Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидкостях

Аксенов А. Ф..

Машиностроение, 1977 г.

6.5. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ АГРЕГАТОВ

Поверхности трения плунжеров (ХВГ) и наклонных шайб (ШХ15) по внешнему виду можно условно разделить на три группы, каждая из которых имеет характерные особенности. К первой группе относятся поверхности трения деталей, прошедших испытания при смазке топливами Т-7, Т-8 и ТС-1. Характерным для названных топлив является невысокая смазывающая способность, износ плунжеров при испытаниях агрегатов на этих топливах составил 0,6—0,7 мм. поверхности трения деталей, испытывавшихся на топливе ТС-1, составляют вторую группу. износ плунжера в этом случае 0,3 мм. И, наконец, в третью группу условно выделены трущиеся поверхности деталей, прошедших испытания с использованием топлив Т-1 и Т-8П с противоизносной присадкой. износ плунжеров при испытании на этих топливах не превышает 0,1 мм.

Наличие вторичных структур (продуктов физико-химического взаимодействия топливной среды с металлами) обнаруживается на трущихся поверхностях деталей уже при рассмотрении невооруженным глазом или в микроскопе при небольшом увеличении (Х2). Отчетливо заметна неодинаковая окраска (от светло-коричневого до зеленоватого и голубого) ПОВЕРХНОСТЕЙ трения в зависимости от типа испытанного топлива, что свидетельствует о различии в химическом составе поверхностных слоев.

Можно предположить, что в случае натурных испытаний агрегатов в составе вторичных структур на поверхностях трения деталей присутствуют продукты взаимодействия железа и хрома с кислородом, серой и углеродом. Преобладание одного (или нескольких) продуктов в поверхностном слое и определяет его окраску, специфичную для каждого из испытанных топлив. По светло-коричневой или бурой окраске поверхности трения можно судить, например» о преобладании реакций окисления железа, а голубовато-зеленый оттенок характерен для хромита железа, образующегося, по-видимому, в результате взаимодействия продуктов окисления этих двух металлов.

Характерным при испытании топлив, имеющих низкие противо-износные свойства, является отсутствие на поверхности трения мощной защитной пленки. Это можно объяснить или недостаточным количеством активных компонентов в этих топливах, или неблагоприятной структурой образующихся на трущихся поверхностях соединений, которые легко разрушаются в процессе трения и удаляются с ПОВЕРХНОСТЕЙ деталей. Отсутствие защитной пленки приводит, видимо, к непосредственному контакту металлических ПОВЕРХНОСТЕЙ при трении, что вызывает значительное разрушение. Отличительной особенностью ПОВЕРХНОСТЕЙ деталей, прошедших испытания на топливах с более высокими противоизносными свойствами, является наличие монолитной пленки соединений, достаточно прочно связанной с основным материалом и выполняющей защитные функции. Окраска ПОВЕРХНОСТЕЙ голубовато-зеленого оттенка, при этом на поверхности наклонной шайбы невооруженным глазом можно видеть следы разрушения вторичных структур. Таким образом, уже визуальным осмотром деталей агрегатов, прошедших испытания на разных типах реактивных топлив, обнаруживаются существенные различия в качестве ПОВЕРХНОСТЕЙ трения. Для более детального их исследования были использованы методы оптической и электронной микроскопии, рентгено-структурного анализа и некоторые другие.

Работа топливного агрегата насыщена большим числом переключений с одного режима работы на другой, что обусловливает широкий диапазон возможных условий трущихся сочленений. При частоте вращения ротора 1000—2000 мин^-1 на режимах, близких к номинальному, контактирующие трущиеся детали качающего узла подвержены циклическому нагружению высокой частоты. Максимальные контактные напряжения при трении плунжера по наклонной шайбе достигают 2500 МН/м² [38]. В таких тяжелых условиях работы топлива должны обеспечить приемлемый по интенсивности изнашивания режим работы трущихся деталей качающего узла, исключающий развитие процессов схватывания и усталостного разрушения.

Рабочие участки ПОВЕРХНОСТЕЙ трения плунжеров при работе в топливах с низкими противоизносными свойствами имеют относительно гладкое строение без заметно видных пленок органического происхождения вторичных структур. Высокая плотность узких и коротких царапин, имеющих преимущественную направленность, вызвана, очевидно, усталостным выкрашиванием и последующим абразивным действием более твердых, чем матрица, карбидов. Появление царапин на плунжере может также вызываться карбидными частицами трущейся поверхности контртела.

Значительное количество удаляющихся с поверхности трения твердых частиц вызывает в контактной зоне разрушение защитных пленок: органических, окисных, вторичных структур. Это приводит не только к повреждению матричного материала микрорезанием, но и способствует развитию процессов схватывания. На интерферограммах отчетливо видны микроучастки схватывания (рис. 102), которые, как правило, развиваются в местах выкрашивания крупных частиц, на участках разрушения вторичных структур и при массовом микрорезании поверхности трения мелкими частицами. Несмотря на высокую твердость закаленной стали ХВГ (плунжер) и незначительную ее склонность к пластической деформации при объемном деформировании, в условиях трения в местах схватывания наблюдаются значительные пластические деформации поверхностных слоев металла.

При трении в среде топлив повышенное пластифицирование поверхностных слоев металла может вызываться проявлением адсорбционного эффекта снижения предела текучести, влиянием твердых соединений. Возможной причиной может быть также состояние сверхпластичности исследуемой стали, которое, как известно, во всех случаях сопровождается фазовыми или структурными, диффузионными и бездиффузионными (мартенситными) превращениями.

На рабочих участках ПОВЕРХНОСТЕЙ трения после их работы в топливах с более высокими противоизносными свойствами наблюдается образование пленок различной природы и вторичных структур, которые проявляются специфическим строением рельефа. Чем более высокими противоизносными свойствами характеризуется топливо, тем больше на поверхности трения наблюдается вторичных структур. Такое изменение внешнего вида и строения поверхностей рабочих участков плунжера и шайбы связано с особенностями влияния различных типов топлив не только на процессы трения и износа, но и на структурные и фазовые изменения в поверхностных слоях металлов. Для наклонной шайбы соблюдается та же закономерность, что и для плунжера: чем лучшими противоизносными свойствами характеризуется топливо, тем более интенсивно происходит образование на поверхности трения вторичных структур и пленок.

На поверхностях трения наклонных шайб наблюдается сетка параллельно расположенных полос. Выявление микроструктуры травлением в 4%-ном растворе азотной кислоты приводит к растравливанию поверхностного слоя, полосы сливаются с общим фоном поверхности. Если применить кратковременное травление, чтобы сохранить поверхностный слой от значительного растравливания, то при больших оптических увеличениях (X 100) четко проявляется строение (микроструктура) поверхностного слоя в местах полос и смежных участков. При длительном времени работы пары трения «плунжер—наклонная шайба»в среде топлив на поверхности образуется (травлением в поперечном сечении не выявляется) слой нетравящегося белого слоя, который с развитием усталостных процессов в отдельных местах начинает постепенно разрушаться с образованием полос, представляющих собой участки частично выкрошившихся вторичных структур. Определенная система расположения полос и направленная ориентировка разрушенных (выкрошившихся) участков нетравящегося белого слоя позволяют предположить, что характер развития и протекания различных процессов в зоне трения связан с особенностями кинематики деталей узла трения.

Трение металлов в среде топлив с хорошими противоизносными свойствами не сопровождается грубым разрушением поверхностных слоев. В локальных местах схватывания при жестких режимах работы происходит не усталостное выкрашивание вторичных структур с образованием задиров, а пластическое течение тонкого поверхностного слоя. плотность участков схватывания на поверхностях трения незначительна.

После кратковременного травления рабочих участков деталей в азотной кислоте образование вторичных структур, в частности белого нетравящегося слоя, наблюдается и в топливе Т-7, имеющем плохие противоизносные свойства. В этом случае образование нетравящегося белого слоя происходит в очень тонком поверхностном слое, который разрушается в результате растравливания поверхности при обычных режимах травления. При трении в среде топлив с хорошими противоизносными свойствами вторичные структуры, окисные и органические пленки на поверхности металлов образуются более интенсивно. Так как износ в этих топливах на порядок меньше, то происходит как бы «наработка» вторичных структур на поверхности трения, особенно белого нетравящегося слоя, более значительного по толщине и монолитного.

Образование вторичных структур на трущихся поверхностях плунжера и наклонной шайбы, изготовленных из различных марок стали, отличается по интенсивности, но закономерность их изменения при этом идентична и определяется типом применяемого топлива.

Рассмотрим изменение микроструктуры поверхностных слоев рабочих участков плунжера и наклонной шайбы, выявленное при нормальном режиме травления в 4%-ном растворе азотной кислоты. На поверхностях трения наблюдается образование белого нетравящегося слоя, количество и монолитность слоев которого зависит от типа применяемого топлива. В случае испытаний топлив, имеющих худшие противоизносные свойства, микроструктура поверхностных слоев рабочих участков деталей почти не отличается от микроструктуры материала, не принимавшего участия в процессе трения. При трении в среде топлив с более высокими противоизносными свойствами происходит образование крупных и мелких частиц белого нетравящегося слоя. Сплошной монолитный слой белого нетравящегося слоя наблюдается на поверхности металлов трущихся деталей в среде топлив с высокими противоизносными свойствами, например в Т-8П (рис. 103).