ВОДОРОДНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

 

Сущность и определение.Водородное изнашивание, как один из процессов разрушения поверхностей при трении скольжения, установлено 15—20 лет назад А. А. Поляковым и автором настоящей книги. За рубежом явление водородного из­нашивания при трении скольжения находится в начальной ста­дии изучения [13, 16].

Из всех видов разрушения поверхностей при трении сколь­жения, по-видимому, водородное изнашивание наиболее труд­но поддается изучению, несмотря на то, что оно обнаружива­ется в узлах трения машин разных отраслей техники и по ши­роте проявления может быть сравнимо с абразивным изнаши­ванием. Процессы, происходящие при водородном изнашива­нии, находятся на стыке таких областей науки, как электрохи­мия, органическая химия, катализ, химия полимеров и смазоч­ных материалов, механохимия и др.

Водородное изнашивание зависит от концентрации водоро­да в поверхностных слоях трущихся деталей. Он выделяется из материалов пары трения или из окружающей среды (смазоч­ного материала, топлива, воды и др.) и ускоряет изнашивание. Водородное изнашивание обусловлено следующими процесса­ми, происходящими в зоне трения:

интенсивным выделением водорода при трении в результа­те трибодеструкции водородсодержащих материалов, создающей источник непрерывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна:

адсорбцией водорода на поверхностях трения; диффузией водорода в деформируемый слой стали, скорость которой определяется градиентами температур и напряжений, что создает эффект накопления водорода в процессе трения;

особым видом разрушения поверхности, связанного с одно­временным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования. Характерным для разрушения яв­ляется мгновенное образование мелкодисперсного порошка ма­териала.

До последнего времени считали, что при трении максималь­ная температура возникает на поверхности трущейся детали. Известно, что водород очень легко диффундирует под действи­ем температурного градиента в нагретые участки тела. Это свойство используют для обезводороживания деталей после их наводороживания, например, при гальваническом хромирова­нии. В связи с этим считали, что при трении в случае повы шенных температур процесс наводороживания невозможен. Бо­лее того, полагали, что имеющийся в материале детали водо­род удаляется из зоны трения. Такие детали, как цилиндры авиационных двигателей, после хромирования не обезводороживали.

Только в последние годы теоретически А. В. Кудинов, а за­тем экспериментально В. Я. Матюшенко и Г. П. Шпеньков ус­тановили, что при тяжелых режимах трения максимальная тем­пература образуется не на поверхности детали, а на некоторой глубине. Это создает условия, при которых водород, если он будет адсорбирован на поверхности детали, под действием тем­пературного градиента диффундирует в глубь поверхности, там концентрируется и вызывает охрупчивание поверхностных сло­ев, а следовательно, усиливает изнашивание.

Область проявления водородногоизнашивания весьма об­ширна. Практически все поверхности трения стальных и чугун­ных деталей содержат повышенное количество водорода и, сле­довательно, подвержены повышенному изнашиванию. Наличие в воздухе паров воды создает благоприятные условия для во­дородного изнашивания, не говоря уже о разложении в зоне контакта смазочного материала, топлива или пластмассы. Во­дород образуется при трении, а также может образоваться при различных технологических процессах. При выплавке чугуна в доменном процессе он образуется из влаги дутья и попадает в металл (такой водород называют биографическим). При тер­мической обработке, например в результате азотирования (при диссоциации аммиака), выделяющийся водород диффундирует в сталь. Наводороживание стальных изделий происходит при электроосаждении кадмия, цинка, хрома и никеля. Одним из способов устранения водорода при гальванических покрытиях является термообработка изделий при температуре 200°С.

Для удаления окалины, продуктов коррозии стальные изде­лия подвергают травлению в кислоте. Погружение стали в ра­створ кислоты приводит к растворению железа на анодных участках и выделению водорода на катодных участках с одно­временным внедрением водорода в сталь. В результате накоп­ления газообразного водорода на поверхности детали могут быть даже вспучивания. Степень наводороживания при травле­нии зависит от многих факторов: состояния стали и особенно наличия в растворе даже ничтожных количеств (следов) серы, фосфора, мышьяка, селена (называемых «отравителями»), ко­торые способны замедлять реакции химической десорбции и, таким образом, увеличивать площадь покрытия водородом и собственно адсорбцию. В связи с этим выбор ингибитора дол­жен быть тщательно продуман, иначе возможно повышение аб­сорбции водорода.

При фосфатировании водород внедряется в сталь. Необхо­димо регулировать в ванне содержание свободной кислоты и определенных окислительных агентов и тем самым снижать ко­личество адсорбированного водорода.

Атмосферная коррозия металла может вызвать адсорбцию водорода в том случае, если она протекает в промышленной атмосфере, содержащей сернистый ангидрид и кислую серно­кислую соль.

Водород, проникший в сталь, при трении будет постепенно диффундировать в поверхность и вызывать ее изнашивание.

Виды водородного изнашивания. Как установлено А. А. По­ляковым и автором, имеются два основных вида изнашивания поверхностей стальных и чугунных деталей под воздействием водорода: изнашивание диспергированием и изнашивание раз­рушением.

Водородное изнашивание диспергированием (ВИДИС). При этом виде изнашивания каких-либо изменений в поверхностном слое деталей вследствие обычного износа при диспергировании не наблюдается. Водород усиливает (в зависимости от его ко­личества в поверхностном слое) диспергирование стали или чугуна. На поверхностях трения нет вырывов, задиров, замет­ного переноса материала с одной поверхности трения на дру­гую; они могут иметь блеск и очень мелкие царапины, которые не видны невооруженным глазом и расположены в направлении

движения.

Водородное изнашивание разрушением (ВИРАЗ) имеет спе­цифическую особенность: поверхностный слой стальной или чу­гунной детали разрушается мгновенно на глубину до 1—2 мкм. Это происходит, когда поверхностный слой накапливает боль­шое количество водорода. Ранее отмечалось, что процесс тре­ния создает условия высокой концентрации водорода в поверх­ностных слоях стали. Трение десорбирует смазочный материал, и водород получает возможность занять большее число адсорб­ционных центров на поверхности. Концентрация водорода в стали непрерывно возрастает. Водород попадает в микротре­щины, поры, межкристаллитные границы и др. При трении про­исходит периодическое деформирование поверхностного слоя, и объем дефектных мест (полостей) изменяется. Поступающий в полости водород молизуется и, не имея возможности выйти обратно при уменьшении объема, стремится расширить полость, создавая высокое напряжение. Повторение цикла вызывает эф­фект накопления, продолжающийся до тех пор, пока внутрен­нее давление в полостях не вызовет разрушения стали по всем развившимся и соединившимся трещинам.

Рассмотрим повреждения различных деталей и узлов тре­ния от ВИРАЗ.

1. При эксплуатации керосиновых насосов наблюдались слу­чаи катастрофического износа поверхностей стальных закален­ных роторов и сопряженных с ними бронзовых золотников. Ро­тор изготовлен из стали 12ХНЗА, твердость поверхности ИКС 60, твердость золотника из бронзы НВ 61. Внешне разрушение проявлялось как износ стальной поверхности на глубину 0,03 мм и намазывание микроскопических лепестков стали на поверхность бронзового золотника.

Идентичность материала этих лепестков с материалом ро­тора установлена спектральным анализом. На роторе по всей поверхности трения имелись относительно глубокие кольцевые царапины. На участках золотника, где частиц стали не было, наблюдалось «вымывание» одной из фазовых составляющих бронзы и следы серого налета на поверхности.

Как выяснилось, ротор имел небольшой перекос относитель­но золотника, что могло привести к повышенной скорости изна­шивания поверхностей трения. В керосине, который одновре­менно служит смазочным материалом для насоса, допускается незначительное количество примесей коррозионно-активных сое­динений серы (меркаптаны). Вследствие высокой сорбционной способности они могут накапливаться на металлических поверх­ностях. В обычных условиях работы эти соединения при допу­стимом их содержании в керосине не вызывают коррозии. С по­вышением температуры возникает хемосорбция, физическая ад­сорбция уменьшается и, следовательно, уменьшается механи­ческое защитное действие адсорбционного слоя. В этих услови­ях трение приводит к значительному ускорению коррозии. Про­исходит избирательное анодное растворение медного сплава, образование меркаптанов, выделение водорода на меди и диф­фузия его в сталь.

Трудности лабораторного воспроизведения этого процесса связаны с необходимостью пропускать через зону трения боль­шой объем керосина, чтобы накопить достаточное количество упомянутых поверхностно-активных соединений.

Золотники топливных насосов, а также лопатки роторов на­сосов и сопряженные с ними детали не всегда имеют повреж­дения от водородного изнашивания в виде крупных задиров и микропереноса. Некоторые детали работают в режиме ВИДИС. Однако за несколько часов работы линейный износ поверхностей трения может составить 0,5 мм и более (при нормальной работе износ до 0,01 мм).

2. Перенос чугуна на пластмассу в узлах трения чугун — пластмасса, применяемых в некоторых тормозных устройствах машин, имеет широкие масштабы. Это является одной из причин частых смен тормозных пластмассовых колодок. На рис. 5.2 показаны колодки из пластмассы после эксплуатации. Рабо­чая поверхность колодок почти сплошь покрыта тонкой чугун­ной пленкой. Срок службы таких колодок очень низкий, иногда не превышал 40—50 ч работы машины. Взамен пластмассы был создан фрикционный материал ретинакс с большей изно­состойкостью. Однако чугун переносился и на этот материал, хотя и при более высоких температурах, давлении и в течение более длительного времени, чем при испыта­ниях колодок из пластмассы. Этим, вероятно, можно объяснить, что срок службы тормоз­ных колодок из ретинакса в несколько раз выше, чем колодок из пластмассы.

 

Рис. 5.2. Пластмассовые тормозные колодки авиаколеса с намазыванием чугуна (светлые участки)

 

 

Перенос чугуна на пластмассовый элемент тормоза автомобиля изучали М. М Бороду-лин и И. И. Васильев. При намазывании чу­гуна фрикционные качества пары трения сни­жаются, а на поверхности контртела образу­ются глубокие кольцевые выработки. Тормоз­ные барабаны быстро выходят из строя. Яв­ление намазывания в тормозных транспортных средствах было впервые обнаружено при работе тормоз­ных накладок в горных условиях (температурный режим наи­более тяжелый).

В зависимости от напряженности работы тормозною элемен­та образуются повреждения как на тормозном барабане, так и на накладке или колодке из фрикционной пластмассы. На поверхности пластмассовой колодки легкового автомобиля в наиболее нагруженной части имеются частицы чугуна в виде небольших вытянутых по направлению движения лепестков размером до 1—1,5 мм². В тормозных устройствах грузовых автомобилей повреждения колодок имеют большие размеры, хо­тя характер повреждения тот же.

Одним из методов борьбы с водородным изнашиванием яв­ляется введение в тормозной материал 2—3% окиси меди, ко­торая восстанавливается водородом до чистой меди, Этот ме­талл-наполнитель не только изменяет некоторые свойства фрик­ционного материала (например, теплопроводность), но и заметно влияет на процесс трения: ликвидируется перенос стали на фрикционный материал. Введение в тормозной материал алю­миния как наполнителя не дало положительных результатов. Окислы алюминия имеют высокую твердость и вызывают аб­разивное изнашивание обоих элементов пары трения, В целом наполнитель не должен быть тверже, чем сопряженная поверх­ность, а его температура плавления должна быть ниже.

3. Тяжелые условия работы тормозных пластмассовых коло­док железнодорожного транспорта вызывают большие повреж­дения поверхностей трения в результате переноса материала бандажа колеса. В практике эксплуатации железнодорожных вагонов с пластмассовыми тормозными колодками Были случаи весьма большого намазывания металла на пластмассу. Масса перенесенного металла достигала 100 г на колодку.

Водородное изнашивание при трении качения.Первые све­дения о наводороживании при трении качения появились в 1963 г., когда Л. Грунберг и др. провели исследования влияния воды в минеральном масле на ускорение разрушения шарико­подшипников, изготовленных из обычных сталей.

Был предложен механизм ускоренного разрушения шарико­подшипников, основанный на образовании вакансионной диф­фузии водорода в высоконапряженную сталь и ее охрупчивании. Эту гипотезу проверяли на четырехшариковой машине со смазочным материалом, содержащим 6% тритиевой воды вы­сокой активности. На испытуемом приводном шарике образо­вались питтинги, на остальных трех шариках напряжения бы­ли меньше и признаков поверхностных усталостных разруше­ний не наблюдалось. Описанный эксперимент подтверждает ги­потезу, что вода в масле разлагается на водород и кислород; водород внедряется в металл, который при трении качения под­вергается поверхностному усталостному воздействию. Уменьше­ние радиационной активности со временем может быть отнесе­но к выводу трития из металла.

Для узлов трения современной техники (особенно для тяже-лонагруженных подшипников авиационных двигателей) пред­ставляют интерес исследования по изучению причин снижения сопротивления усталости при качении, обусловленного присут­ствием воды в смазочном материале или топливе при эксплуа­тации машин и механизмов.

Механизм влияния воды на снижение контактной усталости, по мнению Л. Грунберга и др., состоит в следующем. Поверх­ностные микротрещины, образованные в условиях контакта при качении, действуют как тонкие капилляры. Смазочный материал заполняет эти капилляры, а растворенная в нем вода, конден­сируясь в вершинах трещин, образует богатую водой фазу. Цик­лические напряжения, сконцентрированные у вершины трещины, водная коррозия и водородное охрупчивание действуют сов­местно, увеличивая скорость роста трещины. Вода может при­вести к образованию небольших коррозионных повреждений, которые становятся концентраторами напряжений.

Р. Шацберг указывает методы предотвращения снижения контактной усталости при качении, обусловленной присутстви­ем воды в смазочном материале. Экспериментально установле­но, что с помощью присадок можно снизить вредное действие воды и повысить долговечность подшипников. Результаты опы­тов, проведенных на четырехшариковой машине, показывают, что добавка 0,1% изопропиланинэтанола (ИПАЭ) полностью нейтрализует вредное влияние 1 % воды, образующей со сма­зочным материалом эмульсию. В трещине существуют анодная и катодная зоны, причем металл в конце трещины служит ано­дом.

Уменьшить наводороживание тел качения в результате дей­ствия воды при эксплуатации можно применением в подшипни­ках качения режима избирательного переноса. В этом случае образование на контактной поверхности тонкой медной пленки предотвращает проникновение воды и водорода в микротрещи­ны и может значительно повысить контактную прочность.

Водородное изнашивание титановых сплавов. Титан и его сплавы имеют ряд свойств, которые выгодно отличают их от других конструкционных материалов: высокие коррозионную стойкость, коррозионно-механическую прочность, эрозионно-ка-витационную стойкость, низкую хладноломкость, немагнитность, особые физико-механические характеристики (отсутствие про­дуктов коррозии в системах, относительно малые тепловые де­формации).

Антифрикционные свойства титановых сплавов низкие, что ограничивает их применение в механизмах с узлами трения. По сравнению с другими конструкционными металлами (за ис­ключением алюминия и его сплавов) при трении титана раз­виваются большие пластические деформации, что увеличивает температуру поверхностей трения и роль диффузионных про­цессов. Указанные обстоятельства повышают интенсивность во­дородного изнашивания титана, которое, как правило, сопро­вождается схватыванием поверхностей. Проникающий в по­верхностные слои водород образует с титаном химическое сое­динение, которое, обладая высокой хрупкостью, резко снижает антифрикционные свойства поверхностей.

Наибольшая интенсивность изнашивания наблюдалась при смазывании трансформаторным маслом; она была меньше в среде морской воды и еще меньше без смазочного материала на воздухе.

При трении титановых сплавов наличие водорода, поступаю­щего из окружающей среды, приводит к резкому снижению их износостойкости.

В продуктах изнашивания титановых сплавов количество водорода превышает допустимое его содержание в таких спла­вах. Титан становится хрупким при содержании водорода более 0,025%.

Даже обычные смазочные материалы, содержащие поверх­ностно-активные вещества, не создают на поверхности титана и его сплавов прочной адсорбированной пленки. Смазочный ма­териал является поставщиком водорода, вызывающего охрупчивание поверхностного слоя металла, поэтому обычные сма­зочные материалы не снижают, а увеличивают износ титано­вых сплавов.

Для улучшения антифрикционных свойств титановых спла­вов их предварительно подвергают термическому оксидирова­нию на воздухе или в различных средах (песке, графите, рас­плавах солей и т. п.) при температуре 500—1100°С. В этом температурном интервале независимо от состава окислительной среды образуется окисная пленка и газонасыщенный слой, обу­словливающие прочную адгезию последующего фрикционного покрытия. При температуре ниже 500°С они получаются очень толстыми и при фрикционной обработке разрушаются.

После оксидирования поверхность изделий натирают медью или медными сплавами в среде глицерина. На поверхности в результате схватывания и переноса формируется равномерное покрытие из меди и ее сплавов, которое предотвращает схва­тывание и заедание поверхностей и улучшает антифрикционные свойства изделий.

Изнашивание металлов в среде газообразного водорода. Га­зообразный водород влияет на интенсивность изнашивания ме­таллов, если при трении металл насыщается водородом. Если же адсорбированные слои смазочного материала или твердых веществ в процессе трения не будут десорбироваться, освобож­дая поверхность металла для адсорбции водорода, то последний не усилит интенсивность изнашивания.

Методы предупреждения и уменьшения водородного изна­шивания [16]. На основании исследований можно указать об­щие направления предупреждения и уменьшения наводорожи-вания при трении и дать рекомендации по снижению водород­ного изнашивания трущихся деталей машин.

1. При выборе материалов для узлов трения необходимо учитывать степень их наводороживания и охрупчивания. Вве­дение в сталь хрома, титана, ванадия снижает проникновение в нее водорода. Наклеп стали может увеличить поглощение водорода. Холоднодеформированная сталь может поглотить в 1000 раз больше водорода, чем отожженная. Водородная хруп­кость проявляется в большей степени в сталях ферритного класса. В закаленных или слабоотпущенных углеродистых и низколегированных сталях хрупкое разрушение может быть да­же при ничтожно м-алом количестве водорода.

Необходимо, где возможно, исключать из узлов трения по­лимеры, способные к быстрому разложению и выделению во­дорода. Введение в тормозные материалы на основе полиме­ров измельченной на куски латунной проволоки улучшает фрик­ционные характеристики. В процессе интенсивного торможения при термомеханической деструкции полимера выделяющийся водород будет реагировать с окисной пленкой латунной прово­локи. Это уменьшит поток водорода в стальное или чугунное контртело и тем самым отодвинет границу катастрофического водородного разрушения сопряженных поверхностей.