Zacieranie to zjawisko, w którym dochodzi do nieoczekiwanego przylegania między dwiema metalowymi powierzchniami w kontakcie ślizgowym, co prowadzi do uszkodzeń ciernych lub ostatecznie zatarcia.
Ten rodzaj zużycia materiału adhezyjnego stwarza poważne ryzyko, ponieważ może prowadzić do kosztownych napraw lub awarii sprzętu. Niekontrolowane zacieranie może z kolei prowadzić do niepożądanych opóźnień w produkcji, co znacznie pochłania czas i zasoby.
Przyjrzyjmy się przyczynom, skutkom i środkom zapobiegawczym zatarcia.
Co to jest zacieranie metalu?
Zacieranie występuje, gdy dwie powierzchnie znajdujące się w ruchu względnym zaczynają przylegać do siebie za pomocą sił molekularnych, co ostatecznie prowadzi do przypadkowego spawania na zimno. Jest to dość powszechny problem w formowaniu metalu, cylindrach hydraulicznych, łożyskach, tłokach silników, gwintach i innych zastosowaniach, w których powierzchnie metalowe są w kontakcie ślizgowym. Zacieranie się metalu jest szczególnie powszechne, gdy smarowanie między powierzchniami jest niewystarczające.
Zużycie adhezyjne występuje zwykle w przypadku poddawania materiałów dużym obciążeniom i wolnym prędkościom ślizgowym, ale występuje również w zastosowaniach wymagających dużych prędkości przy niewielkich obciążeniach. Proszę dodać do tego temperaturę i słabe smarowanie, a efekt zacierania tylko się nasili.
Niektóre metale są bardziej podatne na zacieranie niż inne, na przykład aluminium i stal austenityczna. Zazwyczaj bardziej miękkie materiały żółkną łatwiej, a twardsze są bardziej odporne. Właściwości wpływające na zdolność materiału do zacierania to plastyczność i ciągliwość. Zacieranie może wystąpić niezależnie od tego, czy stykające się metale są takie same czy różne. Mosiądz i brąz są preferowane w sytuacjach, w których występuje poślizg (łożyska, tuleje), ponieważ są raczej odporne na zacieranie.
Zacieranie gwintów ze stali nierdzewnejStal nierdzewna, aluminium, tytan i niektóre inne metale są odporne na korozję dzięki tworzeniu pasywnej warstwy tlenku. Z drugiej strony sprawia to, że są one szczególnie podatne na zacieranie, gdy ta warstwa tlenku zostanie uszkodzona lub usunięta pod wpływem dużych sił styku i odsłonięty zostanie nieosłonięty materiał reaktywny.
Tak więc, zacieranie jest dość dużym problemem dla gwintowanych śrub ze stali nierdzewnej i aluminium. Zacieranie prowadzi do zamarzania gwintu śruby, a zastosowanie dalszej siły dokręcania może po prostu odciąć łeb śruby lub zerwać gwint.
W procesach obróbki metali, głównie w toczeniu, frezowaniu, wykrawaniu i gięciu, zacieranie odnosi się do przenoszenia materiału obrabianego na narzędzie skrawające, co skutkuje tworzeniem się grudki. Ta grudka zmienia interakcję między narzędziem a obrabianym przedmiotem, zwykle prowadząc do większej przyczepności i odporności na dalsze cięcie. Wibracje generowane przez ten proces w operacjach toczenia i frezowania mogą często wytwarzać charakterystyczny dźwięk, który rozpoznają operatorzy maszyn.
Jak działa toczenie?
Powierzchnie metalowe są wyraźnie gładkie gołym okiem, ale mają niedoskonałości, takie jak zanieczyszczenia lub puste przestrzenie w mniejszej skali. Mikroskopijne wysokie punkty (asperities) w obszarze styku dwóch materiałów ocierają się o siebie, generując ciepło i tarcie. W obszarze styku pojawiają się lokalne naprężenia i zaczynają tworzyć się grudki, które nadal rosną, przenikając przez ochronną warstwę tlenku.
Wysoka gęstość energii w obszarze styku tworzy wiązania i indukuje transfer elektronów między mikroskopijnymi włóknami dwóch metalowych powierzchni. Powoduje to stopienie w strefie styku, przechodząc spawanie na zimno z naturalnego zachowania plastycznego metalu. Galwanizacja obejmuje widoczne przenoszenie materiału, gdy jest on adhezyjnie przeciągany z jednej powierzchni na drugą, tworząc wypukłą grudkę znaną jako galwan.
Zacieranie zazwyczaj nie rozwija się stopniowo, tak jak inne formy zużycia (np. zużycie zmęczeniowe i ścierne). Zamiast tego ma tendencję do szybkiego pojawiania się i rozprzestrzeniania, ponieważ uniesione grudki powodują większe zacieranie. Dlatego ważne jest regularne sprawdzanie części maszyn, które są podatne na zużycie adhezyjne. Wykrycie problemu na późnym etapie procesu zazwyczaj wiąże się z wysokimi kosztami.
Czynniki powodujące zacieranie
Prawdopodobieństwo wystąpienia zacierania wzrasta, gdy spełnione są poniższe warunki:
- Odsłonięte powierzchnie – Świeżo wycięte metale łatwo łączą się ze sobą po ściśnięciu, ponieważ na ich powierzchni nie ma ochronnej warstwy tlenku.
- Odłamki – Małe cząstki utknięte między metalowymi powierzchniami stają się ścierne, gdy wchodzą w kontakt ślizgowy, zwiększając ryzyko zatarcia. Obszary styku zaczną się odkształcać, tworząc miejscowe odkształcenia i będą się stale odkształcać w miarę kontynuowania ruchu ślizgowego.
- Wysokie naprężenia – Szybki ruch materiałów pod wysokim ciśnieniem i w bezpośrednim kontakcie przyczynia się do wyższych poziomów naprężeń. Naprężenia te zwiększają efekt plastyczności materiału, co czyni go bardziej podatnym na zacieranie.
- Podobne metale – Mikroskopijny transfer elektronów działa najlepiej pomiędzy dwoma metalami o zbliżonych właściwościach metalurgicznych. Na przykład stalowy element złączny łatwiej połączy się ze stalą o podobnych właściwościach.
Jak zapobiegać zacieraniu?
Istnieje wiele metod zapobiegania zużyciu lub dodatkowej ochrony przed zacieraniem:
- Smarowanie/powlekanie – Powłoka lub środek smarny dodaje kolejną warstwę ochronną na powierzchniach metalowych, jednocześnie zmniejszając tarcie i temperaturę kontaktu. Mogą one występować w postaci smarów zapobiegających zgorzelinom, produktów przeciwzatarciowych, smarów, dodatków lub innych powłok. Użycie powłoki lub smaru podczas pracy ze stalą nierdzewną jest prawie zawsze konieczne.
- Niższe obciążenie, temperatura i prędkość – Zmniejszenie energii w obszarze styku powierzchni zmniejsza przenoszenie mikroskopijnego materiału w strefie plastycznej. Najlepiej jest przerwać operację, jeśli powierzchnia zaczyna wiązać się z innym przedmiotem obrabianym
- Wybór materiału – Odmienne stopy lub nawet gatunki materiałów działają niezwykle dobrze w przypadku ścierania mechanicznego, ponieważ mają różne struktury atomowe. Mosiądz, brąz i kobalt, które są odporne na zacieranie, są często wybierane na tuleje i łożyska. Wysoka twardość to kolejny sposób na poprawę odporności na zacieranie poprzez dodanie utwardzania materiału.
- Proszę używać czystych i nieuszkodzonych części – Zanieczyszczenia na powierzchni metalu sprzyjają spawaniu na zimno, co prowadzi do zacierania. Najlepszą praktyką jest utrzymywanie materiałów w stanie wolnym od zanieczyszczeń poprzez właściwe przechowywanie, transport i obsługę, ponieważ części mogą ocierać się o siebie podczas transportu.
- Zwiększanie powierzchni styku – Większa powierzchnia styku skutecznie zmniejsza nacisk powierzchniowy. Części stykające się ze sobą są mniej naprężone, a głębokość zużycia jest mniejsza.
- Wykończenie powierzchni – Chropowate powierzchnie (1,5 µm) lub bardzo gładkie powierzchnie (0,25 µm) mają dużą tendencję do żółknięcia. Chropowatą powierzchnię można usunąć, aby poprawić gładkość, ale należy monitorować, aby nie była mniejsza niż 0,25 µm.
Inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę w celu zminimalizowania ryzyka zacierania, to wykorzystanie zaawansowanych technologii w praktyce i w materiale. Nanotechnologia pozwala na uzyskanie stopów, które oferują lepszą odporność na zacieranie, podczas gdy zaawansowane powłoki zawierające cząsteczki miedzi lub tlenku wapnia są doskonałym rozwiązaniem w zapobieganiu zacieraniu.