Fretting wyjaśniony – definicja, działanie i zapobieganie

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Fretting to zjawisko, które powoduje uszkodzenia, gdy powierzchnie metalowe stykają się poprzez powtarzające się tarcie lub cykliczny ruch ślizgowy. Uszkodzenia spowodowane tarciem w wyniku frettingu powodują przenoszenie materiału i korozję, prowadząc do zużycia mechanicznego.

Na początku opis ten może brzmieć podobnie do zacierania, ale te dwa procesy mają zasadnicze różnice. Zacieranie ogólnie odnosi się do uszkodzeń związanych z dużym ruchem względnym na znacznie większą skalę niż ruch względny o małej amplitudzie związany ze stykami ciernymi.

Odkryjmy przyczyny procesu frettingu i dowiedzmy się, jak chronić systemy mechaniczne przed tego typu zużyciem.

Co to jest zużycie cierne i kiedy występuje?

Fretting to rodzaj zużycia, który wynika z ruchu oscylacyjnego lub wibracji o niskiej amplitudzie przy wysokim nacisku styku. Te małe cykliczne ruchy i mikroprzesunięcia generują naprężenia na powierzchni styku, z czasem degradując metale.

Fretting to połączenie zużycia adhezyjnego i ściernego. Ruch oscylacyjny powoduje zużycie zmęczeniowe, które jest wzmacniane przez adhezję powierzchni styku. Wiązanie to jest jednak krótkotrwałe, ponieważ zostanie zerwane wkrótce potem przez małe ruchy, powodując zużycie.

Jeśli zanieczyszczenia i/lub powierzchnia ulegną następnie reakcji chemicznej, głównie utlenianiu, mechanizm ten nazywany jest korozją cierną. Fretting prowadzi do zwiększonej chropowatości powierzchni i mikropitów, co dodatkowo zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową komponentów.

Wiele komponentów i systemów maszyn jest narażonych na niewielkie ruchy powodujące korozję cierną. Te niewielkie oscylacje mogą pochodzić od części, które mają się poruszać zgodnie z projektem (np. wałki rozrządu i sprężyny piórowe) lub nie mają się poruszać (np. kołnierze śrubowe, nitowane połączenia zakładkowe i rowki wpustowe) i są spowodowane różnymi czynnikami zewnętrznymi.

Względny ruch ślizgowy ma niewielką amplitudę, zwykle w zakresie od mikrometrów do milimetrów, ale w niektórych przypadkach może być również mierzony w nanometrach. Fretting może powodować poważne uszkodzenia nawet przy niewielkiej ścieżce tarcia.

Gładkie powierzchnie są bardziej podatne na zużycie frettingowe, ponieważ naprężenia w punktach styku między współpracującymi powierzchniami są wzmacniane.

Termin „zużycie frettingowe” był uważany za zamienny z terminem „korozja frettingowa”. Co ciekawe, zużycie frettingowe może również wystąpić w próżni (na przykład w mechanizmach kosmicznych) oraz w materiałach, które się nie utleniają, takich jak złoto i platyna. Z tego powodu ważne jest, aby osobno omówić pojęcia korozji ciernej i zmęczenia ciernego, chociaż zjawiska te najczęściej występują w tandemie.

Korozja cierna

Korozja cierna rozwija się w wyniku usuwania ochronnych warstw tlenków na powierzchniach metalowych, wystawiając świeży metal na działanie czynników korozyjnych. Zużycie powstające w wyniku ciągłego ruchu ślizgowego przyspiesza proces korozji, ponieważ cząstki nie mogą uniknąć kontaktu, powodując zużycie ścierne, a następnie utlenianie świeżo odsłoniętego metalu, kontynuując proces i prowadząc do zwiększonego zużycia.

Korozja zależy od obojętności materiału. W przypadku stali tlenek żelaza jest twardszy niż sama stal, a zatem działa jak materiał ścierny i powoduje wiele uszkodzeń powierzchni.

Korozja frettingowa może występować w metalach takich jak stal, aluminium, żeliwo i inne metale nieżelazne, ale także w polimerach i ceramice. Kolor cząstek zanieczyszczeń w przypadku korozji ciernej różni się od normalnej korozji. Aluminium koroduje do białego koloru w normalnych warunkach i zmienia kolor na czarny w przypadku korozji ciernej, podczas gdy stal staje się odpowiednio szara i czerwonawo-brązowa.

Przykłady korozji ciernej obejmują łożyska skoku turbiny wiatrowej (fałszywy brinelling), w którym mechanizm zużycia oscyluje i implanty ortopedyczne, gdy dwa stykające się materiały są w ruchu względnym względem siebie.

Zmęczenie frettingowe

Cykliczne naprężenia cierne wpływają na obszar styku dwóch materiałów, powodując zmęczenie cierne. Pęknięcia zmęczeniowe zaczynają się inicjować w strefie frettingu, rozprzestrzeniając się dalej w głąb materiału. Powierzchnia metalu ma wysokie obciążenie styku i maksymalne naprężenie tarcia, podczas gdy wewnątrz metalu występują niższe wartości naprężeń.

Zmęczenie cierne różni się zatem od zwykłego zmęczenia materiału. Istnieje jednak korelacja między nimi, ponieważ trwałość zmęczeniowa jest szacowana na podstawie danych dotyczących trwałości zmęczeniowej. Ponadto wytrzymałość na zmęczenie cierne jest zwykle o połowę lub mniejsza niż wytrzymałość na zmęczenie zwykłe.

Twardość powierzchni odgrywa ważną rolę w zmęczeniu frettingowym. Powierzchnie styku twardych metali powodują spawanie na zimno ich powierzchni, a następnie ścinanie i generowanie resztek zużycia (korozja cierna). Natomiast jeśli miękki i twardy metal są w kontakcie frettingowym, bardziej prawdopodobne jest wystąpienie frettingowego zużycia zmęczeniowego. Chropowatości twardszego metalu będą wgniatać bardziej miękki metal, powodując odkształcenie plastyczne bardziej miękkiego metalu i ostatecznie utratę materiału.

Przykład zmęczenia ciernego można zaobserwować w połączeniach mechanicznych łopatek silnika samolotu, w których może dojść do katastrofalnej awarii mechanicznej, jeśli nie zostanie ona skontrolowana.

Czynniki wpływające na fretting

1. Proszę załadować – Wielkość i położenie obciążenia są jednymi z kluczowych czynników sprzyjających frettingowi. Nierównomierne obciążenie części mechanicznych może prowadzić do koncentracji lokalnych naprężeń w określonych obszarach na powierzchni metalu.
2. Środowisko – Konsekwencją narażenia mechanizmów na niską temperaturę i wilgotność względną jest korozja cierna spowodowana utlenianiem. Jest wysoce prawdopodobne, że wysoki wskaźnik zużycia występuje, gdy powierzchnie metalowe znajdują się w środowisku korozyjnym lub w pobliżu

Jak ograniczyć korozję cierną

1. Całkowite unikanie denerwowania się – Może to obejmować zmiany konstrukcyjne, tłumienie wszelkich wibracji i upewnienie się, że wszystkie połączenia są odpowiednio dokręcone.
2. Testowanie systemów frettingu – Przebiegi próbne mogą być stosowane w kontrolowanym środowisku w celu rozwiązania kwestii frettingu w określonych mechanizmach.
3. Powłoki i smary – Powłoka i smarowanie dodają kolejną warstwę ochrony przed tarciem, poprawiając odporność na fretting. Na przykład stal jest podatna na fretting, jeśli jest połączona ze stalą. Można ją łączyć ze stalą pokrytą kadmem, indem, ołowiem, cyną lub srebrem, aby ograniczyć zjawisko frettingu. Jeśli jednak chodzi o smary, mogą one zostać wyciśnięte w obszarze styku, nadal powodując kontakt metal-metal. W niektórych przypadkach środki smarne mogą mieć nawet odwrotny skutek do pożądanego, ponieważ niższy współczynnik tarcia może prowadzić do większego ruchu.
4. Twardość materiału – Twardość generalnie wpływa na współczynnik tarcia materiału. Aby poprawić twardość materiału, można zastosować obróbkę powierzchniową i cieplną. Inną popularną metodą jest śrutowanie, które jest często wykonywane podczas napraw, poprawiając wytrzymałość i zmniejszając naprężenia.
5. Wybór metalu – Czasami optymalne jest użycie dwóch materiałów o różnej plastyczności lub „miękkości”. Udowodniono, że para miękkich i twardych metali ma mniej uszkodzeń frettingowych w porównaniu z dwoma twardymi metalami, ponieważ bardziej miękki metal „płynie”, a nie „ściera się” podczas kontaktu.
6. Środowisko – Korzystne warunki, takie jak kontrolowane środowisko podczas pracy i właściwe przechowywanie, zmniejszają niepotrzebną wilgoć w materiale, zmniejszając utlenianie.
7. Luźne metalowe wkładki – W niektórych przypadkach stosuje się luźne metalowe wkładki, aby uniknąć frettingu lub kontaktu powierzchniowego, na przykład przy użyciu cienkich miedzianych płytek do powierzchni tytanowych.
8. Guma – Jeśli zastosowanie na to pozwala, wibracje mogą być pochłaniane przez gumę, jednocześnie zapobiegając powstawaniu stref poślizgu.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.