Slijtage in gesmeerde systemen

is slijtage aan het oppervlak die optreedt tussen twee contactvlakken met cyclische beweging (oscillerende tangentiële verplaatsing) met een kleine amplitude. Op de contactgebieden wordt smeermiddel uitgeperst, wat resulteert in metaal-op-metaal contact.

omdat de beweging met geringe amplitude het niet mogelijk maakt het contactgebied opnieuw te verbinden, kan ernstige plaatselijke slijtage optreden. Dit type slijtage bevordert verder slijtage van twee-lichaams slijtage, hechting en / of stressvermoeidheid (een vorm van oppervlaktemoeheid).

wanneer slijtage optreedt in een corrosieve omgeving, hebben zowel het wegwrijven van oxidefilms als de toegenomen slijtvastheid van het hardere geoxideerde slijtafval de neiging de slijtage sterk te versnellen. Wanneer de corrosieactiviteit duidelijk duidelijk is, zoals aangeduid door de kleur van de puindeeltjes, wordt het proces bedoeld als het piekeren corrosie.

slijtage door piekeren

slijtage door piekeren wordt ook wel trillingsslijtage, schuren, vermoeidheid, slijtage-oxidatie, wrijvingsoxidatie, valse brinelling, moleculaire slijtage, piekeren-vermoeidheid en corrosie genoemd.

omdat vrijwel alle machines trillen, treedt fret op in verbindingen die zijn vastgeschroefd, gepind, aan de pers bevestigd, gecodeerd en geklonken; tussen onderdelen die niet bedoeld zijn om te bewegen; in oscillerende splines, koppelingen, lagers, koppelingen, spindels en afdichtingen; en in basisplaten, kruiskoppelingen en sluitingen.

Fretting heeft vermoeidheidsscheuren veroorzaakt die vaak resulteren in vermoeidheidsfouten in schachten en andere sterk belaste componenten.

slijtage is een slijtage van het oppervlak en wordt sterk beïnvloed door de amplitude van de verplaatsing, de normale belasting, de materiaaleigenschappen, het aantal cycli, de vochtigheid en de smering.

Slijtproces

cyclische beweging tussen contactvlakken is het essentiële ingrediënt bij alle soorten slijtage. Het is een combinatieproces waarbij oppervlakken in contact moeten komen en blootgesteld moeten worden aan kleine amplitude oscillaties.

afhankelijk van de materiaaleigenschappen van oppervlakken kunnen lijm, tweelichaamsschuring en/of vaste deeltjes slijtage veroorzaken. Slijtage deeltjes los en worden vermalen (verpletterd) en het slijtagemechanisme verandert in drie-lichaams slijtage wanneer het werk gehard puin begint te verwijderen van metaal van de oppervlakken.

slijtage veroorzaakt door de volgende opeenvolging van gebeurtenissen:

1. de toegepaste normale belasting veroorzaakt asperities om te hechten, en de tangentiële oscillatoire beweging scheert de asperities en produceert slijtage puin dat accumuleert.

2. de overlevende (harder) asperities handelen uiteindelijk op de vlotte zachtere oppervlakken veroorzakend hen om plastische vervorming te ondergaan, leiden tot Holten, verspreiden scheuren en afschuiving van bladen van deeltjes die ook in ingedrukte delen van de oppervlakken accumuleren.

3. zodra de deeltjes voldoende zijn opgehoopt om de kloof tussen de oppervlakken te overbruggen, treedt slijtage op en verspreidt de slijtagezone zich zijdelings.

4. naarmate de hechtings -, delaminatie-en slijtageslijtage voortduurt, kan slijtageafval niet langer in de oorspronkelijke zone worden opgenomen en ontsnapt het naar de omliggende valleien.

5. omdat de maximale spanning in het midden ligt, wordt de geometrie gekromd, vormen micropits zich en deze samensmelten in grotere en diepere putten. Ten slotte kunnen, afhankelijk van de verplaatsing van de tangentiële beweging, wormsporen of zelfs grote scheuren worden gegenereerd in een of beide oppervlakken.

naarmate de oppervlakken werkgehard worden, neemt de slijtage af. Ten slotte treedt een constante slijtagesnelheid op, waaruit blijkt dat alle relevante slijtmodi in combinatie werken.

kenmerken van de slijtage door piekeren

de belangrijkste factor bij slijtage door piekeren is een mechanisch geladen interface die wordt onderworpen aan een kleine oscillerende beweging. De relatieve beweging die nodig is om schade te veroorzaken kan vrij klein zijn, zo laag als een micrometer, maar vaker is rond een paar duizendsten van een inch. De slijtagecoëfficiënt is afhankelijk van de amplitude van de oscillatie.

bij amplitudes onder 100 micrometer treedt zeer weinig slijtage op, zoals weergegeven in Figuur 1.

figuur 1. Slijtage Versus Slip Amplitude1

bij slippen onder 100 micrometer, nucleatie en verspreiding van scheuren die leiden tot slijtage puin zijn te klein om te worden gedetecteerd. Het slijtageafval dat bij die trillingsgraad rolt, veroorzaakt vermoedelijk deze lage slijtagesnelheid.

bij hoge amplitudes zorgt directe slijtage van de interface door harde deeltjes (oxide of werkharde deeltjes) voor de bruto slijtage. Bij grote amplitudes van oscillatie, is de slijtagecoëfficiënt van het piekeren ongeveer hetzelfde als die van unidirectionele slijtage.

Figuur 2. Fretting slijtage Versus Looptijd2

veranderingen in de normale belasting hebben over het algemeen invloed op fretting slijtage. Hoewel gebruikers van apparatuur vaak veronderstellen dat hoge normale belastingen trilling voldoende zullen dempen om het piekeren te verminderen, veroorzaakt de toename van het contactoppervlak meer interactie aan het oppervlak, die over het algemeen groter is dan dit effect. Bijgevolg leiden toenemende belasting-of eenheidsdrukken tot hogere slijtagesnelheden, zoals blijkt uit Figuur 3.

Figuur 3. Fretting slijtage versus normale eenheid Belasting3

drie afzonderlijke mechanismen veroorzaken fretting slijtage: hechting, tractie vermoeidheid en delaminatie (twee-lichaams slijtage). Metallische overdracht kan al dan niet plaatsvinden. Plastische vervorming geometrisch verandert oppervlakken en hoge belasting-dragende gebieden worden gemaakt die gebieden gemeten in vierkante millimeter.

het materiaal dat met deze draagvlakken overeenkomt, is sterk werkbestendig en leidt tot de vorming van een nieuwe structurele fase. Deze werk-geharde gebieden zijn Bros, gevoelig voor breuk en fragmentatie, en produceren metaal slijtage puin en deeltjes met initiële afmetingen van ongeveer een micrometer.

Figuur 4. Effect van de frequentie op de beschadiging van zacht staal

corrosie van het Stroeven

een ander facet van het stroevenproces is de invloed van de vochtigheid op de mate van slijtage van het Stroeven. De slijtage neemt aanzienlijk af voor de meeste wrijvingskoppels (metalen) als de relatieve vochtigheid stijgt van nul tot 50 procent.

slijtage onder vochtige omstandigheden is altijd minder ernstig omdat het vocht in de lucht een soort smeerfilm tussen de oppervlakken vormt. In sommige gevallen, vocht laat zacht ijzer hydraten te vormen in plaats van de hardere, meer schurende Fe3O4, magnetiet, een magnetisch oxide van ijzer.

hoewel fretten kunnen voorkomen in een inerte omgeving, is dit soort omgeving niet normaal. Zelfs onder volledige smering bevatten minerale oliën die aan de atmosfeer worden blootgesteld ten minste 10 procent lucht, dus zuurstof is aanwezig bij alle wrijvingskoppels of draaginterfaces. Het dragen van oppervlakken en slijtage puin tonen vaak een grote hoeveelheid oxide, wat leidt tot de naam “het piekeren corrosie.”

in het verleden werd knetterende slijtage meestal knetterende corrosie genoemd, omdat oxidatie de kritieke factor zou zijn die knetsen veroorzaakte. In feite is het bestaan van oxidatieproducten een klaar middel om een storende proces te identificeren geweest.

tegenwoordig realiseren ingenieurs zich dat fretten voorkomen in materialen die niet oxideren, zoals kubieke oxide, goud en platina. Hoewel oxidatie niet zorgen veroorzaken in de meeste voorkomende materialen, het verwijderen van slijtage puin laat maagdelijke metaal blootgesteld aan de atmosfeer en oxidatie meestal optreedt.

sterk visueel bewijs ondersteunt het idee dat oxidefilms worden gevormd en vervolgens worden verwijderd. De metalen oppervlakken in het gefrette gebied worden licht verkleurd. De kleur van slijtage puin varieert met het type oudermateriaal; het corrosieproduct van aluminium is wit, maar piekeren zorgt ervoor dat het zwart wordt, het corrosieproduct van staal is grijs, maar piekeren zorgt ervoor dat het een roodachtig bruin wordt.

het tweede aspect dat dit idee ondersteunt is de toename van de slijtage. Wanneer het piekeren in een inerte omgeving voorkomt, is de slijtage aanzienlijk minder dan wanneer de omstandigheden een oxidefilm veroorzaken te vormen en worden afgeschraapt.

omdat het effect van de frequentie op slijtage amplitudeafhankelijk is, moeten twee soorten slijtage worden gedefinieerd aan de hand van de oscillatieamplitude. Het eerste type van piekeren is piekeren corrosie of slijtage, zoals eerder besproken. Het tweede type van piekeren dat optreedt, waarbij minder materiaal wordt verwijderd, heet piekeren vermoeidheid of tractie vermoeidheid.

Fretting Fatigue

bij fretting fatigue ontstaan en verspreiden oppervlaktescheuren zich, waardoor materiaal wordt verwijderd. De amplitude is klein. Als de amplitude van de slip toeneemt, kan het verontrustende vermoeidheidsfenomeen verdwijnen als het slijtfront snel genoeg begint te vorderen om de geïnitieerde scheuren te verwijderen voordat ze zich verspreiden.

de oppervlaktehardheid speelt een belangrijke rol bij het beperken van de vermoeidheidsproblemen. Als beide oppervlakken hard zijn, zal asperities lassen, gevolgd door het knippen van kruisingen, materiaaloverdracht en slijtdeeltjes generatie.

indien een hard oppervlak in contact komt met een zacht oppervlak, zal zich waarschijnlijk vermoeidheidsslijtage voordoen. Het hardere van de twee oppervlakken zorgt voor voldoende tractie om plastische vervorming van het zachtere oppervlak te veroorzaken en deeltjes vrij te geven door ondergrond lege nucleatie, scheurvorming en vervolgens verlies van oppervlaktemateriaal.

wanneer één oppervlak veel harder en ruwer is en door minder trekkracht wordt aangedreven, zullen de asperities in het tegenoverliggende oppervlak inspringen om ernstige slijtage en draadachtig slijtage te veroorzaken.

de invloed van het smeermiddel op het fretten

het fretten lijkt sneller te gaan bij wrijvingskoppels met gladde oppervlakken en nauwe pasvormen. Smeermiddelen dringen niet door in slijtagegebieden met kleine spleetgaten (beschreven als close fits). Bovendien elimineert de gladde afwerking smeermiddel-behoud zakken tussen de asperities in ruwere oppervlakken.

onder deze omstandigheden kan alleen grenssmering worden bereikt, de continue interactie van met olie bevochtigde oppervlakken. Smeermiddelen zijn niet altijd succesvol omdat de zuigerwerking de smeerfolie eruit knijpt en niet toestaat dat deze wordt bijgevuld.

in het algemeen is het doel van het smeermiddel in de meeste stresssituaties om te voorkomen dat zuurstof het stressoppervlak en het slijtageafval bereikt. Vloeibare smeermiddelen met effectieve metalen deactivator additieven kunnen helpen om het effect van piekeren verminderen, maar zal waarschijnlijk niet helemaal stoppen piekeren.

1. Halliday, J. conferentie over smering en slijtage, Proc. I. Mech. E, London, 1957. blz. 640.

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

3. Lipson, C. slijtage overwegingen in het ontwerp. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

Noot van de redactie
dit artikel verscheen oorspronkelijk als een hoofdstuk in E. C. Fitch ‘ s boek, Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.