Fretting kopás kenhető rendszerekben

a Fretting kopás olyan felületi károsodás, amely két érintkező felület között fordul elő, amelyek kis amplitúdójú ciklikus mozgást (oszcilláló tangenciális elmozdulást) tapasztalnak. Az érintkezési területeken a kenőanyagot kiszorítják, ami Fém-fém érintkezést eredményez.

mivel az alacsony amplitúdójú mozgás nem teszi lehetővé az érintkezési terület újrakenését, súlyos lokális kopás léphet fel. Ez a fajta kopás tovább elősegíti a két test kopását, tapadását és/vagy a fáradtságot (a felületi fáradtság egyik formáját).

amikor maró környezetben kopik a kopás, mind az oxidfóliák dörzsölése, mind a keményebb oxidált kopási törmelék megnövekedett abrazivitása nagymértékben felgyorsítja a kopást. Ha a korróziós aktivitás egyértelműen nyilvánvaló, amint azt a törmelékrészecskék színe jelzi, akkor az eljárást fretting korróziónak nevezzük.

Fretting kopás

Fretting kopás is ismert vibrációs kopás, kopás, fáradtság, kopás oxidáció, súrlódás oxidáció, hamis brinelling, molekuláris kopás, fretting fáradtság és korrózió.

mivel gyakorlatilag minden gép rezeg, a frettálás a csavarozott, rögzített, préselt, kulcsos és szegecselt ízületekben történik; a nem mozgásra szánt alkatrészek között; az oszcilláló spline-ekben, tengelykapcsolókban, csapágyakban, tengelykapcsolókban, orsókban és tömítésekben; valamint az alaplemezekben, az univerzális ízületekben és a bilincsekben.

a Fretting fáradtsági repedéseket okozott, amelyek gyakran a tengelyekben és más nagy igénybevételű alkatrészekben fáradtsági meghibásodást eredményeznek.

a Fretting kopás a felület-felület típusú kopás, és nagymértékben befolyásolja az elmozdulás amplitúdója, a normál terhelés, az anyag tulajdonságai, a ciklusok száma, a páratartalom és a kenés.

Fretting Wear folyamat

az érintkező felületek közötti ciklikus mozgás minden típusú fretting kopás alapvető összetevője. Ez egy olyan kombinációs folyamat, amely megköveteli, hogy a felületek érintkezzenek és kis amplitúdójú rezgéseknek legyenek kitéve.

a felületek anyagtulajdonságaitól függően a ragasztóanyag, a kéttest kopása és/vagy a szilárd részecskék kopási törmeléket képezhetnek. A kopásrészecskék leválnak és aprítottá (zúzottá) válnak, és a kopási mechanizmus három test kopására változik, amikor a munkával edzett törmelék elkezdi eltávolítani a fémet a felületekről.

a Fretting kopás a következő eseménysorozat eredményeként következik be:

1. az alkalmazott normál terhelés az asperitások tapadását okozza, és a tangenciális oszcillációs mozgás levágja az asperitásokat, és felhalmozódó kopási törmeléket hoz létre.

2. a túlélő (keményebb) asperitások végül a sima, lágyabb felületekre hatnak, amelyek képlékeny deformációt okoznak, üregeket hoznak létre, repedéseket terjesztenek és levágják a részecskék lapjait, amelyek szintén felhalmozódnak a felületek nyomott részeiben.

3. amint a részecskék elegendő mértékben felhalmozódtak ahhoz, hogy áthidalják a felületek közötti rést, kopási kopás következik be, és a kopási zóna oldalirányban terjed.

4. mivel a tapadás, a rétegelválás és a kopás folytatódik, a kopási törmelék már nem lehet a kezdeti zónában, és a környező völgyekbe távozik.

5. mivel a maximális feszültség a középpontban van, a geometria ívelt lesz, mikropitok alakulnak ki, és ezek nagyobb és mélyebb gödrökké egyesülnek. Végül, a tangenciális mozgás elmozdulásától függően féregnyomok vagy akár nagy repedések keletkezhetnek az egyik vagy mindkét felületen.

ahogy a felületek megkeményednek, a kopás kopásának sebessége csökken. Végül állandó kopási sebesség következik be, ami azt mutatja, hogy az összes releváns kopási mód együttesen működik.

Fretting Wear jellemzők

a fretting wear legfontosabb tényezője egy mechanikusan terhelt interfész, amely kis oszcillációs mozgásnak van kitéve. A károsodáshoz szükséges relatív mozgás meglehetősen kicsi lehet, akár egy mikrométer is, de gyakrabban néhány ezred hüvelyk körül van. A kopási együttható az oszcilláció amplitúdójától függ.

nagyon kevés kopás fordul elő 100 mikrométer alatti amplitúdóknál, amint azt az 1.ábra mutatja.

1. ábra. Fretting Wear vs. Slip Amplitude1

100 mikrométer alatti csúszásoknál a kopás törmelékéhez vezető repedések magképződése és terjedése túl kicsi ahhoz, hogy észlelhető legyen. Az ilyen oszcillációs fokon gördülő kopási törmelék feltehetően ezt az alacsony kopási sebességet okozza.

nagy amplitúdójú, közvetlen kopás a felület kemény részecskék (oxid vagy munka-edzett részecskék) hozza létre a bruttó kopás mértéke. Az oszcilláció nagy amplitúdóinál a fretting kopási együttható megközelítőleg megegyezik az egyirányú kopással.

2. ábra. Fretting kopás vs. futási idő2

a normál terhelés változásai általában befolyásolják a fretting kopását. Bár a berendezések felhasználói gyakran feltételezik, hogy a nagy normál terhelések kellően csillapítják a rezgést a bosszúság csökkentése érdekében, az érintkezési felület növekedése több felületi kölcsönhatást eredményez, amely általában meghaladja ezt a hatást. Következésképpen a növekvő terhelés vagy egységnyomás általában magasabb kopási sebességet eredményez, amint azt a 3. ábra mutatja.

3. ábra. Fretting Wear vs. Normal Unit Load3

három különböző mechanizmus okozza a fretting wear-t: tapadás, vontatási fáradtság és rétegelválás (két test kopása). A fémátvitel történhet vagy nem. A plasztikus deformáció geometriailag megváltoztatja a felületeket és nagy teherhordó régiókat hoz létre, amelyek területe négyzet milliméterben van mérve.

az ezeknek a teherhordó területeknek megfelelő anyag Erősen megmunkált, és új szerkezeti fázis kialakulásához vezet. Ezek a munka-edzett területek törékenyek, hajlamosak a törésre és a töredezettségre, és fémes kopási törmeléket és részecskéket hoznak létre, amelyek kezdeti mérete körülbelül egy mikrométer.

4. ábra. A frekvencia hatása az enyhe acél Fretting károsodására

Fretting korrózió

a fretting folyamat másik aspektusa a páratartalom hatása a fretting kopás sebességére. A súrlódási kopás jelentősen csökken a legtöbb súrlódó pár (fém) esetében, mivel a relatív páratartalom nulláról 50 százalékra nő.

nedves körülmények között a kopás mindig kevésbé súlyos, mert a levegőben lévő nedvesség egyfajta kenőfóliát biztosít a felületek között. Bizonyos esetekben a nedvesség lehetővé teszi a lágy vas-hidrátok képződését a keményebb, koptatóbb Fe3O4, magnetit, a vas mágneses oxidja helyett.

bár a fretting inert környezetben fordulhat elő, ez a fajta környezet nem normális. A légkörnek kitett ásványi alapolajok még teljes kenési körülmények között is legalább 10% levegőt tartalmaznak, így az oxigén minden súrlódási párban vagy Kopó interfészen jelen van. Kopó felületek és kopás törmelék általában azt mutatják, nagy mennyiségű oxid, ami a neve ” fretting korrózió.”

a múltban a fretting kopást általában fretting korróziónak hívták, mert állítólag az oxidáció volt a kritikus tényező, amely a frettinget okozta. Valójában az oxidációs termékek létezése kész eszköz volt a fretting folyamat azonosítására.

ma a mérnökök rájöttek, hogy a fretting olyan anyagokban fordul elő, amelyek nem oxidálódnak, mint például a köbös oxid, az arany és a platina. Bár az oxidáció nem okoz izgalmat a leggyakoribb anyagokban, a kopási törmelék eltávolítása a légkörnek kitett Szűz fémet hagyja, és általában oxidáció következik be.

erős vizuális bizonyíték támasztja alá azt az elképzelést, hogy oxidfilmek képződnek, majd később lekaparják őket. A fémes felületek a frettált régióban kissé elszíneződnek. A kopási törmelék színe az alapanyag típusától függően változik; az alumínium korróziós terméke fehér, de a fretting miatt fekete lesz, az acél korróziós terméke szürke, de a fretting miatt vörösesbarna lesz.

a második szempont, amely ezt az elképzelést támogatja, a kopási sebesség növekedése. Amikor a fretting inert környezetben történik, a kopási sebesség lényegesen kisebb, mint amikor a körülmények oxidfóliát képeznek és lekaparják.

mivel a frekvencia hatása a kopásra amplitúdófüggő, kétféle fretting kopást kell meghatározni az oszcillációs amplitúdó szerint. Az első típusú fretting a fretting korrózió vagy kopás, amint azt korábban tárgyaltuk. A második típusú fretting, amely akkor fordul elő, amelyben kevesebb anyagot távolítanak el, az úgynevezett fretting fáradtság vagy vontatási fáradtság.

Fretting fáradtság

a fretting fáradtság, felületi repedések kezdeményez és terjed, így eltávolítja az anyagot. Az amplitúdó kicsi. Ha a csúszás amplitúdója növekszik, a fretting fáradtság jelenség eltűnhet, mivel a kopási front elég gyorsan halad előre ahhoz, hogy eltávolítsa a kezdeményezett repedéseket, mielőtt azok elterjednének.

a felületi keménység kulcsszerepet játszik az idegesítő fáradtság korlátozásában. Ha mindkét felület kemény, az asperities hegeszteni fog, majd a csomópontok nyírása, az anyagátadás és a kopás részecskeképzése következik.

ha egy kemény felület érintkezik egy puha felülettel, akkor valószínűleg a fáradtság kopása következik be. A két felület közül a keményebb elegendő tapadást eredményez a lágyabb felület képlékeny deformációjához és a részecskék felszabadulásához a felszín alatti üregek magképződésén, a repedés terjedésén és a felületi anyag későbbi elvesztésén keresztül.

ha az egyik felület sokkal keményebb és durvább, és kisebb vonóerő hajtja, az asperitások az ellenkező felületre fognak behúzódni, ami súlyos kopást és drótszerű kopási törmeléket okoz.

kenőanyag hatása a Frettingre

úgy tűnik, hogy a Fretting gyorsabban fejlődik a sima felületű és szorosan illeszkedő súrlódó párokban. A kenőanyagok nem hatolnak be a kis hézagú kopási területekre (szoros illeszkedésnek nevezik). Ezenkívül a sima felület kiküszöböli a kenőanyag-visszatartó zsebeket a durvább felületek aszperitásai között.

ilyen körülmények között csak a határkenési feltétel, az olajjal nedvesített felületek folyamatos kölcsönhatása érhető el. A kenőanyagok nem mindig sikeresek, mert a dugattyús hatás kiszorítja a kenőfóliát, és nem teszi lehetővé annak feltöltését.

általában a kenőanyag célja a legtöbb fretting helyzetben annak megakadályozása, hogy az oxigén elérje a fretting felületet és a kopási törmeléket. A hatékony fém deaktivátor adalékokkal ellátott folyékony kenőanyagok segíthetnek csökkenteni a fretting hatását, de valószínűleg nem fogják teljesen megállítani a frettinget.

1. Halliday, J. Konferencia a kenésről és a kopásról, Proc. I. Mech. E, London, 1957. o. 640.

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

3. Lipson, C. viselési szempontok a tervezésben. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

szerkesztői megjegyzés
ez a cikk eredetileg E. C. Fitch könyvének fejezeteként jelent meg, proaktív karbantartás mechanikai rendszerekhez. 1992.