Fretting slitage i smorda system

Fretting slitage är ytskador som uppstår mellan två kontaktytor upplever cyklisk rörelse (oscillerande tangentiell förskjutning) av liten amplitud. Vid kontaktområdena pressas smörjmedel ut, vilket resulterar i metall-till-metall-kontakt.

eftersom rörelsen med låg amplitud inte tillåter att kontaktområdet smörjs om kan allvarligt lokaliserat slitage uppstå. Denna typ av slitage främjar ytterligare tvåkropps nötning, vidhäftning och/eller nötning trötthet (en form av ytutmattning) slitage.

när nötning slitage uppstår i en frätande miljö, både gnidning-off av oxidfilmer och den ökade abrasiveness av hårdare oxiderade slitage skräp tenderar att kraftigt påskynda slitage. När korrosionsaktivitet är tydligt uppenbar, som betecknas med färgen på skräppartiklarna, kallas processen för frätande korrosion.

Fretting slitage

Fretting slitage är också känd som vibrationsslitage, skav, trötthet, slitage oxidation, friktion oxidation, falsk brinelling, molekylär nötning, fretting trötthet och korrosion.

eftersom praktiskt taget alla maskiner vibrerar, uppstår bandning i fogar som är bultade, fastsatta, pressmonterade, knappade och nitade; mellan komponenter som inte är avsedda att röra sig; i oscillerande splines, kopplingar, lager, kopplingar, spindlar och tätningar; och i basplattor, universalfogar och bojor.

Fretting har initierat utmattningssprickor som ofta resulterar i utmattningsfel i axlar och andra mycket stressade komponenter.

Fretting slitage är en yta-till-yta typ av slitage och påverkas kraftigt av förskjutningsamplituden, normal belastning, materialegenskaper, antal cykler, fuktighet och smörjning.

nötning slitage Process

cyklisk rörelse mellan kontaktytor är den väsentliga ingrediensen i alla typer av nötning slitage. Det är en kombinationsprocess som kräver att ytor är i kontakt och utsätts för små amplitudoscillationer.

beroende på materialets egenskaper hos ytor kan lim, tvåkropps nötning och/eller fasta partiklar ge upphov till slitageavfall. Slitpartiklar lossnar och finfördelas (krossas) och slitmekanismen ändras till trekropps nötning när det arbetshärdade skräpet börjar ta bort metall från ytorna.

Fretting slitage uppstår som ett resultat av följande händelseförlopp:

1. den applicerade normala belastningen orsakar asperiteter att fästa, och den tangentiella oscillerande rörelsen skär asperiteterna och genererar slitageavfall som ackumuleras.

2. de överlevande (hårdare) asperiteterna verkar så småningom på de släta mjukare ytorna och får dem att genomgå plastisk deformation, skapa tomrum, sprida sprickor och skjuva av partiklar som också ackumuleras i deprimerade delar av ytorna.

3. när partiklarna har ackumulerats tillräckligt för att spänna över klyftan mellan ytorna uppstår nötningslitage och slitzonen sprider sig i sidled.

4. som vidhäftning, delaminering och nötning slitage fortsätter, slitage skräp kan inte längre finnas i den ursprungliga zonen och det flyr in i omgivande dalar.

5. eftersom den maximala spänningen är i mitten blir geometrin krökt, mikropiter bildas och dessa samlas i större och djupare gropar. Slutligen, beroende på förskjutningen av tangentiell rörelse, kan maskspår eller till och med stora sprickor genereras i en eller båda ytorna.

när ytorna blir arbetshärdade minskar nötningshastigheten. Slutligen uppstår en konstant slitage, vilket visar att alla relevanta slitlägen fungerar i kombination.

nötningsegenskaper

nyckelfaktorn för nötningslitage är ett mekaniskt belastat gränssnitt som utsätts för en liten oscillerande rörelse. Den relativa rörelse som krävs för att producera skador kan vara ganska liten, så låg som en mikrometer, men oftare är runt några tusendels tum. Slitagekoefficienten beror på oscillationens Amplitud.

mycket lite slitage uppstår vid amplituder under 100 mikrometer som visas i Figur 1.

Figur 1. Fretting slitage vs. Slip Amplitude1

vid glider under 100 mikrometer, kärnbildning och förökning av sprickor som leder till slitage skräp är för minut att upptäckas. Slitageavfallet som rullar vid den svängningsgraden orsakar förmodligen denna låga slitagehastighet.

vid höga amplituder skapar direkt nötning av gränssnittet med hårda partiklar (oxid eller arbetshärdade partiklar) bruttoslitaget. Vid stora oscillationsamplituder är slitagekoefficienten ungefär densamma som för enkelriktat slitage.

Figur 2. Fretting Wear vs. Running Time2

förändringar i normal belastning påverkar i allmänhet fretting wear. Även om utrustningsanvändare ofta antar att höga normala belastningar kommer att dämpa vibrationen tillräckligt för att minska fretting, ger ökningen av kontaktytan mer ytinteraktion som tenderar att uppväga denna effekt. Följaktligen tenderar ökande belastning eller enhetstryck att generera högre slitage som Figur 3 visar.

Figur 3. Fretting Wear vs. Normal Enhetsbelastning3

tre separata mekanismer orsakar fretting wear: vidhäftning, dragmattning och delaminering (tvåkropps nötning). Metallisk överföring kan eller inte kan ske. Plastisk deformation förändrar geometriskt ytor och höga lastbärande regioner skapas som har områden uppmätta i kvadratmillimeter.

materialet som motsvarar dessa lastbärande områden är mycket arbetshärdat och leder till att en ny strukturfas bildas. Dessa arbetshärdade områden är spröda, benägna att spricka och fragmentering och genererar metallslitage och partiklar med initiala dimensioner på cirka en mikrometer.

Figur 4. Effekt av frekvens på Fretting skador av mjukt stål

Fretting korrosion

en annan aspekt av fretting processen är påverkan av fukt på graden av fretting slitage. Nötningslitaget minskar väsentligt för de flesta friktionspar (metaller) när den relativa fuktigheten ökar från noll till 50 procent.

slitage under fuktiga förhållanden är alltid mindre allvarligt eftersom fukten i luften ger en typ av smörjfilm mellan ytorna. I vissa fall tillåter fukt att mjuka järnhydrater bildas istället för den hårdare, mer slipande Fe3O4, magnetit, en magnetisk oxid av järn.

även om fretting kan förekomma i en inert miljö är denna typ av miljö inte normal. Även under fullständiga smörjförhållanden innehåller mineralbasoljor som utsätts för atmosfären minst 10 procent luft, så syre är närvarande vid alla friktionspar eller bär gränssnitt. Att bära ytor och slitage skräp visar ofta en stor mängd oxid, vilket leder till namnet ”fretting corrosion.”

tidigare kallades fretting slitage vanligtvis fretting korrosion eftersom oxidation förmodligen var den kritiska faktorn som orsakade fretting. Faktum är att förekomsten av oxidationsprodukter har varit ett färdigt sätt att identifiera en fretting process.

idag inser ingenjörer att fretting sker i material som inte oxiderar, såsom kubisk oxid, guld och platina. Även oxidation inte orsakar nötning i de flesta vanliga material, ta bort slitage skräp lämnar jungfrulig metall utsätts för atmosfären och oxidation sker oftast.

starka visuella bevis stöder tanken att oxidfilmer bildas och därefter skrapas bort. Metallytorna i det fretted området blir något missfärgade. Färgen på slitskräp varierar med typen av modermaterial; korrosionsprodukten av aluminium är vit men fretting gör att den blir svart, korrosionsprodukten av stål är grå men fretting gör att den blir rödbrun.

den andra aspekten som stöder den här tanken är ökningen av slitage. När nötning sker i en inert miljö, slitaget är betydligt mindre än när förhållandena orsakar en oxidfilm för att bilda och skrapas bort.

eftersom effekten av frekvens på slitage är amplitudberoende, måste två typer av fretting slitage definieras enligt oscillationsamplituden. Den första typen av fretting är fretting korrosion eller slitage, som tidigare diskuterats. Den andra typen av fretting som uppstår, där mindre material avlägsnas kallas fretting trötthet eller dragutmattning.

Fretting trötthet

vid fretting trötthet initierar och sprider ytsprickor, vilket tar bort material. Amplituden är liten. Om amplituden för glidning ökar kan det frettande trötthetsfenomenet försvinna när slitagefronten börjar avancera tillräckligt snabbt för att ta bort de initierade sprickorna innan de sprids.

ythårdhet spelar en nyckelroll för att begränsa trötthet. Om båda ytorna är hårda, asperities kommer att svetsa, följt av klippning av korsningar, materialöverföring och slitage partikel generation.

om en hård yta är i kontakt med en mjuk yta, kommer det sannolikt att uppstå trötthet. Den hårdare av de två ytorna skapar tillräcklig dragkraft för att orsaka plastisk deformation av den mjukare ytan och partikelfrisättningen genom underjordisk kärnbildning, sprickutbredning och efterföljande förlust av ytmaterial.

när en yta är mycket hårdare och grövre och drivs av mindre dragkraft, asperities kommer indrag i den motsatta ytan för att orsaka allvarliga nötning och trådliknande slitage skräp.

Smörjmedelspåverkan på Fretting

Fretting verkar utvecklas snabbare i friktionspar som har släta ytbehandlingar och nära passar. Smörjmedel tränger inte in i slitområden med små luckor (beskrivs som nära passar). Dessutom eliminerar den släta ytan smörjmedelsbehållande fickor mellan asperiteterna i grovare ytor.

Under dessa förhållanden kan endast gränssmörjningsförhållanden uppnås kontinuerlig växelverkan mellan oljefuktade ytor. Smörjmedel är inte alltid framgångsrika eftersom fram-och återgående verkan pressar ut smörjfilmen och tillåter inte att den fylls på.

i allmänhet är syftet med smörjmedlet i de flesta fretting situationer att förhindra att syre når fretting ytan och slitage skräp. Flytande smörjmedel med effektiva metalldeaktiveringstillsatser kan bidra till att minska effekten av fretting men kommer sannolikt inte att sluta fretting helt och hållet.

1. Halliday, J. konferens om Smörjning och slitage, Proc. I. Mech. E, London, 1957. S. 640.

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

3. Lipson, C. slitage överväganden i Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

Redaktörens anmärkning
denna artikel publicerades ursprungligen som ett kapitel i E. C. Fitchs bok, Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.