Umírání - Galling
Otírání je forma opotřebení způsobená adhezí mezi kluznými povrchy. Když materiál narůstá, část z něj je tažena kontaktním povrchem, zvláště pokud je zde velké množství síly stlačující povrchy k sobě. Dráždění je způsobeno kombinací tření a adheze mezi povrchy, následované uklouznutím a trháním krystalové struktury pod povrchem. To obvykle ponechá nějaký materiál přilepený nebo dokonce třecí přivařený k přilehlému povrchu, zatímco pozlacený materiál se může jevit jako vydraný se svinutými nebo roztrhanými hrudkami materiálu přilepenými k jeho povrchu.
Otírání se nejčastěji vyskytuje u kovových povrchů, které jsou v klouzavém kontaktu. To je obzvláště běžné tam, kde je nedostatečné mazání mezi povrchy. Určité kovy však budou obecně náchylnější k oděru, a to kvůli atomové struktuře jejich krystalů. Například hliník je kov, který velmi snadno odírá, zatímco žíhaná (měkčená) ocel je o něco odolnější vůči oděru. Ocel, která je plně kalená, je velmi odolná proti oděru.
Odolnost je běžným problémem ve většině aplikací, kde kovy klouzají při kontaktu s jinými kovy. To se může stát bez ohledu na to, zda jsou kovy stejné nebo různých druhů. Slitiny, jako je mosaz a bronz, jsou často vybírány pro ložiska , pouzdra a další kluzné aplikace kvůli jejich odolnosti proti oděru a také kvůli jiným formám mechanického oděru .
Úvod
Otírání je adhezní opotřebení, které je způsobeno mikroskopickým přenosem materiálu mezi kovovými povrchy během příčného pohybu (klouzání). Vyskytuje se často, kdykoli jsou kovové povrchy v kontaktu a klouzají proti sobě, zejména při špatném mazání. Často se vyskytuje ve vysokém zatížení, při nízkých rychlostech, ale také ve vysokorychlostních aplikacích s velmi malým zatížením. Brnění je běžným problémem při tváření plechů , ložisek a pístů v motorech , hydraulických válcích , vzduchových motorech a mnoha dalších průmyslových provozech. Odolnost je odlišná od drážkování nebo poškrábání v tom, že zahrnuje viditelný přenos materiálu, protože je adhezivně vytažen ( mechanicky rozstříknut ) z jednoho povrchu a ponechává ho přilepený k druhému ve formě vyvýšené hrudky (žluči). Na rozdíl od jiných forem opotřebení není otírání obvykle postupným procesem, ale dochází rychle a rychle se šíří, protože vyvýšené hrudky vyvolávají další otupení. Často se to může vyskytnout u šroubů a šroubů, což způsobí, že se závity zadrží a odtrhnou buď z upevňovacího prvku, nebo z otvoru. V extrémních případech může šroub zaseknout bez odizolování závitů, což může vést k zlomení upevňovacího prvku nebo k jeho otočení. Závitové vložky z kalené oceli se často používají v kovech, jako je hliník nebo nerezová ocel, které mohou snadno odírat.
Odolnost vyžaduje dvě vlastnosti společné většině kovů, soudržnost prostřednictvím přitažlivosti kovových vazeb a plasticitu (schopnost deformovat se bez poškození). Tendence materiálu k odlupování je ovlivněna tažností materiálu. Typicky jsou tvrzené materiály odolnější vůči oděru, zatímco měkčí materiály stejného typu budou snáze snášet. Sklon materiálu k žluči je také ovlivněn specifickým uspořádáním atomů, protože krystaly uspořádané v mřížce orientované na kubickou (FCC) mřížku obvykle umožňují přenos materiálu ve větší míře než na kubickou (BCC) . Důvodem je, že kubický centrovaný obličej má větší tendenci produkovat dislokace v krystalové mřížce, což jsou defekty, které umožňují posunutí mřížky nebo „křížový skluz“, čímž je kov náchylnější k oděru. Pokud však kov má vysoký počet stohovacích chyb (rozdíl v sekvenci stohování mezi atomovými rovinami), bude méně náchylný k křížovému prokluzu při dislokacích. Proto je odolnost materiálu vůči oděru obvykle určena energií poruchy stohování . Materiál s vysokou energií poruchy stohování, jako je hliník nebo titan , bude mnohem náchylnější k oděru, než materiály s nízkou energií poruchy stohování, jako je měď , bronz nebo zlato . Naopak materiály s hexagonální těsně uzavřenou (HCP) strukturou a vysokým poměrem c / a , jako jsou slitiny na bázi kobaltu , jsou extrémně odolné proti oděru.
K otupení dochází nejprve při přenosu materiálu z jednotlivých zrn v mikroskopickém měřítku, které se přilepí nebo dokonce difúzně přivaří k sousednímu povrchu. Tento přenos lze zlepšit, pokud jeden nebo oba kovy vytvoří tenkou vrstvu tvrdých oxidů s vysokými koeficienty tření , jako jsou kovy na hliníku nebo nerezové oceli. Jak hrudka roste, tlačí na sousední materiál a začíná je vytlačovat od sebe, přičemž soustředí většinu třecí tepelné energie na velmi malou plochu. To zase způsobí větší přilnavost a hromadění materiálu. Lokalizované teplo zvyšuje plastičnost povrchu, který je vystaven povětrnosti, a deformuje tak kov, dokud se hrudka neprorazí povrchem a nezačne z orného povrchu orat velké množství materiálu. Metody prevence oděru zahrnují použití lubrikantů, jako je tuk a olej , povlaky s nízkým třením a tenkovrstvé usazeniny, jako je disulfid molybdeničitý nebo nitrid titanu , a zvýšení povrchové tvrdosti kovů pomocí postupů, jako je cementování a indukční kalení .
Mechanismus
Ve vědě o strojírenství a v dalších technických aspektech je pojem galling rozšířený. Vliv zrychlení v kontaktní zóně mezi materiály byl matematicky popsán a korelován s vystaveným třecím mechanismem nalezeným ve stopách během empirických pozorování otupujícího jevu. Kvůli problémům s předchozími nekompatibilními definicemi a testovacími metodami vedly lepší prostředky měření v koordinaci s lepším porozuměním zúčastněným třecím mechanismům k pokusu o standardizaci nebo předefinování termínu galing, který by umožnil obecnější použití. ASTM International zformuloval a zavedl společnou definici technického aspektu fenoménu oděru ve standardu ASTM G40: „Galling je forma povrchového poškození vznikajícího mezi kluznými látkami, rozlišená mikroskopickým, obvykle lokalizovaným, zdrsněním a vytvořením výčnělků (např. : hrudky) nad původním povrchem ".
Když jsou dva kovové povrchy přitlačeny proti sobě, počáteční interakce a spojovací body jsou nerovnosti neboli vysoké body, které se nacházejí na každém povrchu. Pokud dojde ke konvergujícímu kontaktu a relativnímu pohybu, může protilehlá plocha proniknout do protilehlé plochy. Kontakt mezi povrchy iniciuje tření nebo plastickou deformaci a vyvolává tlak a energii v malé oblasti zvané kontaktní zóna.
Zvýšení tlaku zvyšuje hustotu energie a úroveň tepla v deformované oblasti. To vede k větší adhezi mezi povrchy, které iniciují přenos materiálu, hromadění usazenin, růst hrudek a vytváření výčnělků nad původním povrchem.
Pokud hrudka (nebo výčnělek přeneseného materiálu na jeden povrch) doroste do výšky několika mikrometrů , může proniknout do protilehlé povrchové vrstvy oxidu a způsobit poškození podkladového materiálu. Poškození sypkého materiálu je předpokladem plastického toku, který se nachází v deformovaném objemu, který obklopuje hrudku. Geometrie a rychlost hrudky definují, jak bude tekoucí materiál přepravován, zrychlován a zpomalován kolem hrudky. Tento tok materiálu je kritický při definování kontaktního tlaku, hustoty energie a vyvinuté teploty během klouzání. Matematická funkce popisující zrychlení a zpomalení tekoucího materiálu je tak definována geometrickými omezeními, odvozenými nebo danými povrchem povrchu hrudky.
Pokud jsou splněny správné podmínky, jako jsou geometrická omezení hrudky, může akumulace energie způsobit jasnou změnu v kontaktu s materiály a chování plastů; obecně to zvyšuje adhezi a třecí sílu potřebnou pro další pohyb.
U kluzného tření se zvýšené tlakové napětí úměrně rovná nárůstu potenciální energie a teploty v kontaktní zóně. Důvodem akumulace energie během klouzání může být snížení energetických ztrát směrem od kontaktní zóny v důsledku malého povrchu na hranici povrchu, a tedy nízké tepelné vodivosti. Dalším důvodem je energie, která je nepřetržitě tlačena do kovů, což je produkt zrychlení a tlaku. Ve spolupráci tyto mechanismy umožňují konstantní akumulaci energie, což způsobuje zvýšení hustoty energie a teploty v kontaktní zóně během klouzání.
Proces a kontakt lze přirovnat ke svařování za studena nebo svařování třením , protože svařování za studena není skutečně studené a tavná místa vykazují zvýšení teploty a hustoty energie odvozené od aplikovaného tlaku a plastické deformace v kontaktní zóně.
Výskyt a umístění
Dráždění se často vyskytuje mezi kovovými povrchy, kde došlo k přímému kontaktu a relativnímu pohybu. Tváření plechů , výroba závitů a další průmyslové operace mohou zahrnovat pohyblivé části nebo kontaktní plochy z nerezové oceli, hliníku, titanu a dalších kovů, jejichž přirozený vývoj vnější oxidové vrstvy pasivací zvyšuje jejich odolnost proti korozi, ale činí je obzvláště náchylnými k oděru .
V kovoobrábění, které zahrnuje řezání (primárně soustružení a frézování), se otřesy často používají k popisu opotřebení, ke kterému dochází při řezání měkkého kovu. Pracovní materiál se přenese na řezačku a vytvoří „hrudku“. Vyvinutá hrudka mění kontaktní chování mezi dvěma povrchy, což obvykle zvyšuje adhezi, odolnost proti dalšímu řezání a díky vytvořeným vibracím je slyšet jako zřetelný zvuk.
U sloučenin hliníku často dochází k otěru a je častou příčinou poruchy nástroje. Hliník je tvárný kov, což znamená, že má schopnost plastického toku relativně snadno, což předpokládá relativně konzistentní a velkou plastovou zónu.
Vysokou tažnost a tekutost materiálu lze považovat za obecný předpoklad pro nadměrný přenos materiálu a odlupování, protože třecí ohřev je úzce spojen se strukturou plastických zón kolem pronikajících předmětů.
K oděru může dojít i při relativně nízkém zatížení a rychlostech, protože to je skutečná hustota energie v systému, která indukuje fázový přechod, což často vede ke zvýšení přenosu materiálu a vyššímu tření.
Prevence
Obecně existují dva hlavní třecí systémy, které ovlivňují opotřebení lepidla nebo otěru: kontakt s pevným povrchem a kontakt s mazáním. Z hlediska prevence pracují odlišným způsobem a kladou různé požadavky na povrchovou strukturu, slitiny a krystalovou matrici použitou v materiálech.
V kontaktu s pevným povrchem nebo v nemazaných podmínkách je počáteční kontakt charakterizován interakcí mezi nerovnostmi a projevem dvou různých druhů přitažlivosti: soudržná povrchová energie nebo molekuly spojují a lepí dva povrchy dohromady, zejména i když jsou odděleny měřitelná vzdálenost. Přímý kontakt a plastická deformace generují další typ přitažlivosti vytvořením plastické zóny s tekoucím materiálem, kde indukovaná energie, tlak a teplota umožňují spojení mezi povrchy v mnohem větším měřítku než soudržná povrchová energie.
U kovových sloučenin a tváření plechů jsou zbytky obvykle oxidy a plastická deformace většinou sestává z křehkého lomu , což předpokládá velmi malou plastickou zónu. Akumulace energie a teploty je nízká kvůli diskontinuitě v lomovém mechanismu. Během počátečního kontaktu mimořádnosti / naléhavosti se však opotřebené úlomky nebo kousky z nerovností drží na protilehlém povrchu a vytvářejí mikroskopické, obvykle lokalizované zdrsnění a vytváření výčnělků (ve skutečnosti hrudek) nad původním povrchem. Přenesené zbytky opotřebení a hrudky pronikají do protilehlé oxidové povrchové vrstvy a způsobují poškození podkladového sypkého materiálu, který jej orají dopředu. To umožňuje kontinuální plastickou deformaci, plastický tok a akumulaci energie a teploty. Zabránění přenosu adhezivního materiálu je dosaženo následujícími nebo podobnými přístupy:
- Nízkoteplotní nauhličování, jako je Kolsterising, může eliminovat ucpávání austenitických nerezových ocelí zvýšením povrchové tvrdosti až na 1200 HV 0,05 (v závislosti na základním materiálu a podmínkách povrchu).
- Méně soudržná nebo chemická přitažlivost mezi povrchovými atomy nebo molekulami.
- Vyvarování se kontinuální plastické deformace a plastického toku, například silnější vrstvou oxidu na předmětném materiálu při tváření plechů (SMF).
- Povlaky nanesené na pracovní nástroj SMF, jako je chemická depozice z plynné fáze (CVD) nebo fyzikální depozice z plynné fáze (PVD) a nitrid titanu (TiN) nebo uhlíkové povlaky podobné diamantu, vykazují nízkou chemickou reaktivitu i při kontaktu s vysokou energií třením, kde předmětný materiál ochranná vrstva oxidu je porušena a třecí kontakt se vyznačuje kontinuální plastickou deformací a plastickým tokem.
Lubrikovaný kontakt klade další požadavky na povrchovou strukturu použitých materiálů a hlavním problémem je zachování ochranné tloušťky mazání a zabránění plastické deformaci. To je důležité, protože plastická deformace zvyšuje teplotu oleje nebo mazací kapaliny a mění viskozitu. Jakýkoli případný přenos materiálu nebo vytvoření výčnělků nad původním povrchem také sníží schopnost zachovat ochrannou tloušťku mazání. Správné tloušťce ochranného mazání může být napomáháno nebo udržováno:
- Povrchové dutiny nebo malé otvory mohou vytvořit příznivou geometrickou situaci, aby si olej zachoval ochrannou tloušťku mazání v kontaktní zóně.
- Kohezní síly na povrchu mohou zvýšit chemickou přitažlivost mezi povrchem a mazivy a zvýšit tloušťku mazání.
- Přísady do oleje mohou snížit tendenci k opotřebení nebo opotřebení.
Viz také
- Tribologie - Věda a inženýrství interagujících povrchů v relativním pohybu
- Reologie - Studium toku hmoty, primárně v kapalném stavu
- Povrchové inženýrství - Změna vlastností pevných povrchů
- Pin na tribometru disku
