Fretting slid i smurte systemer

Fretting slid er overfladeskader, der opstår mellem to kontaktflader, der oplever cyklisk bevægelse (Oscillerende tangentiel forskydning) af lille amplitude. Ved kontaktområderne presses smøremiddel ud, hvilket resulterer i metal-til-metal-kontakt.

da bevægelsen med lav amplitude ikke tillader, at kontaktområdet smøres igen, kan der forekomme alvorligt lokaliseret slid. Denne type slid fremmer yderligere slid i to kroppe, vedhæftning og/eller fretting træthed (en form for overfladetræthed) slid.

når der opstår slid i et ætsende miljø, har både gnidning af oksidfilm og den øgede slidstyrke af de hårdere iltede slidrester en tendens til i høj grad at fremskynde slid. Når korrosionsaktivitet er tydeligt tydelig, som betegnet med farven på affaldspartiklerne, betegnes processen som fretting korrosion.

Fretting slid

Fretting slid er også kendt som vibrationsslitage, gnidning, træthed, slid iltning, friktion iltning, falsk brinelling, molekylær nedslidning, fretting træthed og korrosion.

da stort set alle maskiner vibrerer, forekommer fretting i samlinger, der er boltet, fastgjort, trykmonteret, tastet og nittet; mellem komponenter, der ikke er beregnet til at bevæge sig; i oscillerende splines, koblinger, lejer, koblinger, spindler og tætninger; og i bundplader, universalfuger og bøjler.

Fretting har indledt træthedsrevner, som ofte resulterer i træthedsfejl i aksler og andre stærkt belastede komponenter.

Fretting slid er en overflade-til-Overflade type slid og påvirkes i høj grad af forskydningsamplitude, normal belastning, materialeegenskaber, antal cyklusser, fugtighed og smøring.

Fretting Slidproces

cyklisk bevægelse mellem kontaktflader er den væsentlige ingrediens i alle typer fretting slid. Det er en kombinationsproces, der kræver, at overflader er i kontakt og udsættes for små amplitudeoscillationer.

afhængigt af overfladernes materialeegenskaber kan klæbemiddel, to-krops slid og/eller faste partikler producere slidrester. Slidpartikler løsnes og findeles (knuses), og slidmekanismen ændres til tre-krops slid, når det arbejdshærdede affald begynder at fjerne metal fra overfladerne.

Fretting slid opstår som følge af følgende rækkefølge af begivenheder:

1. den anvendte normale belastning får asperiteter til at klæbe, og den tangentielle oscillerende bevægelse skærer asperiteterne og genererer slidrester, der akkumuleres.

2. de overlevende (hårdere) asperiteter virker til sidst på de glatte blødere overflader, der får dem til at gennemgå plastisk deformation, skabe hulrum, udbrede revner og skære ark af partikler af, som også akkumuleres i deprimerede dele af overfladerne.

3. når partiklerne er akkumuleret tilstrækkeligt til at spænde mellemrummet mellem overfladerne, opstår slidslitage, og slidområdet spredes sideværts.

4. efterhånden som adhæsion, delaminering og slid fortsætter, kan slidrester ikke længere være indeholdt i det oprindelige område, og det slipper ud i de omkringliggende dale.

5. fordi den maksimale spænding er i centrum, bliver geometrien buet, mikropits dannes, og disse samles i større og dybere gruber. Endelig, afhængigt af forskydningen af den tangentielle bevægelse, kan ormspor eller endda store sprækker genereres i en eller begge overflader.

efterhånden som overfladerne bliver arbejdshærdede, falder slidhastigheden. Endelig opstår der en konstant slidhastighed, som viser, at alle relevante slidtilstande fungerer i kombination.

Fretting slidegenskaber

nøglefaktoren i fretting slid er en mekanisk belastet grænseflade udsat for en lille oscillerende bevægelse. Den relative bevægelse, der kræves for at producere skader, kan være ret lille, så lav som en mikrometer, men oftere er omkring et par tusindedele af en tomme. Slidkoefficienten afhænger af svingningens amplitude.

meget lidt slid forekommer ved amplituder under 100 mikrometer som vist i Figur 1.

Figur 1. Fretting slid vs. Slip Amplitude1

ved glider under 100 mikrometer er nucleation og udbredelse af revner, der fører til slidrester, for små til at blive detekteret. Slidrester, der ruller ved den svingningsgrad, forårsager formodentlig denne lave slidhastighed.

ved høje amplituder skaber direkte slid af grænsefladen af hårde partikler (ilt eller arbejdshærdede partikler) brutto slidhastighed. Ved store oscillationsamplituder er den frettende slidkoefficient omtrent den samme som for ensrettet slid.

figur 2. Fretting slid vs. Løbetid2

ændringer i den normale belastning påvirker generelt fretting slid. Selvom udstyrsbrugere ofte antager, at høje normale belastninger vil dæmpe vibrationer tilstrækkeligt til at reducere fretting, giver stigningen i kontaktområdet mere overfladeinteraktion, som har tendens til at opveje denne effekt. Derfor har stigende belastning eller enhedstryk tendens til at generere højere slidhastigheder som figur 3 viser.

figur 3. Fretting slid vs Normal enhed Belastning3

tre separate mekanismer forårsager fretting slid: vedhæftning, trækkraft træthed og delaminering (to-krop slid). Metallisk overførsel kan eller måske ikke finde sted. Plastisk deformation ændrer geometrisk overflader, og der oprettes høje belastningsbærende regioner, der har områder målt i kvadratmillimeter.

materialet svarende til disse bærende områder er meget arbejdshærdet og fører til dannelse af en ny strukturfase. Disse arbejdshærdede områder er sprøde, tilbøjelige til brud og fragmentering og genererer metallisk slidrester og partikler med indledende dimensioner på omkring en mikrometer.

figur 4. Effekt af frekvens på Fretting skader af blødt stål

Fretting korrosion

en anden facet af fretting processen er indflydelse af fugtighed på hastigheden af fretting slid. Fretting slid falder væsentligt for de fleste friktionspar (metaller), da den relative fugtighed stiger fra nul til 50 procent.

slid under fugtige forhold er altid mindre alvorlig, fordi fugtigheden i luften giver en type smørefilm mellem overfladerne. I nogle tilfælde tillader fugt, at der dannes bløde jernhydrater i stedet for den hårdere, mere slibende Fe3O4, magnetit, et magnetisk jernfilter.

selvom fretting kan forekomme i et inert miljø, er denne type miljø ikke normal. Selv under fulde smørebetingelser indeholder mineralbaseolier udsat for atmosfæren mindst 10 procent luft, så ilt er til stede ved alle friktionspar eller iført grænseflader. Brug af overflader og slidrester viser ofte en stor mængde ilt, hvilket fører til navnet “fretting korrosion.”

i fortiden blev fretting slid normalt kaldt fretting korrosion, fordi iltning angiveligt var den kritiske faktor, der forårsagede fretting. Faktisk har eksistensen af iltningsprodukter været et klar middel til at identificere en fretting proces.

i dag indser ingeniører, at fretting forekommer i materialer, der ikke iltner, såsom kubisk ilt, guld og platin. Selvom iltning ikke forårsager fretting i de fleste almindelige materialer, fjernelse af slidrester efterlader jomfrueligt metal udsat for atmosfæren, og iltning forekommer normalt.

stærke visuelle beviser understøtter ideen om, at der dannes og efterfølgende skrabes væk. De metalliske overflader i det frettede område bliver lidt misfarvede. Farven på slidrester varierer med typen af forældremateriale; korrosionsproduktet af aluminium er hvidt, men fretting får det til at blive sort, korrosionsproduktet af stål er gråt, men fretting får det til at blive rødbrunt.

det andet aspekt, der understøtter denne ide, er stigningen i slidhastighed. Når der opstår bånd i et inert miljø, er slidhastigheden betydeligt mindre, end når forholdene får en oksidfilm til at dannes og skrabes af.

da effekten af frekvens på slid er amplitudeafhængig, skal to typer båndslitage defineres i henhold til oscillationsamplituden. Den første type fretting er fretting korrosion eller slid, som tidligere diskuteret. Den anden type fretting, der opstår, hvor mindre materiale fjernes, kaldes fretting træthed eller trækkraft træthed.

Fretting træthed

ved fretting træthed initierer og formerer overfladesprækker sig og fjerner således materiale. Amplituden er lille. Hvis glidens amplitude øges, kan fænomenet fretting træthed forsvinde, da slidfronten begynder at gå hurtigt nok til at fjerne de initierede revner, før de formerer sig.

overfladehårdhed spiller en nøglerolle i begrænsning af fretting træthed. Hvis begge overflader er hårde, vil asperiteter svejses, efterfulgt af klipning af kryds, materialeoverførsel og slidpartikelgenerering.

hvis en hård overflade er i kontakt med en blød overflade, vil der sandsynligvis opstå træthedsslitage. Den hårdere af de to overflader skaber tilstrækkelig trækkraft til at forårsage plastisk deformation af den blødere overflade og partikelfrigivelse gennem undergrunds tomrum nucleation, revneudbredelse og efterfølgende tab af overflademateriale.

når en overflade er meget hårdere og grovere og drives af mindre trækkraft, vil asperiteterne trænge ind i den modsatte overflade for at forårsage alvorlig slid og trådlignende slidrester.

Smøremiddelpåvirkninger på Fretting

Fretting ser ud til at udvikle sig hurtigere hos friktionspar, der har glatte overfladebehandlinger og tætte pasninger. Smøremidler trænger ikke ind i slidområder med små frirum (beskrevet som tætte pasninger). Derudover eliminerer den glatte finish smøremiddelholdende lommer mellem asperiteterne i hårdere overflader.

under disse betingelser kun grænse smøring tilstand, den kontinuerlige interaktion af olie befugtede overflader, kan opnås. Smøremidler er ikke altid vellykkede, fordi den frem-og tilbagegående handling klemmer smøremiddelfilmen ud og tillader ikke, at den genopfyldes.

generelt er formålet med smøremidlet i de fleste fretting situationer at forhindre ilt i at nå fretting overfladen og slidrester. Flydende smøremidler med effektive metal deaktiveringsadditiver kan bidrage til at reducere effekten af fretting, men vil sandsynligvis ikke stoppe fretting helt.

1. Halliday, J. konference om smøring og slid, Proc. I. Mech. E, London, 1957. s. 640.

2. Feng, I. og Rightmire, B. Proc. I. Mech. E. 170, 1055, 1956.

3. Lipson, C. Brug overvejelser i Design. Prentice-Hall, København, 1967.

Redaktørens Note
denne artikel optrådte oprindeligt som et kapitel i E. C. Fitchs bog, Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.