размеры, хотя характер поврежде-
Рис. 3,10. Частицы чугуна на рабочей поверхности тормозной колодки
легкового автомобиля (хЗ)
мня тот же. Частицы чугуна, перенесенного на колодку грузо
вого автомобиля, показаны на рнс. 3.11.
Рис. 3.11. Участки перенесенного чугуна на колодку тормоза грузового
автомобиля
Повышение хрупкости чугуна при трении по пластмассе
можно объяснить только его наводороживанием.
Работы по изучению водородного изнашивания в тормозных
устройствах проводят в Польше [22]. В результате тонких
физико-химических методов исследования (хроматографический,
термогравиметрический, термический и др.) получена исчерпывающая
информация о реакциях, протекающих в зоне
контакта на различных температурных уровнях. При трении
стали о композитный материал на основе смол последний подвергается
механической и термической деструкции и термоокислительным
реакциям, активизируемым динамической нагрузкой.
При температурах до 227 °С вся адсорбированная вода, образовавшаяся
в результате реакции поликонденсации, испаряется
и выделяются избыточный фенол, крезол и другие вещества.
В процессе окисления выделяется водород (Me + Н20 ->
МеО + 2Н). При температурах 327...427 °С смолы распадаются
на фенол, бензол, ксилол и крезол, водород может выделяться
как результат вторичных окислительных реакций этих продуктов.
В области температур 527...727 °С образуется смесь газов
Н2 + СО + С02 и СН2, а смолы обугливаются. Таким образом,
трение композитных "фрикционных материалов сопровождается
выделением водорода.
Количество адсорбированного водорода на поверхности
стали зависит от наличия в ней легирующих элементов. Износ,
вызванный водородом, будет определяться условиями адсорбции
водорода, а также изменением числа вакансий на поверхности,
т.е. количеством водорода, продиффундировавшего в
сталь. Максимальная адсорбция водорода на железе соответствует
77 °С, т.е. когда начинается десорбция продуктов распада
органических соединений с низкой молекулярной массой. Эта
десорбция прекращается при температуре около 127 °С, а адсорбция
водорода продолжается до 427 °С. В таких условиях
содержание водорода в стали увеличивается.
Сталь на поверхности обезуглероживается: Fe3C + 4Н —> 3Fe +
+ СН4. В результате наводороживания цементит дает губчатый
феррит с очень плохими механическими свойствами. Реакция
обезуглероживания подтверждена рентгеноструктурным фазовым
анализом [22]. Одним из методов борьбы с водородным
износом является введение в тормозной материал 2...30 % окиси
меди, которая восстанавливается водородом до чистой меди.
Этот металл — наполнитель, он не только изменяет некоторые
свойства фрикционного материала (например теплопровод-
иость), но и заметно влияет на процесс трения: ликвидируется
перенос стали на фрикционный материал. Введение в тормозной
материал алюминия как наполнителя не дало положительных
результатов. Окислы алюминия имеют высокую твердость
и вызывают абразивное изнашивание обоих элементов пары
трения. В целом наполнитель не должен быть тверже, чем сопряженная
поверхность, и его температура плавления должна
быть ниже, чем у сопряженного материала [22].
Повреждение пластмассовых тормозных колодок железнодорожных
вагонов. Тяжелые условия работы тормозных пластмассовых
колодок железнодорожного транспорта вызывают
большие повреждения поверхностей трения в результате переноса
материала бандажа колеса. На рис. 3.12 показана изношенная
пластмассовая тормозная колодка. Пластмасса у конца
колодки изношена до металлического каркаса. На ее рабочей
поверхности заметен значительный перенос стали.
В практике эксплуатации железнодорожных вагонов с пластмассовыми
тормозными колодками были случаи весьма большого
намазывания металла на пластмассу. Масса перенесенного
металла достигала 100 г на колодку. Процессы переноса стали
в связи с ее иаводороживанием в тормозах вагонов изучали
10.А. Евдокимов и В.И. Колесников. Цель их работы состояла
в том, чтобы путем подбора пласмаесы или присадок к ней создать
электрическое поле в зоне контакта, которое бы препятствовало
проникновению водорода в бандаж колеса. Проводимые
исследования дали положительные результаты.
Разрушение стальной поверхности коленчатых валов компрессоров.
Наводороживание и разрушение стальной поверхности
трения может возникнуть в таких соединениях, как баббитовый
подшипник — шейка коленчатого вала. Например, пе-
Рис. 3.12. Участок переноса стали на тормозную колодку колеса железнодорожного
вагона
ренос стали с вала компрессора на поверхность подшипника возникал
в процессе приработки подшипника после изготовления
компрессора; смазочный материал содержал коррозионно-активные
присадки, предназначенные для ускорения приработки.
После разрушения поверхностного слоя вала частицы стали распределялись
по поверхности баббита, подобно тому как это наблюдалось
на подпятниках керосиновых насосов.
3.2.7. Некоторые методические вопросы
при изучении водородного изнашивания
При изучении наводороживания металлов в процессе трения
следует учитывать, что распределение водорода в поверхностном
слое отличается от такового при электролитическом наводороживании.
В последнем наибольшую концентрацию водорода
имеют слои металла, прилегающие к поверхности; концентрация
водорода по глубине постепенно уменьшается. В зависимости
от концентрации водорода в поверхностном слое образуются
внутренние напряжения сжатия, распределение которых
отражает содержание водорода.
Динамика распределения концентрации водорода в поверхностном
слое при трении. При трении накопление водорода в поверхностном
слое происходит более интенсивно, его концентрация
в поверхностном слое более высокая, чем при электролитическом
наводороживании.
Распределение водорода не носит стабильного характера,
поскольку температура в поверхностных слоях и напряжения,
вызываемые трением, меняются в зависимости от условий трения.
В связи с этим процессы трения сопровождаются сложной
динамикой распределения концентрации водорода как в поверхностном
слое, подвергаемом трению, так и в слоях, расположенных
на глубине до 3...4 мм.
В.Я. Матюшенко, Г.П. Шпеньков и Д.Н. Гаркунов предложили
следующую схему распределения концентрации водорода
в стальном образце (рис. 3.13). В процессе трения концентрация
водорода в поверхностном слое выше, чем в исходном состоянии.
Это естественно, потому что процесс наводороживания в
данном случае отражает именно прирост концентрации водорода
по сравнению с исходной.
В процессе трения водород не только проникает в глубь образца,
но и выделяется с поверхности после трения. Так, например,
в процессе трения пары пластмасса — СтЗ при нагрузке
8 МПа в течение 5 мин при частоте вращения 750 мин-1 на тор-
) i) Ь)
С \ С \
* и п ‘ ) 2
Рис. 3.13, Динамика перераспределения концентрации водорода в стальном
образце (схема):
а — исходное состояние; б — состояние в процессе трения; в — состояние
по окончании трения; г — начало десорбции; д — максимум десорбции;
е — конец десорбции
новой машине трения сразу же после остановки наблюдалось
интенсивное выделение пузырьков газа с поверхности стали. В
некоторых случаях газ выходил из образца под большим давлением,
что было заметно по характерным трекам серии мелких
пузырьков, следующих один за другим (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Треки пузырьков водорода, выделившегося из погруженной
в глицерин стали после трения
Рис. 3.15. Схема отбора выделившегося газа:
1,3 — краны; 2 — собранный газ; 4 — резиновая трубка; 5 — стеклянная
воронка; б — ванна со спиртоглицериновой смесью; 7 — стальные
образцы
В.Я. Матюшенко собрал газ, выделяющийся из серии образцов,
в микробюретку (рис. 3.15) и проанализировал на газовом
хроматографе типа JIXM7A. Было установлено, что выделяющийся
газ содержит более 75 % водорода.
В ряде испытаний при изучении водородного изнашивания
целесообразно использовать тонкие образцы (в виде фольги).
В этом случае удается более точно определить содержание водорода.
3.2.8. В л и я н и е влажности воздуха на интенсивность
водородного изнашивания
Влажность воздуха оказывает сильное воздействие на интенсивность
изнашивания металлов. Это имеет большое значение
для машин массового применения, эксплуатируемых на открытом
воздухе, особенно для нашей страны с обширными районами
повышенной влажности. Приведем некоторые результаты
исследований о влиянии влажности воздуха на изнашивание
металлов; к сожалению, работ в этом направлении выполнено
мало.
Н. Уетц [23] изучал влияние влажности воздуха на изнашивание
металлов при скольжении на машине Зибеля и Кейля, где
L mm/ж*
вВе
3
•
1
0 10 W SQ $9 *к
Рис. 3.16. Зависимость интенсивности изнашивания пары малоуглеродистая
сталь— малоуглеродистая сталь от относительной влажности
при длине пробега 100 м, давлении 1 МПа и скорости скольжения
0,05 м/с
торцовые поверхности двух трубчатых образцов скользили одна
по другой (без смазочного материала) со скоростями 0,05 и
0,02 м/с при различных давлениях. Эксперименты проводили
на воздухе с переменной влажностью и в вакууме при разных
давлениях водяного пара. Перед испытаниями образцы шлифовали,
обезжиривали и высушивали.
Усредненные данные о влиянии влажности на интенсивность
изнашивания при пробеге 100 м представлены на рис. 3.16. С
ростом относительной влажности (до 50 %) износ линейно возрастает,
а затем замедляется. В области относительной влажности
50 % поверхность трения полностью покрывается моно-
молекулярным слоем воды. Характерно, что продукты износа
при влажности 5 % имеют темный серо-коричневый цвет (вероятно,
Fe203). При влажности 50 и 90 % продукты износа имеют
вид серого металлического порошка.
Влияние влажности особенно резко проявляется при трении
малоуглеродистой стали. При увеличении влажности с 5 до
90 % износ возрос в 150 раз. В этих же условиях в парах трения
сталь 45 по стали 45 износ увеличился в 22, бронза по бронзе в
3,5, латунь по латуни в 1,6 раза.
Интенсивность изнашивания пары сталь 45 — сталь 45 при
давлении I МПа была низкой (0,12 мм/км). При повышении
1злажности до 5 % износ возрос в 18 раз, а при повышении влажности
до 100 % — в 23 раза.
На рис. 3.17 представлена зависимость интенсивности изнашивания
образцов от влажности в вакууме и в атмосфере,
Рис. 3.17. Зависимость интенсивности изнашивания сталей от влажности
в вакууме (кривые 1, 2) и на воздухе (кривые 3, 4) при различном
давлении р и скорости скольжения v:
I — малоуглеродистая сталь-малоуглеродистая сталь, р - 1 МПа, v =
0,05 м/с; 2 — сталь 45-сталь 45, р = I МПа, v = 0,05 м/с; 3 — сталь 45-
сталь 45, р = 0,765 МПа, v = 0,05 м/с; 4 — сталь 45-сталь 45, р = 1 МПа,
v = 0,2 м/с
полученная Н. Уетцом. При низкой влажности интенсивность
изнашивания в вакууме меньше, чем на воздухе, поскольку в
последнем случае на поверхностях трения образуются окислы.
При большой влажности (свыше 40 %) интенсивность изнашивания
в вакууме достигает предельного значения и далее уже не
изменяется с увеличением влажности.
Эксперименты показали, что влажность оказывает меньшее
влияние на интенсивность изнашивания цветных металлов.
При меньших нагрузках установлена обратная зависимость
влияния влажности на интенсивность изнашивания (рис. 3.18)
Рис. 3.18. Зависимость интенсивности изнашиваиия сталей от относительной
влажности воздуха при давлении 50 кПа и скорости скольжения
0,05 м/с:
1 - малоуглеродистая сталь-малоуглеродистая сталь; 2 - сталь 60-
сталь 60
I , Мм 1км
Рис. 3.19. Зависимость интенсивности изнашивания пары трения сталь
45-сталь 45 при давлении 1 МПа от скорости скольжения при относи*
тельной влажности воздуха 5 % (кривая / )и50% (кривая 2)
уменьшение интенсивности изнашивания с увеличением влажности
объясняется образованием оксидного слоя на поверхностях
скольжения и полированием поверхностей.
Влияние скорости скольжения поверхностей на износ показано
на рис. 3.19. После достижения определенной скорости
скольжения повышается температура поверхностей. В результате
фактическая влажность уменьшается и происходит резкое
снижение скорости изнашивания. Здесь наблюдается переход
от металлического изнашивания (термин Н. Уетца) к окислительному.
Все приведенные данные о влиянии влажности на износ металлов
были получены Уетцом в 1968 г., когда о водородном
изнашивании еще не было известно. В настоящее время полученные
зависимости можно объяснить образованием в зоне
контакта водорода в результате разложения воды. Бронза и
латунь в меньшей степени охрупчиваются и насыщаются водородом.
Окисление также существенно влияет на износ поверхностей.
Несомненно, что при большой влажности возможны
коррозионные процессы на поверхностях трения.
1 -3351 97
3.2.9. Водородное изнашивание при трении качения
У 1
До настоящего времени почти не было исследований влия-!
ния старения масла на интенсивность изнашивания подшипников
качения. Лишь в небольшом числе работ, в частности у
Л. Грунберга, утверждалось, что химический состав и вид сма-;
зочного материала могут непосредственно влиять на сопротив-J
ление усталости подшипников качения и зубчатых передач. Установлено,
что химические процессы в масле в результате дей- j
ствия присадки могут в 10 раз и более увеличить сопротивление
контактной усталости. Снижение же сопротивления кон-;
тактной усталости проявляется особенно в большой степени в ’
виде точечной коррозии стальных шариков под действием воды,'
находящейся в масле, и водородной хрупкости.
Таблица 3.3
Коррозия на
верхнем шарике
Время до появления выкрашивания на шариках, мин,
при нагрузке
4 кН 6 кН
Отсутствует 275...845 70...422 J
500 196 . J
Начальная 360...584 40...88
430 67 1
Значительная —^ 3—8
4,6
Примечание. В числителе указаны максимальное и минимальное
значения величины, в знаменателе — среднее значение.
Первые сведения о наводороживании при трении качения
появились в 1963 г., когда Л. Грунберг и др. исследовали влияние
присутствия воды в минеральном масле на ускорение разрушения
шарикоподшипников, изготовленных из обычных
сталей.
Был предложен механизм ускоренного разрушения шарикоподшипников,
основанный на образовании вакансионной j
диффузии водорода в высоконапряженную сталь и ее охрупчивании.
Эту гипотезу проверяли на четырехшариковой машине
со смазочным материалом, содержащим 6 % тритиевой воды
высокой активности.
На испытуемом приводном шарике образовались питтин-
ги, на остальных трех шариках напряжения были меньше и при-
знаков поверхностных усталостных разрушений не наблюдалось.
После испытания в тритиевой воде шарики промывали в
ицстоне, погружали в жидкий сцинтиллятор и подсчитывали
радиационную активность. После испытаний было зарегистрировано
от 1000 до 2000 импульсов в 1 с. Не подверженная усталости
часть шариков давала 40 импульсов в 1 с при фоне около
И) импульсов в 1 с. Активность на поврежденном участке со
временем уменьшалась и через 5 суток приближалась к уровню
фона. Описанный эксперимент подтверждает гипотезу, что в
присутствии воды водород внедряется в металл, подвергаемый
поверхностному усталостному воздействию. Уменьшение радиационной
активности со временем может быть отнесено к выводу
трития из металла.
Косвенным подтверждением влияния наводороживания на
контактную усталость являются эксперименты по выяснению
влияния поверхностной коррозии на контактную прочность
стали ШХ15, выполненные В.Г. Кузнецовым [24]. Исследовали
три партии шариков: без признаков коррозии; с начальной коррозией,
возникающей на поверхности шариков при погружении
их на 72 ч в 3%-ный раствор поваренной соли; со значительной
коррозией, появившейся в результате пребывания шариков
в коррозионной камере в течение 15 суток при 100%-ной
влажности и присутствии в атмосфере камеры примеси сернистого
газа (0,01 мг/л).
В качестве смазочного материала использовали пластичную
смазку 1—13, имевшую вначале температуру 18...20 °С, затем
она нагревалась до 50...70 °С. В результате опытов выявлено
(табл. 3.3), что наличие даже небольшой коррозии на металлических
поверхностях, работающих в условиях трения качения
при высоких нагрузках, резко ускоряет появление усталостных
разрушений. При значительной коррозии разрушение ускоряется
в десятки раз.
В этом случае, очевидно, имеют значение два фактора: фактор
наводороживания, в результате которого повышаются напряжения
в поверхностном слое, и фактор повышения шероховатости
поверхности, что влечет увеличение контактных напряжений.
Степень участия этих факторов — задача дальнейших
исследований.
Для узлов трения современной техники (особенно для тяже-
лонагруженных подшипников авиационных двигателей) представляют
интерес исследования по изучению причин снижения
сопротивления усталости при качении, обусловленного присут-
т 99
ствием воды в смазочном материале или топливе при эксплу
тации машин и механизмов. >
Механизм понижения работоспособности тел качения пр|
наличии воды в смазочном материале сложен; он включает взаимосвязь
циклически изменяющихся напряжений и химических-
реакций на поверхности, ведущих к коррозии и водородному
изнашиванию. При повышении качества сталей и уменьшении;
вследствие этого числа подповерхностных неметаллических
включений, вызывающих усталостное разрушение при качении*
соприкасающихся деталей, более важное значение приобретают
химические реакции с водой, приводящие к наводорожива-
нию и, как следствие, к образованию поверхностных дефек-
тов — концентраторов напряжений.
Г. Хайнике [25] также отмечает, что наличие воды (в смазочном
материале или воздухе) нужно учитывать в процессах трения
и изнашивания металлов даже в условиях глубокого вакуума,
например, при масспектроскопическом исследовании всегда
можно обнаружить воду в остаточном газе. Если совершенно -
удалить воду, то можно наблюдать поразительные эффекты, i
Известно, что графит при полном удалении воды в значитель- j
ной степени утрачивает хорошие смазывающие свойства. Характерно,
что вода оказывает влияние на свойства графита при низ- i
ких концентрациях.
Уменьшить наводороживание тел качения в результате дей- J
ствия воды при эксплуатации можно применением в подшипни- ;
ках качения режима ИП. В этом случае образование на контактной
поверхности тонкой медной пленки предотвращает про- •
никновение воды и водорода в микротрещины и может в значи- \
тельной степени повысить контактную прочность.
При рассмотрении влияния воды на износ подшипников ;
нельзя обойти тот факт, что введение в воду водорода не оказа- ,
ло заметного влияния на интенсивность изнашивания подтип-']
ников качения. Введение же в воду кислорода привело к значи- ;
тельному увеличению радиального зазора в подшипниках.
3.2.10. Водородное изнашивание при трении
и резании древесины
Данные о выделении водорода при трении древесины в ре- |
зультате трибохимических процессов приведены в работе [26].
Термическое разрушение древесины активно протекает уже при
температуре 200 °С. Водород имеется во всех веществах, кото- |
рые составляют древесину (эфиры, целлюлоза и др.).
Рис. 3.20. Зависимость насыщения стали водородом (в % к исходному)
от пути резания древесины
При резании древесины инструменты в значительной степени
подвергаются наводороживанию, что снижает их стойкость
и вызывает охрупчивание зубьев. Результаты исследования
наводороживания зубьев дереворежущих инструментов, выполненного
Е.А. Памфиловым [27], приведены на рис. 3.20
и 3.21.
Для подавления водородного изнашивания древесину наполняли
оксидом меди. В процессе разложения древесины выделившийся
водород восстанавливает окись меди до чистой
30 68 SO Н'Сн*/кг
Рис. 3.21. Зависимость износостойкости образцов из стали от содержания
в ней водорода при трении по древесине
меди, которая покрывает стальную поверхность тонким слоем..
Водород в меньшей степени диффундирует в сталь, что благоприятно
сказывается на работе пары трения. Концентрация водорода
в объеме газовой смеси снижается до 1 %.
Вопрос наводороживания дереворежущих инструментов
только поставлен и методы повышения износостойкости режущего
инструмента еще не разработаны.
3.2.11. Водородное изнашивание титановых сплавов
Титан и его сплавы обладают рядом свойств, которые выгодно
отличают их от других конструкционных материалов.;
Такими свойствами являются высокие коррозионная стойкость,
коррозионно-механическая прочность, эрозионно-кавитационная
стойкость, низкая хладноломкость, немагнитность, особые
физико-механические характеристики (отсутствие продуктов
коррозии в системах, относительно малые тепловые деформа-:
ции). •
Антифрикционные свойства титановых сплавов низкие, что
лимитирует их применение в механизмах с узлами трения. По
сравнению с другими конструкционными металлами (за исключением
алюминия и его сплавов) при трении титана развива-1
ются большие пластические деформации, что увеличивает тем-
пературу поверхностей трения и роль диффузионных процессов.
Указанные обстоятельства повышают интенсивность водородного
изнашивания титана, которое, как правило, сопро- •
вождается схватыванием поверхностей. Проникающий в поверхностные
слои водород образует с титаном химическое сосди- \
нение, которое, обладая высокой хрупкостью, резко снижает!
антифрикционные свойства поверхностей.
Антифрикционные свойства титанового сплава, содержаще-!
го 5 % А1, в зависимости от давления и скорости скольжения
при трении на воздухе, в морской воде и трансформаторном
масле изучали В.И. Гольдфайи, М.А. Зуев и А.Г. Каблуков [28].
Образцы не имели поверхностного упрочнения, шероховатость
поверхности была Ra = 1,25...0,32 мкм. Испытания проводили
на машине трения МИ-1М по схеме вал—частичный вкладыш.
Наибольшая интенсивность изнашивания наблюдалась при j
смазывании трансформаторным маслом; она была меньше в •
среде морской воды и еще меньше без смазочного материала ;]
на воздухе. Изменение интенсивности изнашивания в зависимости
от среды соответствовало изменению микротвердости
поверхностных слоев.
Глубина повреждения образцов при трении в морской воде
н в масле меньше, чем при трении на воздухе без смазочного
материала при давлении до 1 МПа, и одинакова при давлениях
2 и 3 МПа. В процессе трения в масле разрушение узлов схватывания
наблюдалось лишь в тонком слое материала без глубинного
вырывания, но с интенсивным диспергированием поверхностного
слоя и образованием продольных рисок.
Коэффициент диффузии водорода в a -фазе титанового сплава
выше, чем в (3-фазе. Поэтому сплавы, содержащие а-фазу,
легче подвергаются наводороживанию. В титановых сплавах с
a -фазой быстрее образуется гидридная фаза, так как а-фаза
мало растворяет водород.
При трении титановых сплавов наличие водорода, поступающего
из окружающей среды, приводит к резкому снижению
их износостойкости в результате повышения хрупкости поверхностных
слоев (наличия гидрофильной фазы).
В продуктах износа титановых сплавов количество водорода
превышает допустимое его содержание в исходных сплавах.
Титан становится хрупким при содержании водорода более
0,025 %.
Даже обычные смазочные материалы, содержащие поверхностно-
активные вещества, не создают на поверхности титана
и его сплавов прочной адсорбированной пленки. Смазочный
материал является поставщиком водорода, вызывающего охрупчивание
поверхностного слоя металла. Поэтому обычные
смазочные материалы не снижают, а увеличивают износ титановых
сплавов.
Влияние фазового состава титановых сплавов на их антифрикционные
свойства при трении со смазочным материалом
изучал М.Г. Фрейдлин [29]. Процесс наводороживания титановых
сплавов происходит не только при трении, но и при фрезеровании,
если обработку производят во влажной среде. С увеличением
относительной влажности растет содержание водорода;
при повышении влажности с 55 до 94 % содержание водорода
увеличивается в 10 раз.
Когда титановые образцы обрабатывают с охлаждением 5%-
ным раствором эмульсии ЭТ-2, количество водорода в образцах
увеличивается также в 10 раз. Выделение водорода из воды
при взаимодействии с титаном описывается схемой Ti + 41^0—
—> Ti(OH)4 + 2НГ Для уменьшения наводороживания при резании
титановых* сплавов на повышенных скоростях (30...
35 м/мин) необходимо, чтобы относительная влажность возду103
ха не превышала 60 %, при этом, как отмечают И.Ф. Дубровин^
и В.Я. Суворин, нельзя применять охлаждающую жидкость, f
Для улучшения антифрикционных сЬойств титановых сплавов
их предварительно подвергают термическому оксидирова-|
нию на воздухе или в различных средах (песке, графите, расплавах
солей и т.п.) при температуре 500... 1100 °С. Именно в этом
температурном интервале независимо от состава окислительной
среды образуются оксидная пленка и газонасыщенный слой,
обусловливающие прочную адгезию последующего фрикционного
покрытия. При температуре ниже 500 °С они получаются
очень толстыми и при фрикционной обработке разрушаются.
После оксидирования поверхность изделий натирают медью
или медными сплавами в среде глицерина. На поверхности в
результате схватывания и переноса формируется равномерное
покрытие из меди и ее сплавов, которое предотвращает схватывание
и заедание поверхностей и улучшает антифрикционные
свойства изделий.
Результаты испытаний показывают, что применение предложенного
способа при обработке роликов из сплава ВТЗ-1 существенно
уменьшает интенсивность изнашивания роликов й
еще более бронзовых вкладышей при одновременном уменьшении
коэффициента трения более чем в 7 раз по сравнению с его.
значением при испытании необработанных роликов.
3.2.12. Водородное изнашивание у зло в трения машин
и оборудования микробиологического
и медицинского видов производства
Трущиеся детали технологического оборудования медицинского
и микробиологического видов производства интенсивно {
изнашиваются в результате их высокой активности с техногенными
средами. Техногенная среда белковых веществ, попадая в
зону трения, активно взаимодействует с поверхностью металла
на пятне контакта, т.е. в локально нагруженных участках дета- |
ли. Возникают коррозионные процессы, скорость которых за-1
висит от активности микроорганизмов, продуктов их метаболизма,
наличия питательной среды и условий существования
бактерий [30]. Особенностью этих процессов является совместное
протекание электрохимической и бактериальной коррозии,
причем каждая из них взаимно инициирует и развивает друг
друга. Биокоррозионные процессы разрыхляют рабочий слой '
детали, образуя на поверхности контакта микродефекты, способствующие
разрушению поверхности. Активную роль здесь
играет и эффект Ребиндера.
Результаты исследований А.Ф. Приссвка и его сотрудников
| 30] показали, что усугубляющим фактором процесса разрушения
деталей является биогенный водород. Его появление в среде
связано со способностью микроорганизмов использовать для
обмена веществ широкий круг органических и минеральных
соединений, которыми насыщена техногенная среда. Такая способность
обусловлена наличием у микроорганизмов и бактерий
большого разнообразия ферментов, участвующих в энергетическом
обмене. К ним относятся дегидрогеназы и цитох-
ромные системы, являющиеся переносчиками водорода. Основные
фазы выделения биогенного водорода в техногенную среду
белковых веществ выражаются биохимическими реакциями,
протекающими в процессе обмена веществ и энергии (ассимиляции
и диссимиляции) микроорганизмов. Водород адсорбируется
на поверхности детали и под действием напряжений и
тепловых потоков диффундирует в глубь металла.
Экспериментальные исследования по количественному определению
водорода в деталях при трении в культуральной
жидкости белковых веществ показали, что содержание водорода
в стальных образцах достигает 3,73...4,19 мл/100 г.
Авторы разработали метод повышения износостойкости
деталей узлов трения машин и оборудования микробиологического
и медицинского видов производства. Метод состоит в
газотермическом напылении на рабочие поверхности деталей
порошковых самофлюсующихся хромоникелевых сплавов
(ГОСТ 21448—5, ТУ 48-19-383—4) и композиций на их основе.
Эти сплавы применяют для защиты поверхностей от износа
при одновременном воздействии коррозионной среды и высоких
температур с умеренными ударными нагрузками. Такие покрытия
повышают износостойкость деталей в обычных условиях
трения, ио в условиях водородного изнашивания их износостойкость
не столь высока. Пришлось прибегнуть к легированию
верхнего слоя медью с тем, чтобы инициировать процесс
избирательного переноса.
Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой
и улучшения физико-механических свойств напыленных
покрытий авторы работы применили способ оплавления поверхностей
в среде инертных газов [30].
Работа узлов трения в режиме избирательного переноса
обеспечивает снижение диффузии водорода в металл, так как
сервовитная пленка, состоящая из меди, меньше пропускает
водород в поверхность основного материала. Кроме того, медь
обладает биоцидностью: она тормозит бактериальный рост
микроорганизмов и тем способствует снижению биокоррози-
онных процессов.
Исследованиями установлено, что покрытия из самофлю- 5
сующегося сплава, легированного медью, имеют в 1,3.„,5 раз Г
большую износостойкость по сравнению с покрытием без ком- j
понеитов меди. Такое повышение износостойкости можно
объяснить только за счет снижения биокоррозионного разрушения
и приобретения покрытием защитных свойств от иаво-
дороживания.
3.2.13. Водородное изнашивание поршневых колец двигателей внутреннего сгорания
Исследования водородного износа цилиндропоршневой
группы двигателей внутреннего сгорания, которые провели
В.Я. Матюшенко, Н.Ф. Соловей, В.В. Тороп [31], показали пре-1
валирующую роль как технологического, так и эксплуатационного
водорода в изнашивании поршневых колец. Содержание )
в деталях водорода авторы определяли методом вакуум-экстракции.
При работе трущейся пары цилиндр —поршневое кольцо
происходит циклическое изменение знакопеременных нагрузок
при высоких давлениях и температурах (10...12 МПа -