Фреттинг-коррозия – это процесс разрушения плотно контактирующих поверхностей пар металл-металл или металл-неметалл в результате малых колебательных относительных перемещений.
Для возбуждения фреттинг-коррозии достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разрушение заключается в образовании на соприкасающихся поверхностях мелких язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Вследствие малой амплитуды перемещения повреждения сосредотачиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты износа не могут выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл. Если амплитуда колебательного движения большая (около 2,5 мм), то площадь поражения фреттинг-коррозией увеличивается и картина изнашивания напоминает ту, которая наблюдается при однонаправленном скольжении. Поэтому считается, что амплитуда перемещения около 2,5 мм является верхним пределом амплитуды для возбуждения фреттинг-коррозии. Все сказанное относится к несмазанным поверхностям.
Продукты фреттинг-коррозии стальных изделий в атмосфере воздуха имеют цвет от светло-красно-коричневого до темно-коричневого в зависимости от марок материалов, давления, влажности и частоты циклов микросмещений. Состав этих продуктов: основная масса Fe2О3, небольшое количество a-железа, могут присутствовать FeO, Fe3О4 и гидрооксид Fe2О3.H2О, иногда обнаруживаются нитриды. Исключение составляет платина, продукты износа которой состоят не из оксидов, а из черного порошка чистой платины.
Фреттинг-коррозия наблюдается также и в вакууме, в среде кислорода, азота и гелия. Наибольшая интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии наблюдается в атмосфере воздуха, что говорит о том, что окисление поверхностей трения играет существенную роль. Но вместе с тем, не менее существенную роль играет и механический фактор.
Наблюдается фреттинг-коррозия в заклепочных соединениях между листами, на заклепках и в отверстиях, на болтах, на опорных поверхностях пружин, на затянутых стыках, на осях и ступицах колес подвижного состава железных дорог, на запрессованных вкладышах подшипников, на поверхностях валов и напрессованных на них дисков, колес, муфт и колец подшипников, в проволочных канатах, электровыключателях, рубильниках и т.п. Продукты фреттинг-коррозии накапливаются в виде порошков, содержащих металлические частицы и иногда являются взрывоопасными (например, при трении алюминиевого контейнера при его перевозке о металлические части судна). В случае выпадения порошков износа из зоны трения происходит ослабление посадок с натягом.
Необходимые для протекания этого процесса относительные микросмещения сопряженных поверхностей совершаются вследствие деформации деталей под нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происходящих в упругих системах.
Механизм фреттинг-коррозии.
Наглядно иллюстрирует механизм фреттинг-коррозии случай повреждения фланца авиационного двигателя. На торце фланца было заметно вспучивание материала. Повреждения по плоскости фланца располагались вблизи шпилек и характеризовались большой пластической деформацией. Материал фланца в местах повреждения находился как бы в расплавленном состоянии и был покрыт темной оксидной пленкой. В одном из повреждений находилось металлическое включение в форме шарика диаметром примерно 2 мм, состав которого отличался от материала фланца; он был значительно тверже и не травился обычными травителями для черных сплавов.
1 – вспучивание материала на торце
фланца;
2 – оксиды;
3 – язвины;
4 – шарик внутри язвины.
Рис. 9.1 – Фланец агрегата авиадвигателя
При фреттинг-коррозии протекают следующие процессы. Под действием сил трения кристаллическая решетка поверхностных слоев при циклических тангенциальных смещениях расшатывается и разрушается. При этом происходит отрыв частиц металла, размеры которых сопоставимы с атомными. Процесс разрушения представляет собой диспергирование поверхности без удаления продуктов износа. Оторвавшиеся частицы металла подвергаются быстрому окислению. Дополнительным источником повреждения поверхностей может явиться возникающее местами схватывание сопряженных металлов. Цепи сцепившихся атомов вначале искажаются при скольжении, а затем разрываются. Это приводит к отрыву отдельных атомов от кристаллической решетки и может служить источником зарождения усталостных трещин.
В зависимости от условий фреттинг-коррозии непосредственному разрушению поверхностей может предшествовать ее окисление. Упрощенная схема процесса в начальной фазе фреттинг-коррозии при этом такова: перемещение и деформация поверхностей под действием переменных касательных напряжений – коррозия – разрушение оксидных и других пленок – обнажение чистого металла и местами схватывание – разрушение очагов схватывания и адсорбция кислорода на обнаженных участках.
Окислению металла сопутствует увеличение объема. При наличии в сопряжении замкнутых контуров, это приводит к местному повышению интенсивности изнашивания. Оксиды оказывают абразивное действие. Оно зависит от прочности сцепления оксидных пленок с основным металлом, твердости оксидов и размеров их частиц в продуктах износа. Твердость оксидов металлов, как правило, больше твердости чистых металлов.
Механизм изнашивания при фреттинг-коррозии в упрощенном виде следующий. Первоначальное контактирование деталей происходит в отдельных точках поверхности. При вибрации оксидные пленки в зоне фактического контакта разрушаются, образуются небольшие каверны, заполненные оксидными пленками. Они постепенно увеличиваются в размерах и сливаются в одну большую каверну. В ней повышается давление окисленных частиц металла, образуются трещины. Некоторые трещины сливаются, и происходит откалывание отдельных объемов металла. Частицы оксидов производят абразивное воздействие. В результате действия повышенного давления и сил трения частиц оксидов повышается температура, и происходит образование белых твердых нетравящихся структур в отколовшихся частицах и на поверхности каверн.
Очень сильно разрушаются при фреттинг-коррозии пары сталь – алюминиевые сплавы. Это происходит из-за очень высокой твердости оксида Al2О3, превосходящей твердость азотированной стали. Значительно меньше повреждаются пары сталь – медь, цинк из-за меньшей твердости их оксидов. Крупный размер частиц оксидов способствует повышению интенсивности изнашивания. Так в паре Al – закаленная хромистая сталь, где сталь сильно изнашивается, размер частиц корунда доходит до 10 мкм.
С увеличением давления, а в особенности амплитуды относительных смещений, скорость изнашивания при фреттинг-коррозии возрастает. Этот рост при повышении давления обусловлен увеличением площади контакта, поражаемого коррозией. Повышение частоты перемещений ускоряет изнашивание, но, начиная с некоторой частоты, снижается активность факторов, протекающих во времени (окислительные процессы, наклеп и др.) и рост скорости изнашивания уменьшается.
Методы борьбы с фреттинг-коррозией.
Как и в других видах изнашивания, нет универсальных средств борьбы с фреттинг-коррозией. Если исходить из того, что взаимное микросмещение поверхностей не может быть исключено вследствие упругости материала, то для борьбы с фреттинг-коррозией следует:
а) уменьшать микросмещения,
б) снизить силы трения,
в) сосредоточить скольжение в промежуточной среде.
Уменьшить относительное микросмещение можно придавая деталям соответствующую конфигурацию или посредством повышения силы трения. Силы трения можно увеличить, повысив давление путем уменьшения площади соприкасания деталей или повысив коэффициент трения за счет увеличения шероховатости поверхностей.
Повышение давления может быть действенным, если проскальзывание поверхностей значительно снизится. В противном случае результаты будут прямо противоположны ожидаемым. Шероховатость поверхности может длительно влиять на коэффициент трения, если один из элементов пары не является металлом. Другой метод увеличения силы трения состоит в нанесении на поверхность электролитического слоя меди, олова, кадмия, серебра или золота. Например, кадмирование деталей широко распространено в авиационной и автомобильной промышленности. Однако при значительных микросмещениях эти покрытия сами подвергаются фреттинг-коррозии и быстро изнашиваются.
Если исключить вибрацию невозможно, то необходимо перенести скольжение в промежуточную среду. Обычные смазочные материалы для этой цели непригодны, так как граничная пленка смазки в процессе работы не пополняется и быстро разрушается. Лучшие результаты дает смазка молибденитом в виде порошка или пасты. Аналогично действуют свинцовые белила или их смесь с MoS2. Хорошую сопротивляемость фреттинг-коррозии оказывают пары сталь – ПТФЭ и полиамиды, полихлорвинил, а также резиновые прокладки.
Наконец, уменьшить повреждения от фреттинг-коррозии можно повышая твердость одной детали. При увеличении твердости стали уменьшается взаимное внедрение поверхностей, что снижает интенсивность изнашивания; кроме того, продукты износа меньше по размерам, и их абразивное действие слабее. Закалка и азотирование полезны, хромирование не предотвращает и не уменьшает повреждения из-за высокой твердости оксида хрома.