Uzura prin frecare în sistemele lubrifiate

uzura prin frecare este deteriorarea suprafeței care apare între două suprafețe de contact care se confruntă cu mișcare ciclică (deplasare tangențială oscilantă) de amplitudine mică. În zonele de contact, lubrifiantul este stors, rezultând un contact metal-metal.

deoarece mișcarea de amplitudine mică nu permite relubrizarea zonei de contact, poate apărea o uzură localizată gravă. Acest tip de uzură promovează în continuare abraziunea cu două corpuri, aderența și/sau oboseala fretantă (o formă de oboseală de suprafață) uzură.

când uzura de frecare are loc într-un mediu coroziv, atât frecarea filmelor de oxid, cât și abrazivitatea crescută a resturilor de uzură mai oxidate tind să accelereze foarte mult uzura. Când activitatea de coroziune este clar evidentă, așa cum este indicată de culoarea particulelor de resturi, procesul este denumit coroziune fretantă.

uzura de frecare

uzura de frecare este, de asemenea, cunoscută sub numele de uzură vibrațională, frecare, oboseală, oxidare a uzurii, oxidare prin frecare, brinelling fals, uzură moleculară, oboseală de frecare și coroziune.

deoarece practic toate mașinile vibrează, fretarea are loc în îmbinări care sunt înșurubate, fixate, presate, fixate cu cheie și nituite; între componente care nu sunt destinate să se miște; în spline oscilante, cuplaje, rulmenți, ambreiaje, fusuri și garnituri; și în plăci de bază, îmbinări universale și cătușe.

Fretting-ul a inițiat fisuri de oboseală care duc adesea la eșecul oboselii în arbori și alte componente foarte stresate.

uzura prin frecare este un tip de uzură de la suprafață la suprafață și este foarte afectată de amplitudinea deplasării, încărcarea normală, proprietățile materialului, numărul de cicluri, umiditatea și lubrifierea.

procesul de uzură prin frecare

mișcarea ciclică între suprafețele de contact este ingredientul esențial în toate tipurile de uzură prin frecare. Este un proces combinat care necesită ca suprafețele să fie în contact și să fie expuse la oscilații de amplitudine mici.

în funcție de proprietățile materialului suprafețelor, adezivul, abraziunea cu două corpuri și/sau particulele solide pot produce resturi de uzură. Particulele de uzură se detașează și devin mărunțite (zdrobite), iar mecanismul de uzură se schimbă la abraziune cu trei corpuri atunci când resturile întărite de lucru încep să îndepărteze metalul de pe suprafețe.

uzura de frecare apare ca urmare a următoarei secvențe de evenimente:

1. sarcina normală aplicată determină aderarea asperităților, iar mișcarea oscilatorie tangențială forfecă asperitățile și generează resturi de uzură care se acumulează.

2. asperitățile supraviețuitoare (mai dure) acționează în cele din urmă pe suprafețele netede mai moi, determinându-le să sufere deformări plastice, să creeze goluri, să propage fisuri și să taie foi de particule care se acumulează și în porțiuni deprimate ale suprafețelor.

3. odată ce particulele s-au acumulat suficient pentru a acoperi spațiul dintre suprafețe, apare uzura abraziunii și zona de uzură se răspândește lateral.

4. pe măsură ce aderența, delaminarea și uzura la abraziune continuă, resturile de uzură nu mai pot fi conținute în zona inițială și scapă în văile înconjurătoare.

5. deoarece stresul maxim este în centru, geometria devine curbată, se formează micropite și acestea se unesc în gropi mai mari și mai adânci. În cele din urmă, în funcție de deplasarea mișcării tangențiale, pot fi generate piste de vierme sau chiar fisuri mari pe una sau ambele suprafețe.

pe măsură ce suprafețele devin întărite, rata uzurii la abraziune scade. În cele din urmă, apare o rată constantă de uzură, ceea ce arată că toate modurile de uzură relevante funcționează în combinație.

caracteristici de uzură Fretting

factorul cheie în uzura fretting este o interfață încărcată mecanic supusă unei mici mișcări oscilatorii. Mișcarea relativă necesară pentru a produce daune poate fi destul de mică, la un micrometru, dar mai des este în jur de câteva mii de centimetri. Coeficientul de uzură depinde de amplitudinea oscilației.

uzura foarte mică are loc la amplitudini sub 100 micrometri, așa cum se arată în Figura 1.

Figura 1. Uzura Fretting vs. amplitudinea Alunecării1

la alunecări sub 100 micrometri, nucleația și propagarea fisurilor care duc la uzură sunt prea mici pentru a fi detectate. Resturile de uzură care se rostogolesc la acel grad de oscilație determină probabil această rată scăzută de uzură.

la amplitudini mari, abraziunea directă a interfeței de particule dure (oxid sau particule întărite) creează rata brută de uzură. La amplitudini mari de oscilație, coeficientul de uzură fretting este aproximativ același cu cel al uzurii unidirecționale.

Figura 2. Uzura Fretting vs. timpul de Rulare2

modificările sarcinii normale afectează în general uzura fretting. Deși utilizatorii de echipamente presupun adesea că încărcările normale ridicate vor atenua vibrațiile suficient pentru a reduce fretarea, creșterea zonei de contact produce mai multă interacțiune de suprafață care tinde să depășească acest efect. În consecință, creșterea presiunii de încărcare sau unitate tind să genereze rate de uzură mai mari, după cum arată Figura 3.

Figura 3. Uzura prin frecare vs. sarcina normală a Unității3

trei mecanisme separate provoacă uzura prin frecare: aderență, oboseală la tracțiune și delaminare (abraziune cu două corpuri). Transferul metalic poate avea loc sau nu. Deformarea plastică modifică geometric suprafețele și se creează regiuni mari de încărcare care au zone măsurate în milimetri pătrați.

materialul corespunzător acestor zone portante este foarte întărit și conduce la formarea unei noi faze structurale. Aceste zone întărite de lucru sunt fragile, predispuse la fracturi și fragmentare și generează resturi de uzură metalică și particule având dimensiuni inițiale de aproximativ un micrometru.

Figura 4. Efectul de frecvență pe Fretting daune de oțel moale

Fretting coroziune

o altă fațetă a procesului de fretting este influența umidității asupra ratei de uzură fretting. Uzura prin frecare scade substanțial pentru majoritatea cuplurilor de frecare (metale) pe măsură ce umiditatea relativă crește de la zero la 50%.

uzura în condiții de umiditate este întotdeauna mai puțin severă, deoarece umiditatea conținută în aer asigură un tip de film lubrifiant între suprafețe. În unele cazuri, umiditatea permite hidraților moi de fier să se formeze în locul celui mai dur, mai abraziv Fe3O4, magnetit, un oxid magnetic de fier.

deși fretarea poate apărea într-un mediu inert, acest tip de mediu nu este normal. Chiar și în condiții de lubrifiere completă, uleiurile minerale pe bază expuse atmosferei conțin cel puțin 10% aer, astfel încât oxigenul este prezent la toate cuplurile de frecare sau la interfețele de uzură. Suprafețele de uzură și resturile de uzură prezintă în mod obișnuit o cantitate mare de oxid, ceea ce duce la denumirea „coroziune fretting.”

în trecut, uzura fretting a fost de obicei numită coroziune fretting, deoarece oxidarea a fost presupusul factor critic care a provocat fretting. De fapt, existența produselor de oxidare a fost un mijloc gata de identificare a unui proces de frecare.

astăzi, inginerii își dau seama că fretarea are loc în materiale care nu se oxidează, cum ar fi oxidul cubic, aurul și platina. Deși oxidarea nu provoacă frecare în cele mai frecvente materiale, îndepărtarea resturilor de uzură lasă metalul virgin expus atmosferei și oxidarea are loc de obicei.

dovezi vizuale puternice susțin ideea că filmele de oxid se formează și sunt ulterior răzuite. Suprafețele metalice din regiunea fretată devin ușor decolorate. Culoarea resturilor de uzură variază în funcție de tipul de material părinte; produsul de coroziune al aluminiului este alb, dar fretarea îl face să devină negru, produsul de coroziune al oțelului este gri, dar fretarea îl face să devină maro roșiatic.

al doilea aspect care susține această idee este creșterea ratei de uzură. Când fretarea are loc într-un mediu inert, rata de uzură este considerabil mai mică decât atunci când condițiile determină formarea și răzuirea unei pelicule de oxid.

deoarece efectul frecvenței asupra uzurii este dependent de amplitudine, trebuie definite două tipuri de uzură fretting în funcție de amplitudinea oscilației. Primul tip de frecare este coroziunea sau uzura, așa cum sa discutat anterior. Al doilea tip de fretting care apare, în care se îndepărtează mai puțin material se numește oboseală fretting sau oboseală de tracțiune.

oboseala Fretting

în fretting oboseala, fisuri de suprafață iniția și propaga, eliminând astfel Materialul. Amplitudinea este mică. Dacă amplitudinea alunecării crește, fenomenul de oboseală fret poate dispărea pe măsură ce frontul de uzură începe să avanseze suficient de rapid pentru a îndepărta fisurile inițiate înainte de a se propaga.

duritatea suprafeței joacă un rol cheie în limitarea oboselii. Dacă ambele suprafețe sunt dure, asperitățile se vor suda, urmate de forfecarea joncțiunilor, transferul de material și generarea de particule de uzură.

dacă o suprafață dură este în contact cu o suprafață moale, se va produce probabil uzura oboselii. Cea mai grea dintre cele două suprafețe creează suficientă tracțiune pentru a provoca deformarea plastică a suprafeței mai moi și eliberarea particulelor prin nucleația golului subteran, propagarea fisurilor și pierderea ulterioară a materialului de suprafață.

când o suprafață este mult mai dură și mai aspră și este condusă de o forță de tracțiune mai mică, asperitățile se vor indenta pe suprafața opusă pentru a provoca abraziuni grave și resturi de uzură asemănătoare sârmei.

influențele lubrifiantului asupra Fretării

Fretarea pare să progreseze mai rapid în cuplurile de frecare care au finisaje netede ale suprafeței și se potrivesc strâns. Lubrifianții nu pătrund în zonele de uzură cu spații mici (descrise ca potriviri apropiate). În plus, finisajul neted elimină buzunarele de reținere a lubrifiantului între asperitățile suprafețelor mai aspre.

în aceste condiții se poate realiza numai condiția de lubrifiere la limită, interacțiunea continuă a suprafețelor umezite cu ulei. Lubrifianții nu au întotdeauna succes, deoarece acțiunea reciprocă stoarce filmul lubrifiant și nu permite reumplerea acestuia.

în general, scopul lubrifiantului în majoritatea situațiilor de frecare este de a împiedica oxigenul să ajungă la suprafața de frecare și la resturile de uzură. Lubrifianții lichizi cu aditivi eficienți de dezactivare a metalelor pot ajuta la reducerea efectului de frecare, dar nu se vor opri cu totul.

1. Halliday, J. Conferința privind lubrifierea și uzura, Proc. I. Mech. E, Londra, 1957. p. 640.

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

3. Lipson, C. considerații de uzură în proiectare. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

Nota editorului
acest articol a apărut inițial ca un capitol în Cartea lui E. C. Fitch, întreținere proactivă pentru sisteme mecanice. 1992.