Водородное изнашивание

Водородное изнашивание  представляет собой эволюционный процесс, направленный на разрушение трущихся поверхностей. Трение создает условия  для образования диффузионно-способного водорода из смазочного материала, топлива, пластмассы, паров воды и других материалов. Далее трение обеспечивает адсорбцию водорода на поверхность трущейся детали (стальной или чугунной) путем создания ювенильных поверхностей. Трение благодаря деформации тонких поверхностных слоев образует гидридофильную зону на стальной или чугунной поверхности детали, которая своеобразно "впитывает" водород. В результате трения диффузионно-способный водород концентрируется на некоторой глубине от поверхности трения, где располагается максимум температуры при трении. Глубина концентрации водорода зависит от режимов трения и участвующих в нем материалов. Чем тяжелее режим трения, тем глубже находится максимум температуры. Все указанные выше процессы отличают водородное изнашивание от водородной хрупкости металлов.

Последним этапом водородного  изнашивания является своеобразное разрушение стальной поверхности. Под  ней одновременно образуются многочисленные трещины, которые, сливаясь, могут мгновенно  превратить поверхностный слой детали в порошок. При водородном охрупчивании образуется и развивается только одна трещина, которая и приводит к разрушению детали. Как видим, и здесь имеется коренное отличие водородного изнашивания от водородного охрупчивания.

При водородном изнашивании  концентрация водорода под поверхностью настолько велика, что никакой другой источник наводороживания не может создать и десятой доли подобной концентрации.

Подавляющее большинство  методов борьбы с водородным изнашиванием не может быть использовано для снижения интенсивности водородного охрупчивания металлов ввиду принципиальных различий этих явлений. Водородное изнашивание – явление самоорганизующееся, по сложности и масштабам проявления оно превосходит явление водородного охрупчивания. Между тем, процессы водородного охрупчивания, а также сходные с ними процессы коррозионного растрескивания сталей и сплавов изучены в большей степени (хотя и не до конца). Это облегчает изучение механизма разрушения стали при водородном изнашивании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Виды водородного  изнашивания

 

Как установлено А.А. Поляковым  и Д.Н. Гаркуновым, имеются два основных вида изнашивания поверхностей стальных и чугунных деталей под воздействием водорода: изнашивание диспергированием и изнашивание разрушением.

 

6.1 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 направлены вдоль направления движения.

При изучении износостойкости  наводороженных стальных образцов (наводороживание производилось электролитическим способом) установлено [60], что при незначительном наводороживании износостойкость образцов из стали 45 несколько увеличивается, а при дальнейшем наводороживании падает. Это связано с тем, что при начальном наводороживании повышается твердость стали.

На рис. 2 представлена зависимость изменения относительной микротвердости стали (отношение микротвердостей наводороженной стали 45 к ненаводороженной в процентах) от времени наводороживания.

 

 

Рис. 2. Изменение относительной микро-твердости стали от времени выдержки в наводороживаемой среде

 

 

Микротвердость увеличивается в первый период (1,5 ч) наводороживания, когда происходит процесс насыщения стали водородом, сопровождающийся упрочнением поверхностного слоя. Далее микротвердость при наводороживании падает и становится меньше исходной. Уменьшение микротвердости стали при насыщении ее водородом свидетельствует о разрыхлении ее поверхностного слоя и снижении износостойкости.

Исследования показали, что  интенсивность изнашивания при  наводороживании вначале может уменьшиться на небольшую величину, а в дальнейшем увеличиться на два порядка.

 

6.2 Водородное изнашивание разрушением (ВИРАЗ)

 

Этот вид изнашивания  имеет специфическую особенность: поверхностный слой стали или чугуна 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 зародышевые трещины, полости, межкристальные границы и другие места. 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Влияние влажности  воздуха на интенсивность

водородного изнашивания.

 

Влажность воздуха оказывает  сильное воздействие на интенсивность  изнашивания металлов. Это имеет  большое значение для машин массового  применения, эксплуатирующихся на открытом воздухе, особенно для нашей страны с обширными районами повышенной влажности. Приведем некоторые результаты исследований о влиянии влажности воздуха на изнашивание металлов; к сожалению, работ в этом направлении выполнено мало.

Н. Уетц  изучал влияние влажности воздуха на изнашивание металлов при скольжении на машине Зибеля и Кейля, где торцовые поверхности двух трубчатых образцов скользили одна по другой (без смазочного материала) со скоростями 0,05 и 0,02 м/с при различных давлениях. Эксперименты проводили на воздухе с переменной влажностью и в вакууме при разных давлениях водяного пара. Перед испытаниями образцы шлифовали, обезжиривали и высушивали. Усредненные данные о влиянии влажности на интенсивность изнашивания при пробеге 100 м представлены на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Зависимость интенсивно-

сти изнашивания пары малоуглеродистая сталь – малоуглеродистая сталь от

относительной влажности  при длине

пробега 100 м, давлении 1 МПа  и скорости скольжения 0,05 м/с

 

С ростом относительной влажности (до 50%) износ линейно возрастает, а затем замедляется. В области относительной влажности (50%) поверхность трения полностью покрывается мономолекулярным слоем воды. Характерно, что продукты износа при влажности 5% имеют темный серо-коричневый цвет (вероятно Fe2O3). При влажности 50 и 90% продукты износа имеют вид серого металлического порошка.

Влияние влажности особенно резко проявляется при трении малоуглеродистой стали. При увеличении влажности с 5 до 90% износ возрос в 150 раз. В этих же условиях в парах трения сталь 45 по стали 45 износ увеличился в 22, бронза по бронзе в 3,5, латунь по латуни в 1,6 раза.

Интенсивность изнашивания  пары сталь 45 – сталь 45 при давлении 1 МПа была низкой (0,12 мм/км). При повышении влажности до 5% износ возрос в 18 раз, а при повышении влажности до 100% – в 23 раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Водородное изнашивание  при трении качения.

 

До настоящего времени  почти не было исследований влияния  старения масла на интенсивность изнашивания подшипников качения. Лишь в небольшом числе работ, в частности у Л. Грунберга, утверждалось, что химический состав и вид смазочного материала могут непосредственно влиять на сопротивление усталости подшипников качения и зубчатых передач. Установлено, что химические процессы в масле в результате действия присадки могут в 10 раз и более увеличить сопротивление контактной усталости. Снижение же сопротивления контактной усталости проявляется особенно в большой степени в виде точечной коррозии стальных шариков под действием воды, находящейся в масле, и водородной хрупкости.

Первые сведения о наводороживании при трении качения появились в 1963 г., когда Л. Грунберг и др. провели исследования влияния присутствия 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. После испытания в тритиевой воде шарики промывали в ацетоне, погружали в жидкий сцинтиллятор и подсчитывали радиационную активность. После испытаний было зарегистрировано от 1000 до 2000 импульсов в 1 с. Не подверженная усталости часть шариков давала 40 импульсов в 1 с при фоне около 30 импульсов в 1 с. Активность на поврежденном участке со временем уменьшалась и через 5 суток приближалась к уровню фона. Описанный эксперимент подтверждает гипотезу, что в присутствии воды водород внедряется в металл, подвергаемый поверхностному усталостному воздействию. Уменьшение радиационной активности со временем может быть отнесено к выводу трития из металла.

Косвенным подтверждением влияния  наводороживания на контактную усталость являются эксперименты по выяснению влияния поверхностной коррозии на контактную прочность стали ШХ15, выполненные В.Г. Кузнецовым. Исследовали три партии шариков: без признаков коррозии; с начальной коррозией, возникающей на поверхности шариков при погружении их на 72 ч в 3%-ный раствор поваренной соли; со значительной коррозией, появившейся в результате пребывания шариков в коррозионной камере 15 суток при 100%-ной влажности и в присутствии в атмосфере камеры примеси сернистого газа (0,01 мг/л).

В качестве смазочного материала  использовали пластичную смазку 1-13, имевшую вначале температуру 18...20°С, затем она нагревалась до 50...70°С. В результате опытов выявлено (табл. 1), что наличие даже небольшой коррозии на металлических поверхностях, работающих в условиях трения качения при высоких нагрузках, резко ускоряет появление усталостных разрушений. При значительной коррозии разрушение ускоряется в десятки раз.

 

Таблица 1. Влияние коррозии на усталостное разрушение поверхности

 

 

В этом случае, очевидно, имеют  значение два фактора: фактор наводороживания, в результате которого повышаются напряжения в поверхностном слое, и фактор повышения шероховатости поверхности, что влечет увеличение контактных напряжений. Степень участия этих факторов – задача дальнейших исследований.

Для узлов трения современной  техники (особенно для тяжелонагруженных 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 понижения работоспособности  тел качения при наличии воды в смазочном материале сложен; он включает взаимосвязь циклически изменяющихся напряжений и химических реакций на поверхности, ведущих к коррозии и водородному изнашиванию. При повышении качества сталей и уменьшении вследствие этого числа подповерхностных неметаллических включений, вызывающих усталостное разрушение при качении соприкасающихся деталей, более важное значение приобретают химические реакции с водой, приводящие к наводороживанию и, как следствие, к образованию поверхностных дефектов – концентраторов напряжений.

 

 

 

 

9. Методы подавления водородного изнашивания

 

1. Наклеп стали увеличивает  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 низколегированных сталях хрупкое разрушение может быть даже при ничтожном 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 благоприятно влияет на фрикционные характеристики. В процессе интенсивного торможения при термомеханической деструкции полимера выделяющийся водород будет реагировать с окисной пленкой латунной проволоки. Это уменьшает поток водорода в стальное или чугунное контртело и тем самым отодвигает границу катастрофического водородного разрушения сопряженных поверхностей.

2. Полезно применять для  узлов трения, если имеется вероятность  водородного изнашивания, смазочные  материалы, которые мало подвержены  гидрогенизации. Уменьшение в керосинах  меркаптанов, тиоспиртов уменьшает возможность протекания химической реакции на поверхностях трения пары сталь-бронза и может исключить образование водорода.

В качестве присадок к смазывающим  жидкостям и фрикционным полимерным материалам могут быть введены кремнийорганические  соединения (силаны), содержащие несколько атомов хлора, которые легко соединяются с выделившимся водородом. С уменьшением числа атомов хлора эффективность присадки снижается.