10 Uzarea

Cap.VII.- Uzarea (I)

Procesul de frecare are drept urmare pierderea de energie (căldură) şi uzarea suprafeţelor corpurilor aflate în contact şi în mişcare relativă (desprinderea de material şi modificarea stării iniţiale a suprafeţelor de contact). Transmiterea fluxului de forţă de la un element al cuplei de frecare (prin cuplă de frecare înţelegându-se cuplul de corpuri solide aflate în contact şi în mişcare relativă de alunecare, rostogolire, pivotare sau o combinaţie a acestora) la celălalt se face prin intermediul nemijlocit al suprafeţei de frecare; aceasta este caracterizată în principal prin microgeometria ei atât sub aspect dimensional şi al legii de distribuţie cât şi sub aspectul deformării elastice sau elastoplastice şi chiar a ruperii rugozităţilor. Ca urmare, procesul de frecare-uzare este condiţionat nemijlocit de starea suprafeţei de frecare aflată în prezenţa unei anumite sarcini, viteze şi a unui mediu ambiant dat. Intercondiţionarea acestora are efecte nu numai pe suprafaţă, ci şi până la o anumită adâncime a materialului, respectiv în stratul superficial care, conform fig.7.1.

Fig.2.1.Tribologie.D.Pavelescu

Fig.7.1.- Model al stratului superficial şi al suprafeţei de frecare Ţinând cont de rolul important al stratului superficial în procesul de frecare-uzare,

acesta poate fi caracterizat prin următorii parametri :a.- micro şi macrogeometria suprafeţei, rolul predominant avându-l microgeometria

(rugozitatea);b.- compoziţia şi puritatea chimică a materialului (puritatea chimică având un rol

important în procesele de frecare-uzare sub solicitări variabile sau în cazul în cazul mai complex, când se suprapun şi procese de coroziune);

c.- structura reticulară (tipul şi defectele reţelei cristaline) şi structura metalografică;d.- proprietăţile mecanice;e.- starea de tensiuni.In exploatare, stratul superficial rezultat din fabricaţie se modifică continuu,

microgeometria fiind parametrul care suportă cele mai mari modificări (fig..7.2). Rugozitatea rezultată în procesul de prelucrare mecanică se va stabiliza în urma rodajului la o anumită valoare, corespunzătoare procesului de degradare a stratului superficial în perioada de uzură normală.

Structura stratului superficial se deosebeşte de structura materialului de bază ca urmare a acţiunii proceselor de natură mecanică, termică, chimică etc., care apar în timpul proceselor de prelucrare şi ulterior în exploatare. In procesele de uzare sunt foarte importante modificările structurale obţinute prin tratamente termice superficiale, tratamente termochimice, tratamente mecanice (ecruisare) sau alte procedee, care au ca scop creşterea rezistenţei şi durităţii stratului superficial.

1

Tensiunile remanente din stratul superficial rezultate din prelucrările anterioare se însumează algebric cu cele induse în exploatare datorită solicitărilor mecanice, tensiunile rezultante, în funcţie de semnul şi mărimea lor, putând conduce la o degradare mai rapidă sau mai lentă a stratului superficial. Starea de tensiuni depinde de forma şi dimensiunile pieselor, de regimul de prelucrare şi de proprietăţile fizico-mecanice ale materialului prelucrat, de metodele de durificare şi de protecţie a suprafeţelor şi de mulţi alţi factori. Tensiunile interne remanente pot fi cu maximul pe suprafaţă (fig.7.3,a), la o anumită adâncime sub suprafaţă (fig,7.3,b) sau profunde (fig.7.3,c).

Teză doctorat

Fig.7.2.- Relieful tehnologic şi modificarea Fig.7.3.- Starea de tensiuni remanente din

sa în exploatare stratul superficial după prelucrări

Dinamica modificării stratului superficial poate fi urmărită prin studiul microgeometriei, tensiunilor, durităţii şi structurii, ceilalţi parametri putând fi consideraţi constanţi (macrogeometria, puritatea şi compoziţia chimică etc.). Parametrii stratului superficial sunt detaliaţi în tab.7.1.

Prin uzare se înţelege procesul de degradare mecanică sau mecano-chimică a suprafeţelor solidelor aflate în contact şi în mişcare relativă, constând din pierdere de material cauzată de un număr mare de factori şi de condiţii.

Intervenţia concomitentă a naturii şi compoziţiei materialelor, a proprietăţilor mecanice, a particularităţilor micro- şi macrogeometriei suprafeţelor, a parametrilor funcţionali (sarcină, viteză, temperatură), a calităţii ungerii şi lubrifiantului şi a multor altor factori perturbatori (vibraţii, solicitări periodice excesive, coroziune etc.) fac ca uzura suprafeţelor să apară ca o consecinţă a unor mecanisme diferite, a căror acţiune de cele mai multe ori se suprapune.

În funcţie de natura lor, fenomenele care intervin în procesele de uzură se pot încadra în trei clase fundamentale: termofizice, mecanice şi chimice.

Tipurile reprezentative de uzare acceptate de majoritatea specialiştilor în domeniul Tribologiei sunt : uzarea de aderenţă sau de contact; uzarea abrazivă; uzarea mecano-corosivă; uzarea prin oboseală superficială.

Privind diferitele tipuri de uzuri, se poate afirma că intensitatea lor depinde de viteza proceselor de degradare a microvolumelor de material din stratul de superficial în zona de contact. După viteza de degradare a stratului superficial, toate aspectele de uzură pot fi împărţite în trei grupe : rapide, medii şi lente. Uzura abrazivă se încadrează în prima grupă, degradarea stratului superficial producându-se în primul act al interacţiunii.

2

Tab.7.1.- Parametrii stratului superficialGrupa parametrilor

Subgrupaparametrilor

Parametrii

Neregularităţile suprafeţei

Rugozitatea

Înălţimea neregularităţilor Profilul abaterilor medii aritmeticeProfilul abaterilor medii pătraticePasul neregularităţilorRaza de rotunjire la vârf a proeminenţelor

OndulaţiiÎnălţimea ondulaţiilorPasul ondulaţiilorUnghiul dintre direcţia neregularităţilor şi direcţia sarcinii exterioare

Gradul de deformareDurificarea prin deformare

Gradul specific de deformare al grăunţilorGradul de deformare al stratului (totalitatea grăunţilor)Adâncimea de ecruisareGradul de ecruisare ; Gradientul ecruisării

Compoziţia materialului

Puritatea chimică

Compoziţia chimică

Natura şi cantitatea elementelor impurificatoareReacţia acestor elemente cu metalul de bazăNatura elementelor de aliereCantitatea elementelor de aliereReacţia acestora cu metalul de bază şi influenţa asupra structurii şi proprietăţilor

Structura

Structura cristalină

Tipul reţelei cristalineParametrii reţelei cristalineCompactitatea reţelei Concentrarea vacanţelor ; Densitatea de dislocaţii

Substructura Dimensiunea blocurilor mozaicUnghiul de dezorientare a blocurilor

Structura metalografică

Natura fazelor şi constituenţilor metalograficiForma, mărimea, cantitatea şi distribuţia acestoraNatura, forma, mărimea, cantitatea şi distribuţia incluziunilor

Starea de tensiuni

Tensiuni remanente

Natura şi semnul tensiunilor- de tracţiune (pozitive)- de compresiune (negative)

Mărimea tensiunilorVolumul în care se manifestă :- la nivelul reţelei cristaline, în vecinătatea defectelor, tensiuni de ordinul III (submicroscopice); - la nivelul grăunţilor cristalini, tensiuni de ordinul II (microscopice); - în întreg volumul produsului, tensiuni de ordinul I (macroscopice);

Proprietăţi

Proprietăţi chimiceProprietăţi fizice

Proprietăţi mecanice

Rezistenţa la coroziuneConductibilitatea şi difuzivitatea termicăDilatarea, contracţiaRezistenţa la rupere, limita de curgere ; duritatea etc.

In practică, pentru calculul durabilităţii pieselor supuse uzării, este necesar să se evalueze viteza sau intensitatea proceselor de degradare a straturilor superficiale. Valorile practice ale acestor mărimi (după M.G.Haraci şi I.V. Kragelski) se împart în nouă clase de

3

rezistenţă la uzare . În tab.7.2 sunt date clasele de rezistenţă după intensitatea proceselor de degradare (I), iar în tab.7.3, după viteza de uzare (), cele două mărimi fiind date de relaţiile :

In relaţiile de mai sus U este uzura masică, A suprafaţa de frecare, L – drumul de

frecare, h – uzura liniară, iar t – timpul de uzare. Intensitatea de uzare în tab.7.4 este exprimată adimensional.

Tab.7.2.- Clasele de rezistenţă la uzare după intensitatea de uzare

Clasa Intensitatea de uzareAspectul contactului cu frecare

TriboelementulCuplul deMaterialeÎn contact

012

10-13 I 10-12

10-12 I 10-11

10-11 I 10-10Elastic

Segmenţi de piston, calibre

Fontă – fontăAliaj dur- oţel

34

10-10 I 10-9

10-9 I 10-8Elasto-plastic Ghidaje de

maşini unelteFontă – fontă

567

10-8 I 10-7

10-7 I 10-6

10-6 I 10-5

Plastic Discuri şi saboţi de frână

Mase plastice – fontă

89

10-5 I 10-4

10-4 I 10-4Microaşchiere Brăzdare, dinţii

cupelor de excavator

Oţel - grund

Tab.7.3.- Clasele de rezistenţă la uzare după rezistenţa la uzareClasa Clasa de

rugozitateRa , m

, m/h

Exemple

01

1413

0,010,02 … 0,01

5 10-5

10-4

Calibre, distribuitoare hidraulice

23

1211

0,04 … 0,020,08 … 0.04

2 10.4

4 10-4Transmisii dinţate

45

109

0.16 … 0,080,32 … 0.16

8 10-4

1,6 10-3Ghidaje de maşini unelte, şuruburi mobile

67

87

0,63 … 0,321,25 … 0,63

3,2 10-3

6,4 10-3Cuplaje cu frecare

89

65

2,50 … 1,25 1,25

1,25 10-2

1,25 10-2Brăzdare, frâne de avion

Pentru o anumită cuplă de frecare care funcţionează în anumite condiţii date, se pot întâlni toate sau majoritatea acestor tipuri de uzare, însă la un moment dat, acţiunea unuia dintre acestea poate deveni preponderentă, viteza de desfăşurare a acestuia depăşind-o pe aceea a celorlalte tipuri de uzare care se desfăşoară între suprafeţele aflate în frecare.

În continuare vor fi tratate succint principalele tipuri de uzări, mecanismele acestora, factorii de influenţă şi comportarea principalelor materiale tehnice la uzare.

7.1.- Uzarea adezivă sau de contact

4

(7.1)

(7.2)

7.1.1.- Mecanismul uzurii de contact

Uzura adezivă sau de contact apare practic în toate formele de frecare când suprafeţele solide conjugate nu mai sunt separate complet prin filmul de lubrifiant, fie datorită ungerii insuficiente, fie datorită vâscozităţii necorespunzătoare a lubrifiantului.

Mecanismul uzurii de contact se bazează pe sudarea şi ruperea punţilor de sudură ce apar între asperităţile opuse, care vin în contact în punctele în care filmul de lubrifiant este întrerupt. Asperităţile în contact suportă sarcini extrem de ridicate sub efectul cărora suferă o deformare plastică şi uneori chiar formarea unor microsuduri punctiforme. Forţa de frecare rezultă din efortul ce trebuie depus pentru forfecarea acestor microsuduri, prin deplasarea relativă a suprafeţelor, uzura adezivă fiind consecinţa acestui proces. Mecanismul uzurii de contact ar fi următorul : presupunând că microsudurile au aceeaşi rezistenţă la rupere ca materialele de bază sau mai mică, atunci ruperea se va produce chiar la nivelul sudurii. Dacă rezistenţa lor este mai mare decât cea a materialelor de bază, atunci ruperea va avea loc fie în materialul mai moale, cu transfer de material de pe o suprafaţă pe cealaltă, fie în ambele suprafeţe, cu eliberarea particulelor desprinse.

In funcţie de natura materialelor, a sarcinilor, vitezelor de alunecare şi implicit a temperaturilor, procesul de uzare adezivă sau de contact poate evalua diferit, conducând fie la îmbunătăţirea calitativă a suprafeţelor, prin diminuarea progresivă a asperităţilor prin rodaj, fie la degradarea lor printr-un mecanism autoaccelerator care conduce în final la griparea suprafeţelor .

Gripajul este un proces de degradare intensă a suprafeţelor, determinat de încălzirea excesivă a zonei de frecare până la temperatura de topire a materialului. Gripajul apare de regulă în condiţiile unei frecări intense, la viteze şi încărcări specifice mari, în lipsa lubrifiantului, condiţii care ridică foarte mult regimul termic pe suprafeţele în frecare, provocând starea de plasticitate termică a metalelor. Profunzimea de acţiune a procesului de gripaj în stratul superficial al suprafeţelor în frecare este cuprins, conform observaţiilor celor mai mulţi cercetători, între 0,005 şi 0,080 mm. In această zonă de interacţiune se produc modificări structurale profunde care atrag după sine schimbări radicale ale caracteristicilor mecanice.

Dintre factorii legaţi de condiţiile de lucru, influenţa sarcinii este strâns legată de natura materialelor cuplei de frecare (tab.7.4). De asemenea, sarcina este corelată şi cu macro- şi microgeometria pieselor ( pentru o suprafaţă aparentă de contact de 280 mm2, o cuplă de frecare fontă/oţel gripează la o presiune de circa 4,8 Mpa, în timp ce în cazul contactului liniar, acesta creşte la 16 Mpa).

Tab.7.4.- Presiunea de gripare în cazul unor suprafeţe insuficient lubrifiateCupla Presiunea de gripare,

MPaOţel forjat/Oţel forjatOţel/FontăFontă/Oţel forjatBronz/Fontă

1,6 5,0 5,5 7,0

Apariţia legăturilor metalice între două suprafeţe în frecare este condiţionată de :- existenţa peliculelor adsorbite, peliculelor de oxizi ş.a., care elimină posibilitatea

contactului direct intermetalic;- structura cristalină a suprafeţelor în contact, care nu trebuie să favorizeze apariţia

legăturilor metalice.

5

- distanţele între suprafeţele în contact, care trebuie să fie de ordinul dimensiunilor reţelelor atomice ale materialelor respective;

Uzura adezivă sau de contact mai poate apărea şi ca un proces de tăiere sau zgârâiere a materialului mai moale de către asperităţile materialului mai dur, cu dislocarea de material sau numai cu deformarea materialului din suprafaţa mai moale.

7.1.2.- Factorii care intervin în uzura adezivă sau de contact

Factorii care influenţează comportarea la uzura adezivă sau de contact a suprafeţelor sunt:

a.- factori legaţi de natura materialului : compoziţia chimică, structura, proprietăţile mecanice şi starea de tensiuni a stratului superficial;

b.- factori legaţi de condiţiile de funcţionare :sarcina, viteza de alunecare, temperatura;

c.- alţi factori : rugozitatea suprafeţelor, natura mediului lubrifiant. a.- Natura materialelor. Susceptibilitatea la sudare este destul de mult influenţată

de compatibilitatea (gradul de adeziune) reciprocă a materialelor care vin în contact, în funcţie de diametrele atomice ale acestora şi de capacitatea lor de a da aliaje tip soluţii solide interstiţiale sau de substituţie.

In funcţie de tendinţa la sudare a metalelor şi aliajelor în contact adeziv, cuplurile de frecare pot fi clasificate în patru grupe:

- cupluri de materiale ale căror elemente au solubilitate reciprocă totală (exemplu: Cu – Ni, etc.), caracterizate prin coeficient mare de frecare, frecare şi încălzire excesive şi ca urmare topirea superficială a materialelor şi gripajul intens;

- cupluri de materiale ale căror elemente constitutive au solubilitate totală în stare solidă, dar care pot forma compuşi intermetalici (exemplu : Fe-Ni). Comportarea acestei clase de materiale este asemănătoare cu cea a cuplurilor anterioare;

- cupluri de materiale cu solubilitate redusă în stare solidă, dar care formează compuşi intermetalici definiţi (Zn-Fe, Sn-Cu, Al-W). Prezenţa acestor compuşi determină locul ruperii microsudurilor : în metalul de bază mai moale, cazul cuplurilor Sn-Cu sau Al-W, ori chiar în puntea de sudură, când aceasta prezintă rezistenţă mai slabă decât a metalelor de bază, cazul cuplului Zn-Fe;

- cupluri de materiale ale căror elemente nu pot forma aliaje (total insolubile în stare solidă, de exemplu: Mo-Cu, Ag-Fe, Pb-Fe). În condiţii de frecare adezivă şi în acest caz pot să apară topiri locale, de regulă, în cazul celui mai moale metal.

Două metale vor da prin frecare o uzură de contact minimă dacă sunt cuplate ţinând cont ca ele :

- să fie insolubile unul într-altul, să nu formeze compuşi intermetalici definiţi şi nici aliaje (de exemplu, Fe/Ag, Fe/Sn, Fe/Pb, Cu/Pb, Cu/Mo şi chiar Cr/Cu, Cr/Ag) ; perechile care pot conduce la soluţii solide (de exemplu, Fe/Cr, Fe/Cu, Fe/Ni, Cu/Ni, Cu/Al, Al/Ag) constituie suprafeţe de frecare necorespunzătoare ;

- unul dintre metale să fie plasat în dreapta coloanei Ni-Pt a sistemului periodic al elemente.

Aliajele antifricţiune se caracterizează prin faptul că au o slabă tendinţă de a se suda pe fusul de oţel, ceea ce le conferă o bună rezistenţă la gripaj. In ceea ce priveşte structura metalografică a materialelor, practica a arătat că existenţa anumitor constituenţi în masa materialului şi suprafaţa activă de lucru măreşte simţitor rezistenţa la uzare a materialelor respective. In cazul în care materialele ce alcătuiesc cuplul de frecare sunt identice, uzura de contact este mai intensă, chiar la sarcini mici, aceasta ca urmare a faptului că la punctele de contact aceste materiale pot forma cu uşurinţă microsuduri.

6

b.- Factorii funcţionali. Efectul sarcinii se manifestă întotdeauna prin modificarea regimului termic la punctele de contact intermetalic, intensificând procesul de formare a microsudurilor, provocând totodată şi unele modificări structurale superficiale ale suprafeţelor de contact.

Influenţa sarcinii este strâns legată de micro şi macrogeometria suprafeţei. Contactul direct dintre suprafeţele metalice în frecare sub sarcini scăzute, dar la viteze de alunecare mari conduce în general la uzuri prin smulgerea metalului şi prin formarea de microsuduri mai mult sau mai puţin localizate. Aceste aspecte ale alterării suprafeţelor pot apărea pe porţiuni mai întinse sub forma gripajului generalizat, uzura putându-se limita în acest caz la un transfer de material de pe o suprafaţă pe alta, fără o eliberare propriu-zisă de particule de uzură izolate.

Sarcinile ridicate determină în contactul direct dintre suprafeţele în frecare creşteri importante ale temperaturii care favorizează apariţia efectelor uzurii adezive şi anume : deformări plastice, topiri de material şi gripaj.

În procesele de contact, efectele vitezei apar mai ales indirect, constând în special din modificarea regimului termic. Observaţiile experimentale arată că frecarea, sarcina de gripaj şi uzura cuplului de frecare scad cu creşterea vitezei.

Sub efectul temperaturilor excesive în straturile superficiale se pot produce modificări structurale şi de tensiuni ce atrag după sine modificarea proprietăţilor şi micşorarea rezistenţei la uzare. Regimul termic ridicat poate favoriza apariţia pe suprafeţele metalice în frecare a cel puţin trei fenomene : microsudarea în punctele de contact (scuffing), formarea unei pelicule de oxid şi formarea stratului Beilby, strat complex constituit din cristale sfărâmate, frânturi de oxizi, cărbune amorf, oxigen adsorbit etc. şi care se comportă ca un strat de protecţie dur.

c.- Alţi factori care influenţează uzura adezivă. Microgeometria suprafeţelor (rugozitatea) în frecare influenţează simţitor comportarea suprafeţelor metalice la uzura de contact. Suprafeţele mai rugoase prezintă o viteză de uzură mai mare decât cele cu grad mai mare de finisare. Suprafeţele fin prelucrate prezintă însă dezavantajul că dau forţe de atracţie moleculare mult mai mari, contribuind la creşterea forţei de frecare dintre suprafeţele de frecare aflate în mişcare relativă.

Natura şi caracteristicile lubrifiantului joacă de asemenea un rol important în reducerea uzurii adezive.

7.2.- Uzura abrazivă

Uzura abrazivă este procesul de degradare a suprafeţelor în frecare, în prezenţa particulelor abrazive, prin acţiuni mecanice de zgârâiere, microaşchiere şi deformări elasto-plastice repetate prin care se ajunge la îndepărtarea de microvolume de material, ceea ce conduce la modificarea jocurilor în ajustaje, la schimbarea dimensiunilor şi formei geometrice cu repercursiuni negative asupra consumului energetic, a productivităţii muncii şi calităţii produselor prelucrate.

Dintre mecanismele uzării abrazive, microaşchierea şi zgârâierea sunt procesele ce au ponderea cea mai mare în degradarea suprafeţelor. Formarea zgârâieturilor prin pătrunderea şi deplasarea unui penetrator presupune formarea unor aglomerări de metal în faţa acestuia şi lateral. Deteriorarea prin scoaterea de material este posibilă când densitatea amprentelor a devenit suficient de ridicată, astfel încât capacitatea de deformare să fie depăşită. Datorită ecruisării, materialul de pe marginile zgârâieturilor se fragilizează, formându-se un număr

7

mare de fisuri ce favorizează desprinderea de particule de material la noi deplasări ale penetratorului (particula abrazivă).

In general, teoretic, putem întâlni următoarele tipuri de tribosisteme abrazive (fig.7.4): Tzi – tribosisteme abrazive cu particule interpuse, cu elementele E1 şi E2 în mişcare de alunecare (fig.7.4,a) sau de rostogolire (fig.7.4,b) ; Tzm – tribosisteme cu abraziv aglomerat sub formă de masă abrazivă (fig.7.4,c) sau monolit abraziv (fig.7.4,d) ; Tzf – tribosisteme cu particule abrazive antrenate în curent de fluid, hidroabrazive (fig.7.4,e) sau gazoabrazive (fig.7.4,f).

In reprezentarea generală a acestor tribosisteme, triboelementele (elementele constitutive ale cuplei de frecare) sunt notate cu E1 şi E2; mediul abraziv interpus sau, uneori, chiar materialul prelucrat ce are aptitudini abrazive, este notat cu E3 ; mediul ambiant în care se desfăşoară procesul de uzare caracterizat prin umiditate, temperatură, agresivitate chimică etc. este notat cu E4.

Fig.7.4.- Structura tribosistemelor abrazive

7.2.1.- Factorii care influenţează abraziunea

Factorii care influenţează uzura elementelor în tribosistemele abrazive sunt sintetizaţi în tab.7.5.

Tab.7.5.- Factorii care influenţează uzura în tribosistemele abrazive

Atenţie – tab.7.5 – în document separat – pagina întoarsă pe lungime

8

INTERNI DE INTERACŢIUNE EXTERNIStratul superficial

Natura materialelorCompoziţia chimicăStructuraProprietăţile fizico-mecaniceStarea de tensiuni

Mecanici

Modificarea reliefului stratului superficialDeformarea elasto-plastică a grăunţilor cristalini din stratul superficial

Energetici

Tipul solicitărilorFrecvenţa solicitărilorAmplitudinea solicitărilorPresiunea pe suprafaţa de frecare

Geometria elementelor

Forma şi dimensiunile constructiveGeometria tăişului sculelor de lucrat solulParametrii de montaj Fizici

Temperatura în zona de contactModificarea structurii şi substructurii stratului superficialModificarea proprietăţilor stratului superficial; durificarea sau dedurificarea acestuiaForţa şi coeficientul de frecareAdsorbţia pe suprafaţa de frecare a apei sau altor substanţe

Cinematici

Viteza de deplasareDrumul de frecareTraiectoria de mişcare

Mediul abraziv

Tipul şi caracteristicile fizico-mecanice ale abrazivuluiStarea de aglomerare: liber, fixatForma şi dimensiunile particulelor abraziveCantitatea de particule abraziveDistribuţia granulometrică

Chimici CoroziuneaFuncţionali sau de exploatare

Viteza de avans în sol sau rocăDimensiunile aşchiei sau brazdei de sol tăiateTemperatura mediului înconjurătorUmiditateaAgresivitatea chimică a mediului

7.2.1.1.- Natura materialelor

Natura materialelor influenţează procesele de abraziune în special prin duritatea şi plasticitatea lor. Condiţia principală care face posibilă apariţia uzurii abrazive este diferenţa de duritate dintre materialul triboelementelor şi materialul abraziv. Dacă materialul metalic e mai dur decât materialul abraziv, uzura este minimă, iar dacă este mai moale, uzura este maximă. Intre acestea există o zonă de creştere bruscă (fig.7.5). Acest domeniu este îngust la metalele omogene şi mai mare la cele eterogene, corespunzător durităţii variabile a constituenţilor structurali. Dependenţa uzurii de duritatea materialelor în contact poate avea patru aspecte de bază (fig.7.6, unde Ha – duritatea abrazivului; Hm – duritatea materialului pieselor sau sculelor):

Teză de doctorat

9

Fig.7.5.- Caracterul uzurii materialelor Fig.7.6.- Tipuri de curbe de uzare funcţie de duri-funcţie de duritatea abrazivului tatea materialelor încercate

a.- când Ha>>Hm , n=1 (n – numărul de cicluri de interacţiune dintre abraziv şi materialul încercat), degradarea se produce la primul act de interacţiune (forma I) ;

b.- când HaHm, n 1 (forma II), uzura este proporţională numai pe porţiunea A, după care, la atingerea unei durităţi date, uzura variază după o curbă (porţiunea B), ceea ce demonstrează modificarea mecanismului de distrugere a stratului superficial, de cele mai multe ori datorate apariţiei fenomenelor şi proceselor corosiv-mecanice;

c.- când Ha Hm , n 1 , Kd 1 (forma III), uzura scade mai întâi liniar (porţiunea A), apoi neliniar (porţiunea B), după care începe o creştere rapidă (porţiunea C). Creşterea uzurii pe porţiunea C este determinată de mărirea durităţii aliajului care va determina pericolul de distrugere fragilă ;

d.- când Ha Hm, n = 1, Kd 1 (forma IV), porţiunea liniară a curbei (porţiunea A) este urmată de o creştere rapidă (porţiunea B) determinată tot de tendinţa aliajului de distrugere fragilă.

In expresiile de mai sus, Kd este dat de raportul dintre valoarea durităţii materialului încercat (Hm) şi cea a abrazivului (Ha) :

Kd = Hm / Ha (7.1)

Valoarea critică a acestui criteriu este Kd = 0,5 … 0,7 . Pentru Kd 0,5 este posibilă degradarea directă a materialului, iar pentru Kd 0,7, procesul de uzare se desfăşoară la număr mare de cicluri cu reducerea bruscă a intensităţii pe măsura creşterii raportului Kd .

In tab.7.6 sunt prezentate comparativ valorile durităţii principalilor constituenţi metalografici prezenţi în structura aliajelor metalice şi ale unor minerale .Hruşciov şi Babicev dau pentru rezistenţa la uzare a straturilor superficiale degradate în regim de microzgârâiere (încercări de uzare pe pânză abrazivă) o dependenţă care, pentru metale tehnic pure şi pentru oţeluri recoapte, este legată de duritatea Vickers prin relaţia :

= k HV (7.3)unde k este o constantă (fig.7.7,a).

Pentru oţelurile de construcţie St 40, Y8, Y12 şi X12 în stare călită şi revenită la diferite temperaturi, dependenţa rezistenţei relative la uzare de duritatea Vickers este de forma :

= rel. + k ( HV – HV0 ) (7.4)unde : k este o constantă ; rel. şi HV0 – rezistenţa relativă la uzare şi duritatea materialelor în stare recoaptă ; HV – duritatea după călire şi revenire. Dependenţa grafică este dată în fig.7.7,b. Rezistenţa relativă la uzare a metalelor şi oţelurilor ecruisate, la care procesul de ecruisare nu produce transformări fazice, nu depinde de duritate, determinând după ecruisare fie o scădere, fie o creştere uşoară a ei (fig.7.7,c).

Tab.7.6.- Durităţile comparative ale unor constituenţi metalografici şi ale unor mineraleConstituentul structural Duritatea Vickers Mineralul abraziv Duritatea VickersFeritaPerlita nealiatăPerlita aliatăAustenita (oţel cu 12%Mn)Austenita slab aliatăMartensitaCementita

70 …200250 … 320300 … 460170 … 230250 … 350500 … 1010840 … 1100

TalcCărbuneGhipsCalcarFluorurăApatităSticlă

203540140190540500

10

Carbura de crom (Cr7C3)Mo2CWCVCTiCB4C

1200 … 160015002400280032003700

FeldspatSilexCuarţTopazCarbura de siliciu (SiC)Diamant

600 … 750950900 … 12801430260010000

Fig.7.7.- Rezistenţa relativă la uzare, rel., determinată prin încercări de uzare pe pânză abrazivă (după Hruşciov şi Babicev), în funcţie de duritate, pentru diferite metale : a.- metale tehnic pure şi oţeluri carbon în stare recoaptă; b.- oţeluri St 40, Y8, Y12 şi X12 călite şi revenite la diferite temperaturi; c.- materiale cu diferite grade de ecruisare prin deformare plastică la rece: metale tehnic pure (Al, Cu, Ni); 1 – alamă cu 20%Zn; 2.- bronz cu Al (5%Al) după recoacere şi ecruisare; 3.- bronz cu beriliu (3%Be) după călire şi ecruisare; 4.- oţel austenitic (0,2%C, 18%Cr, 9%Ni) ecruisate; 5.- oţel St 40 după călire şi revenire la diferite temperaturi; 6.- oţel St 40 cu diferite grade de ecruisare după recoacere; 7, 8, 9 şi 10, acelaşi oţel cu diferite grade de ecruisare după călire preliminară şi revenire la 6000C, 4500C, 3000C şi respectiv 1500C.

Rezistenţa relativă la uzare a materialelor metalice în stare recoaptă este strâns legată de modulul de elasticitate E, fiind exprimată cu relaţia : = k E1,3 (7.5) care este valabilă pentru metalelor tehnic pure, o serie de aliaje, toate în stare recoaptă şi chiar pentru nemetale. Aceeaşi relaţie nu mai este valabilă în cazul oţelurilor călite sau călite şi revenite, pentru care, modulul de elasticitate longitudinal care este o caracteristică fizico-mecanică insensibilă structural, nu se modifică sensibil prin tratament termic sau deformare plastică.

Pentru alegerea stării structurale trebuie să se ţină seama de criteriul durităţii. Folosind acest criteriu se pot alege convenabil acele structuri care, în cazul unui abraziv dat, să asigure o uzură minimă şi durabilitate maximă în exploatare.

In condiţiile de lucru ale sculelor care lucrează în contact cu materiale abrazive este necesar să se ţină seama de încărcarea dinamică şi rezistenţa aliajului în condiţiile de încărcare date. In acest caz, duritatea optimă poate fi stabilită cu relaţia :

Hm optim = 0,8 Ha Kd Kn

(7.6) sau se ia între limitele :

9 N/m2 Hm optim 0,8Ha

(7.7)unde Kn este un coeficient dat de raportul dintre rezistenţa aliajului şi cea a unui material etalon de comparaţie.

Cunoscând că degradarea directă prin abraziune este posibilă numai pentru Kd 0,5, din tab.7.3 şi potrivit relaţiilor (7.2) şi (7.3) se poate trage concluzia că structurile de echilibru (feritice, perlitice, austenitice) nu sunt corespunzătoare, ele asigurând o uzură avansată. O particularitate aparte prezintă austenita înalt aliată cu mangan care are capacitate mare de durificare prin ecruisare şi a cărei rezistenţă la uzare creşte odată cu creşterea

11

gradului de ecruisare. Ecruisarea acestei structuri este posibilă în cazul unei exploatări în condiţii de abraziune cu sarcini dinamice prin şoc şi a unor presiuni specifice mari.

Structura care asigură rezistenţă maximă la uzare este martensita, dar din cauza fragilităţii ridicate, adesea este înlocuită cu martensita de revenire sau cu bainita. Structura bainitică obţinută prin călire izotermă prezintă avantajul că fără a fi necesară o revenire ulterioară prezintă o duritate ridicată asociată cu o bună tenacitate. Chiar la durităţi mai mici, structura bainitică poate asigura rezistenţe comparabile cu cele ale structurilor martensitice.Deşi au duritate mică, pentru unele condiţii de uzare abrazivă, o largă aplicabilitate o au masele plastice. Utilizarea acestor materiale la căptuşirea rotoarelor de la celulele de flotaţie conduce la o creştere a duratei de exploatare de două ori mai mult faţă de cazul când acestea erau confecţionate din oţeluri. În acest caz, alături de rezistenţa la uzare, s-a dovedit a fi importantă şi rezistenţa la acţiunea mediului agresiv chimic.

Rezistenţa relativă la uzare a unor mase plastice, după M. M. Tenenbaum, este dată în tab.7.7.

Tab.7.7.- Rezistenţa relativă la uzare, rel , a maselor plasticeMaterialul Pânză abrazivă Korund CuarţPolimetilmetacrilatFtoroplast – 4PlietilenăKapronPoliamidă P – 68PolistirolViniplastEbonităOţel St 3

1,001,093,5710,002,5 … 6,251,961,411,3725,00

1,000,971,402,362,420,981,12-9,70

1,003,1 … 4,91,86 … 2,159,3 … 12,67,9 … 9,90,691,7 … 2,82,5531,50

În funcţie de rezistenţa la uzare, în ordine descrescătoare, principalele materiale de utilizare curentă se prezintă astfel:

1.- fonte albe înalt aliate cu crom (8…32% Cr);2.- fonte albe mediu aliate martensitice;3.- fonte albe nealiate;4.- Oţeluri martensitice cu conţinut mediu şi ridicat de carbon;5.- Oţeluri austenitice înalt aliate cu mangan;6.- Oţeluri cu perlită fină slab aliate;7.- Oţeluri nealiate.Între aceste materiale pot fi incluse şi aliajelor dure turnate, pe bază de fier (sormait,

vanidur, tinidur şi stelit) utilizate pentru încărcare în vederea durificării suplimentare sau recondiţionării, sau sub formă de plăcuţe sinterizate.

7.2.1.2.- Natura mediului abraziv.

Coeficientul de frecare şi intensitatea procesului de uzare abrazivă depind de forma, dimensiunile particulei abrazive şi de raportul dintre duritatea materialului abraziv şi cea a suprafeţelor metalice.

La contactul cu particule abrazive de anumite forme, dimensiuni şi proprietăţi, apăsate cu diferite sarcini pe suprafaţa corpurilor în frecare, în stratul superficial se formează un spectru larg de tensiuni de contact. Pe porţiunile aflate în contact cu particule abrazive, tensiunile de contact pot fi caracterizate cu o relaţie generală de forma :

m = f (rI , KI , PI , FI ) (7.8) unde : rI este raza ariei de contact a particulei abrazive cu suprafaţa de frecare; K i –

12

indicatorul proprietăţilor mecanice (duritate, rezistenţă, modul de elasticitate etc.); P I – sarcina normală aplicată asupra particulei; FI – forţa tangenţială care fixează particula, împiedicând deplasarea uneia în raport cu celelalte vecine (această forţă determină gradul de “consolidare” a particulelor abrazive).

Forma particulelor abrazive, felul muchiilor lor – ascuţite sau rotunjite , netede sau rugoase – determină severitatea procesului de uzare şi calitatea suprafeţelor nou formate. În timpului procesului de uzare particulele abrazive se pot fragmenta, fărâmiţa, încât intensitatea procesului scade. După gradul de fixare particulele abrazive se împart în două grupe : fixate (pânză abrazivă, abraziv monolit etc.) şi nefixate (masă abrazivă, sol etc.). Pentru materialele abrazive se poate defini abrazivitatea ca fiind capacitatea acestora de a degrada prin uzare straturile superficiale ale pieselor sau sculelor care vin în contact cu ele. Abrazivitatea depinde nu numai de proprietăţile fizico-mecanice ale materialului abraziv ci şi de starea sa de agregare (densitate, umiditate, compactitate etc.), precum şi de caracterul interacţiunii particulelor abrazive cu stratul superficial. Principalii factori care determină abrazivitatea sunt prezentaţi în tab.7.8.

Tab.7.8.- Factorii care determină abrazivitateaMărimea FactoriiFactorii care determină tensiunea de contact

Proprietăţile şi starea de agregat ale materialului prelucrat

Capacitatea de a crea tensiunea de contact Rezistenţa materialului abraziv; geometria suprafeţei de contact

Sarcina normală asupra granulei abrazive Duritatea agregatului; densitatea masei abrazive; sarcina pe scula de lucru; rigiditatea corpurilor în frecare; masa şi viteza de deplasare a particulelor abrazive

Gradul de fixare al granulelor abrazive Rezistenţa materialului abraziv; duritatea agregatului; densitatea masei abrazive

In forma generală, coeficientul de abrazivitate poate fi descris de o relaţie de forma :Ka = f ( N, Ha , ra , Qa , va , w , a , Kf ) (7.9)

unde : N este sarcina normală asupra granulei abrazive; Ha – duritatea abrazivului; ra – dimensiunea geometrică a particulelor abrazive; Qa – cantitatea de particule abrazive; va – viteza relativă a particulelor abrazive; w – umiditatea materialului abraziv; a – rezistenţa abrazivului; Kf – coeficient ce ţine seama de gradul de fixare al particulelor.

In cazul cuplelor de frecare cu abraziv interpus, dacă dimensiunile particulelor sunt inferioare grosimii peliculei de lubrifiant, acestea pot circula nestingherit prin interstiţiul dintre suprafeţe sau se pot depune în golurile dintre asperităţi, fără a provoca uzuri excesive. Abrazivul interpus între aceste suprafeţe de frecare provine fie din aerul atmosferic, fie prin alte procese (nisip de turnare, oxizi mai duri ca materialul de bază sau particule de uzură adezivă a căror duritate a fost mărită sub efectul ecruisajului succesiv ; în cazul motoarelor cu ardere internă mai pot interveni şi particule cărbunoase rezultate prin arderea combustibililor, în special cei grei).

În ceea ce priveşte duritatea, dacă suprafeţele au durităţi superioare abrazivului, intensitatea procesului de uzare este scăzută. În cazul în care duritatea abrazivului depăşeşte duritatea materialului cu care vine în contact, efectul său este mai distrugător având consecinţe mult mai grave.

7.2.1.3.- Alţi factori care influenţează asupra procesului de uzare abrazivă

13

In acţiunea abrazivă a unor materiale, sarcina care apasă asupra particulei abrazive pare să aibă o acţiune preponderentă. De asemenea, în cazul particulelor abrazive vehiculate cu viteze mari de circulaţie, energia cinetică a acestora este un factor care poate determina intensitatea de degradare a straturilor superficiale ale suprafeţelor cu care vin în contact.

Umiditatea constituie o altă mărime fizică ce poate influenţa intensitatea de uzare. În cazul solurilor, spre exemplu, coeficientul de frecare de alunecare dintre suprafaţa metalică şi sol poate prezenta o variaţie ca în fig.7.8,a. Creşterea pronunţată a coeficientului de frecare până la o anumită valoare a umidităţii se explică prin creşterea forţelor de atracţie moleculară a particulelor solului faţă de suprafaţa metalică, după care se înregistrează o scădere datorită proprietăţii de ungere a apei ce se interpune între suprafaţa metalică şi sol.

Influenţa umidităţii depinde de tipul solurilor (fig.7.8,b). In solurile nisipoase, deşi coeficientul de frecare este mai mic decât în cele argiloase, uzura este mai mare. În solurile argiloase, rolul de lubrifiant al apei este mai important decât în cele nisipoase.

Fig.7.8.- Influenţa umidităţii asupra:a.- uzurii metalelor; b.- intensităţii procesului de uzare, pentru diferite tipuri de soluri.

Alţi factori care mai pot influenţa procesul de uzare abrazivă sunt temperatura mediului de lucru, agresivitatea chimică a acestuia etc.

7.2.2.- Tipuri de uzare abrazivă

7.2.2.1.- Uzura în masă abrazivă

Acest tip de uzare este specific maşinilor agricole de prelucrat solul, maşinilor terasiere, de construcţii, maşinilor de exploatare a minereurilor etc.

Factorii de bază care determină uzura sunt proprietăţile abrazive ale solurilor şi particulelor transportate, încărcarea şi viteza de deplasare a particulelor, proprietăţile fizico-mecanice ale materialelor etc. Abrazivitatea solurilor este cu atât mai mare cu cât conţinutul de particule abrazive este mai ridicat, particulele sunt mai mari şi mai ascuţite, iar gradul de fixare a lor este mai puternic. Gradul de fixare particulelor depinde de umiditate şi de gradul de îngheţare.

Capacitatea de abrazare a diferitelor soluri este : argilă 1,0; nisip 1,5 : sol argilo-nisipos 1,9 ; soluri nisipoase 2,3.

7.2.2.2.- Uzura pieselor cuplelor de frecare cu abraziv interpus în zona de contact

Cu toate că se folosesc mijloace moderne de protecţie (filtre de aer sau de ulei, etanşări etc.), practic, adesea în jocul îmbinărilor, articulaţiilor sau altor cuple de frecare, pătrund particule abrazive din exterior sau chiar produse de uzură care, ecruisate puternic, pot avea acţiuni abrazive.

14

Cu mărirea concentraţiei şi dimensiunilor particulelor abrazive introduse în jocul îmbinărilor, uzura creşte. Un rol important îl joacă proprietăţile mecanice ale particulelor abrazive, uzura îmbinărilor încărcate greu fiind legată de capacitatea lor de sfărâmare. Cu cât particula abrazivă este mai rezistentă cu atât mai mare este adâncimea de pătrundere şi odată cu aceasta uzura materialului.

Fărâmiţarea particulelor nu se observă în cazul contactului oţel – mase plastice întrucât particulele abrazive pătrund aproape complet în masa plastică, ceea ce conduce la reducerea acţiunii abrazive a acestora în cazul cuplelor de frecare căptuşite cu mase plastice sau cu cauciuc.

Ca urmare a sfărâmării puternice a particulelor abrazive în zona de contact a roţilor dinţate, rulmenţilor, articulaţiilor sferice greu încărcate dependenţa uzurii de sarcina exterioară este slabă, tensiunile de contact fiind determinate de rezistenţa particulei abrazive.

Pentru frecarea cu abraziv dur, rezistent şi puternic fixat, la sarcini şi viteze nu prea mari, uzura olumică Uv este dată de relaţia :

unde N este sarcina ; s – drumul de frecare ; d – dimensiunea grăunţilor abrazivi ; HV0 – duritatea iniţială a metalului ; k – coeficient care depinde de capacitatea abrazivului de a uza suprafaţa, de condiţiile şi metoda de fixare a probei.

Analiza şi evaluarea vitezei de uzare ( m/h) a elementelor cuplelor de frecare cu rostogolire (roţi dinţate, transmisii cu fricţiune, rulmenţi) pot fi efectuate iniţial din condiţiile acţiunii abrazive A, proprietăţile fizico-mecanice ale materialelor M1(2) şi parametrii geometrici ai îmbinării K1(2) :

unde : A = qa2/3R0,5 2,5 ( qa – concentraţia particulelor abrazive în aer sau lubrifiant, în %;

R – raza lor medie, în mm; - rezistenţa, în Mpa) ; M1(2) = 1(2) HB1(2) HB2(1) , ( 1(2) - caracteristica de plasticitate a stratului superficial, sau alungirea relativă la rupere, în

%;

unde este raza curburii suprafeţelor conjugate ale îmbinării, în mm ; v1 şi v2 - vitezele

de alunecare ale suprafeţelor îmbinării, m/s ; n1(2) - timpul de încărcare, în minute. În aceste relaţii indexul 1 se referă la suprafaţa uzată , iar 2 – la cea conjugată din îmbinare. Dacă parametrul K1(2) se transformă astfel încât să se ţină seama de parametrii concreţi ai cuplei de frecare, se pot obţine relaţii pentru evaluarea elementelor sale. Pentru dinţii roţilor dinţate valoarea lui K este dată de relaţiile :

a.- pentru roţi dinţate evolventice1.- cu dinţi drepţi :

K = [2m(z1 + z2) sin w]0,5 yun

2.- cu dinţi înclinaţi :

15

b – pentru angrenaje tip Novikov :

În relaţiile de mai sus sunt făcute următoarele notaţii : m – modulul danturii, mm; z1 şi z2 – numărul de dinţi ai pinionului şi roţii conduse; şi w - unghiurile angrenajului; - unghiul de înclinare a dinţilor; kN – coeficientul profilului angrenajului Novikov, egal cu raportul dintre raza profilului dintelui şi modulul danturii; yu – coeficient geometric de uzură care ţine seama de distribuţia sa pe linia de angrenare; fa şi fl - coeficienţi care ţin seama de varianta de angrenare şi respectiv de metoda de ungere pentru angrenajele tip Novikov.

În domeniul presiunilor nu prea mari, în cazul cuplului de materiale oţel – mase plastice, uzura se măreşte considerabil cu mărirea sarcinii de încărcare. Pentru elementele cuplelor de frecare cu rostogolire (roţi dinţate, transmisii cu fricţiune, rulmenţi) uzura creşte liniar cu creşterea alunecării (patinării). Intensitatea de uzare depinde slab de viteza de rotaţie a articulaţiilor sferice, rulmenţilor sau transmisiilor dinţate cu viteză redusă sau medie. Influenţa cea mai mare o are duritatea materialelor elementelor cuplei de frecare. Cu cât duritatea este mai ridicată, cu atât uzura este mai mică.

7.2.2.3.- Uzura gazo- şi hidroabrazivă

Cele două tipuri de uzuri, gazo- şi respectiv hidroabrazivă, produse sub acţiunea particulelor dure antrenate de un curent de gaz sau de lichid, au multe în comun. Uzura depinde de viteza particulei, energia cinetică a acsteea şi de ughiul de înclinare a vectorului vitezei faţă de suprafaţa pieselor supuse uzării (unghiul de atac ). În afară de aceşti factori, uzura mai este influenţată de concentraţia, forma, duritatea şi rezistenţa la şoc a particulelor abrazive şi de proprietăţile fizico-mecanice ale materialului uzat.

Intensitatea de uzare este legată de viteza particulei printr-o relaţie de forma:I = k vm (7.10)

unde k este o constantă care depinde de proprietăţile materialelor uzate şi ale materialelor abrazive şi de unghiul de atac. Mărimea lui m pentru v 100 m/s are valoare constantă; pentru viteze mai mari valoarea lui se modifică în limite largi. Pentru oţelul St3 , m = 2,3; pentru oţeluri aliate : m = 2,5 … 4,5; fontă albă : m = 2,8; bazalt : m = 2,9.

Dependenţa rezistenţei la uzare de unghiul de atac în numeroase cazuri este exprimată printr-o curbă cu minim care corespunde unghiului de atac critic (cr.) ; mărimea sa pentru materialele nemetalice fragile apropiindu-se de 900, în timp ce pentru aliajele metalice scade pe măsură ce creşte plasticitatea, pentru oţel moale fiind de 30 … 400, iar pentru oţelurile călite, de 50 … 700. Mărimile m şi k se pot modifica în exploatare în funcţie de condiţiile de lucru.

Cu mărirea concentraţiei particulelor abrazive în curentul de transport intensitatea de uzare se poate reduce ca urmare a apariţiei efectului de ecranare de către straturi de material abraziv. Excepţie fac cauciucul sau gumele care la concentraţii mari se încălzesc şi se uzează puternic. Cu mărirea dimensiunilor particulelor abrazive antrenate de un curent de aer, până la 150 m, intensitatea de uzare creşte monoton, în timp ce la dimensiuni mai mari se pot stabili cele mai diferite dependenţe. In cazul antrenării cu curenţi de aer, un alt factor care influenţează intensitatea de uzare este umiditatea; intensitatea de uzare este mare la umidităţi până la 1,o … 1,5%, după care intensitatea procesului de uzare scade.

16

În domeniul de temperaturi între 20 … 4000C, intensitatea de uzare în curent de aer ce transportă particule abrazive se modifică nesemnificativ, iar în mediu neutru rămâne constantă. La temperaturi mai mari de 400 … 5000C, intensitatea de uzare a aliajelor metalice creşte mult, depinzând puternic de agresivitatea chimică a mediului.

La unghiuri mici de atac, influenţa proprietăţilor materialelor asupra rezistenţei la uzare este la fel ca în cazul uzurii în masă abrazivă. La unghiuri mari de atac ( 45 … 550

), legile de uzare se modifică, conducând la o inversare a seriei rezistenţelor la uzare. Dacă un oţel obişnuit tratat termic, la unghiuri mici de atac are rezistenţă la uzare mare, la unghiuri de atac peste 450, adeseori are o comportare exact inversă.

Folosind aliaje metalice de înaltă duritate se pot obţine rezultate foarte bune când Hm Ha . O oarecare mărire a rezistenţei la uzare se poate obţine şi atunci când duritatea abrazivului nu o depăşeşte mult pe cea a materialului (Ha / Hm 1,6) ; în acest caz un rol important îl joacă structura materialului.

In ultimul timp ca material de construcţie se foloseşte şi cauciucul, dar numai în cazul în care viteza şi concentraţia particulelor sunt reduse iar unghiul de atac nu prea mare. Materialele nemetalice fragile pot avea rezistenţe ridicate la uzare la unghiuri mici de atac, viteze scăzute şi abraziv mărunt.

Un caz particular în cazul uzurii hidroabrazive îl constituie uzura prin cavitaţie care presupune desfăşurarea concomitentă a acţiunilor curentului de lichid, particulelor abrazive şi efectului cavitaţional al bulelor de gaz. Prin spargerea bulelor de gaz de suprafaţa metalică se produc microdeformări plastice repetate care conduc la oboseala superficială a materialului. Ca urmare a oboselii se poate ajunge la depăşirea capacităţii de deformare a stratului, iar la noi implozii, se smulg microvolume de material din stratul superficial, pe suprafaţă rezultând ciupituri.

7.2.2.4.- Uzura prin impact

Acest tip uzare este specific multor maşini şi utilaje din diferite domenii industriale : petrolier, minier, de construcţii, agricultură etc. Acestui tip de uzură sunt supuse: perforatoarele roto-percutante, ciocanele perforatoare, organele active ale combinelor de cărbuni, pluguri percutante şi vibratoare, cupele şi dinţii excavatoarelor, blindajele morilor de măcinat minereu, malaxoare pentru betoane şi amestecuri asfaltice etc.

Uzarea de impact se poate produce şi în funcţionarea unor organe de maşini : came, roţi dinţate etc., atunci când odată cu rostogolirea sau cu alunecarea are loc şi un impact compus. În general uzarea de impact conţine mecanismele de bază ale uzării : adeziune, abraziune, oboseală superficială, uzare chimică şi termică.

Date despre rezistenţa la uzare a materialelor prin acest tip de uzare sunt insuficiente. Intensitatea de uzare depinde esenţial de energia de impact a abrazivului la contactul cu suprafaţa pieselor sau sculelor ; cu mărirea energiei de impact uzura pieselor creşte mai întâi liniar, apoi mult mai încet.

Prin şoc se înţelege totalitatea fenomenelor care apar la ciocnirea corpurilor între ele, prin care energia lor cinetică se transformă total sau parţial în energie de deformare. În urma impactului o parte din energia mecanică se poate transforma în căldură producând o încălzire de scurtă durată a stratului superficial. Comportarea materialelor la solicitări dinamice prin şoc este total diferită de cazul când ele sunt solicitate static (fig.7.9). Aplicarea forţelor prin şoc presupune creşterea şi descreşterea acestora într-un timp foarte scurt.

Curba la încărcări dinamice este întotdeauna deasupra curbei statice (fig.7.10). La deformarea prin şoc limita de elasticitate nu se măreşte, dar se măreşte considerabil limita de curgere şi cea de rupere.

17

Pătrunderea particulelor abrazive sub acţiunea şocurilor produce deformări elastice, plastice şi elastoplastice ale stratului superficial. Cum duratele de solicitare sunt scurte, încălzirile nu sunt puternice şi ca urmare, prin deformare se va produce de regulă o ecruisare a microvolumului de material deformat care constă într-un efect de durificare a acestuia. Efectul durificării dinamice este cu atât mai mare cu cât forţa de încărcare este mai mare. Peste anumite valori limită ale sarcinii de încărcare dinamică gradul de ecruisare se atenuează întrucât capacitatea de deformare a materialului scade, pentru deformare fiind necesare tensiuni din ce în ce mai mari. La depăşirea capacităţii de deformare stratul superficial se fragilizează puternic, ajungându-se la fărâmiţarea acestuia.

Fig.7.9.- Diagrama pentru oţeluri Fig.7.10.- Dependenţa dinamică a limitei de curgere la moi, la compresiune : tracţiune, funcţie de viteza şocului : 1 – dinamică ; 2 – statică 1-fier Armco, c=250Mpa;2 –oţel OLC45, c=410Mpa;

3 – 33MoCr11, c =640 Mpa; 40Cr10, c=1550 Mpa; 5 – RUL 1, c ? 2330Mpa.

Reducerea temperaturii conduce de asemenea la creşterea limitei de curgere. La solicitarea prin şoc mecanic este necesar să se ţină seama de tenacitatea

materialului în funcţie de care se poate determina caracterul deformării şi ruperii sale. Influenţe deosebite au compoziţia şi structura oţelurilor asupra tendinţei de rupere fragilă prin şoc. Asupra tenacităţii şi plasticităţii influenţează tratamentul termic, temperatura procesului şi viteza de deformare. La viteze mari ale şocului, durificarea prin deformare creşte cu creşterea vitezei. Tendinţa de rupere fragilă este cu atât mai mare cu cât viteza şocului este mai mare.

In cursul acţiunilor prin şocuri mecanice, în straturile superficiale sunt posibile şi anumite transformări fazice pentru anumiţi constituenţi structurali aflaţi în afară de echilibru (spre exemplu, transformarea austenitei reziduale în martensită).

De asemenea, se poate produce ecruisarea straturilor superficiale în urma deformării plastice, ca urmare a creşterii numărului de vacanţe, densităţii de dislocaţii, blocării dislocaţiilor în faţa barierelor întâlnite în cale. Dacă stratul superficial se fragilizează puternic se poate produce uneori chiar fărâmiţarea şi exfolierea acestuia. Prin deformări multiple prin şoc stratul superficial poate căpăta o structură puternic deformată formând un strat “alb”.

Dacă în urma şocului mecanic se produc încălziri puternice, în structurile de călire se pot produce transformări specifice revenirii, iar în cele ecruisate procese de recristalizare, care şi într-un caz şi în altul produc o dedurificare.

Uzura abrazivă în condiţii de şoc şi presiuni specifice mari nu este studiată de mult timp şi ca urmare nu există prea multe informaţii pentru includerea acestui mod de uzare în clasificarea generală.

Mecanismele principale de distrugere a stratului superficial sunt : - deformarea elasto-plastică ; transformări fazice şi structurale ; microaşchierea ; zgârâierea ; oboseala materialului la număr mic de cicluri de aplicare a sarcinii ; fărâmiţarea şi exfolierea stratului puternic fragilizat. Mecanismele principale sunt cele de durificare şi fragilizare a stratului şi

18

de oboseală a acestuia. Acţiunile erozive ale particulelor nu fac decât să intensifice procesul de degradare a stratului superficial.

Wellinger şi Breckel (1969) au stabilit pe cale experimentală următoarea relaţie pentru uzura (gravimetrică) rezultată :

Ug = KNc v (7. ) unde : K – constantă dependentă de material, masă şi geometrie (de exemplu, raza de curbură); v – viteza de impact; NC – numărul de cicluri; - coeficient, utilizat şi în studiile de eroziune.

Componenta vt a vitezei (viteza tangenţială de alunecare) are efecte importante la impactul compus. Principalii parametri care determină rezistenţa la impact depind de material (metale, polimeri, ceramică); spre exemplu, pentru metale menţionăm : E – modulul de elasticitate; - efortul unitar tangenţial; HB – duritatea; în timp ce pentru polimeri influenţează proprietăţile vâscoelastice şi efectele termice care depind de frecvenţa n (20 … 50 Hz).

În multe procese de impact, uzura nu evoluează liniar; de exemplu, la contacte hertziene uzura de impact se exprimă prin :

UI = KNcbNe = KNe

b3c (7. ) unde : N – forţa de contact; b şi c – constante(pentru suprafaţă de oţel şi frecare uscată sau limită, b 1 şi c 3); - vârful de presiune hertziană.

În cazul impactului seminţelor de cereale cu organele active (ciocanele) ale morii de măcinat cu ciocane, Tomescu D. a constatat apariţia unor cratere cu dimensiuni variate în funcţie de caracteristicile fizico-mecanice ale materialului ciocanelor şi ale materialului de prelucrat. Pentru viteza de uzare la impact a ciocanelor morii de cereale MC-5, Tomescu propune

unde : - coeficient ce caracterizează mărimea unghiului de impact; C – coeficient dependent de caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor; m1,2 – masa corpurilor în impact; v1 – viteza bobului; v2 – viteza ciocanului ; HB – duritatea ciocanului netratat.

Pentru ciocanele tratate termic relaţia dată de acelaşi autor, pentru viteza de uzare, este de forma :

unde: - coeficient care depinde de conţinutul în carbon al oţelului pentru ciocane ( = 0 …1); HB0 – duritatea metalului netratat, iar HB – duritatea metalului tratat termic.

Principalele tipuri de uzare abrazivă prin şoc sunt următoarele : - cu abraziv monolit:- gazo- şi hidroabrazivă prin şoc;- oboseală prin şoc.

Fiecare aspect de uzare abrazivă prin şoc determină un anumit macro şi microrelief al suprafeţei uzate. Intensitatea de uzare specifică tuturor acestor tipuri este foarte mare şi ca urmare durabilitatea în exploatarea a pieselor sau sculelor care lucrează în aceste condiţii este din cele mai scăzute.

7.3.- Uzura prin oboseală superficială

Producerea uzurii prin oboseală superficială este determinată în principal de condiţiile care determină mai întâi oboseala materialului, adică de prezenţa solicitărilor variabile care

19

produc modificări structurale ireversibile datorită cărora caracteristicile mecanice se înrăutăţesc. Formele principale prin care se manifestă acest tip de uzură sunt : uzura prin ciupituri (pitting), exfolierea, cavitaţia, coroziunea de fretare etc.

Pittingul este un proces de degradare intensă a suprafeţelor în contact, întâlnit în cazul cuplelor de frecare cu contacte punctiforme sau liniare (de exemplu, căile de rulare ale rulmenţilor sau flancurile roţilor dinţate), îndeosebi la durităţi sub HB 350 după cel puţin 104 cicluri (treceri), determinat de deformaţia plastică şi de tensiunile remanente din stratul superficial. Se recunoaşte sub formă de caracteristică de gropiţe sau ciupituri, diferite de cele de adeziune provocate prin smulgeri. Odată cu pittingul de oboseală pot să apară şi smulgeri de material prin adeziuni locale şi chiar acţiuni abrazive provocate de particulele de uzură desprinse şi ecruisate ulterior. La roţile dinţate aceste tipuri de uzare contribuie uneori şi la subţierea dintelui. Datorită acţiunilor adezive şi mai ales abrazive, uneori pittingul incipient poate fi şters. Fenomenul de producere a pittingului este destul de complex, fiind rezultatul interacţiunii a numeroşi factori, atât în cazul rostogolirii pure cât şi în cazul rostogolirii cu alunecare.

Încercările experimentale efectuate de-a lungul timpului de numeroşi cercetători au demonstrat că apariţia pittingului are loc la durităţi HB350 , după cel puţin 104 cicluri (treceri). Totodată s-a constatat că este necesară prezenţa unui film de lubrifiant, rolul lubrifiantului fiind acela de a propaga fisura de oboseală. După Graham, în cazul metalelor, valoarea maximă a efortului unitar de forfecare apare la adâncimea de 0,25 … 0,025 mm (fig.7.11).

Fig.5.13.Gil Vasilca

Fig.7.11.- Repartiţia tensiunilor interne în frecarea de rostogolire

Datorită oboselii stratului şi valorii maxime a tensiunii de forfecare se creează condiţiile apariţiei pittingului. Amorsarea fisurii se explică pe baza teoriei dislocaţiilor. Mărimea şi distribuţia eforturilor în zona de contact sunt determinate de o multitudine de factori şi anume : tensiunile interne produse de prelucrarea mecanică sau de tratamentele termice volumice sau superficiale; transformările produse de efectele termice datorită frecării; prezenţa lubrifiantului şi caracteristicile acestuia; gradul de finisare a suprafeţei; viteza relativă; caracteristicile fizico-mecanice ale straturilor superficiale; temperatura mediului etc. Niemann a scos în evidenţă influenţa însemnată pe care o are rugozitatea flancurilor roţilor dinţate asupra rezistenţei la oboseală (fig.7.12).

Niemann şi Retting au corelat limita la pitting de rugozitate şi coeficientul de frecare :

unde :

20

Ra1 şi Ra2 – rugozităţile suprafeţelor în contact; ak – coeficientul de frecare.Creşterea capacităţii portante la pitting se realizează îndeosebi prin creşterea durităţii

suprafeţelor prin tratamente termice, termochimice, termomecanice, mecanice etc. Spre exemplu, Matieşan D. a obţinut pe roţi dinţate din fontă nodulară carbonitrurate, la o creştere a durităţii de la 200 la 400 HV o creştere a portanţei de circa 3,1 ori în timp ce o creştere de circa 2,5 ori a vâscozităţii lubrifiantului ( de la 40 la 100 cSt) conduce la o creştere a portanţei numai de 1,6 ori. Comportări superioare faţă de acţiunea distructivă a pittingului se pot obţine şi prin aplicarea unui regim convenabil de rectificare a suprafeţelor. În ceea ce priveşte aditivarea uleiurilor se apreciază că aceasta produce, în general, o reducere a rezistenţei la pitting comparativ cu uleiurile neaditivate.

Spre deosebire de pitting, spalling-ul (exfolierea) se manifestă prin desprinderea de pe suprafeţele de frecare amintite a unor particule de uzură sub formă de “solzi” ca rezultat al oboselii substratului suprafeţei de contact; după unii autori, exfolierea este o formă a pittingului, ca o situaţie limită, atunci când acesta devine intens distructiv. Exfolierea, în afară de cazul tratamentului termic defectuos, poate fi produsă prin unirea cavităţilor (gropiţelor) vecine şi de regulă este însoţită de prezenţa unor gradienţi ridicaţi de tensiune în apropierea suprafeţei supuse la contacte hertziene periodice. În condiţiile deformării plastice şi a forţei tangenţiale de tracţiune (frecare) în cazul unui contact de alunecare, se deformează stratul de sub urma de contact generându-se dislocaţii şi goluri (vacanţe, pori etc.) (fig.7.13).

7.16 7.17Pavelescu.Tribologie

Fig.7.12.- Dependenţa limitei de oboseală la Fig.7.13.- Contact de alunecare cu deformaţie pitting în funcţie de viteză şi rugozitate plastică, cu fisuri, goluri şi distribuţii de particule ( cuplă oţel şi ulei 104 cSt). dure sau dislocaţii.

Când sunt prezente particule dure (incluziuni şi particule mari precipitate) se măreşte formarea de goluri. Dacă deformarea continuă, golurile se unesc, fie prin coalescenţă, fie prin acţiunea de forfecare a materialului împrejurul particulelor dure; rezultă o fisură paralelă cu suprafaţa de frecare. Dacă fisura ajunge la o lungime critică, se foarfecă materialul dintre fisură şi suprafaţă, rezultând o particulă de uzură ca un “solz”; lungimea critică a fisurii este dependentă de material (spre exemplu, în uleiul de ungere a flancurilor unor angrenaje au fost găsite particule de uzură sub formă de solzi de circa 35 m lungime, 20m lăţime şi 10 – 15 m grosime).

S-au propus două modele pentru uzarea prin exfoliere şi anume:a) exfolierea metalului de pe suprafaţă în urma unei forfecări produse de o joncţiune

tare, creată prin contactul unor asperităţi;b) exfolierea apare în urma unui proces cumulativ, metalul fiind forfecat în mică parte

la fiecare trecere a asperităţilor, dar desprinderea are loc numai după ce a trecut un număr mare de asperităţi peste fiecare punct al suprafeţei respective. Se presupune că metalul de pe suprafeţele în frecare de alunecare se uzează strat cu strat, dar că fiecare strat h constă din

21

mai mulşi “solzi” (particule de uzură). Desprinderea se produce numai după ce s-a format un strat de particule de uzură, respectiv după ce s-a atins valoarea critică a distanţei de alunecare L şi a “deplasării plastice” dc ( dc poate fi legat calitativ de ductilitatea materialului forfecat, care variază invers proporţional cu duritatea HB). Dacă se admite că aria de contact Ar este proporţională cu sarcina N (Ar = / HB), atunci volumul total uzat de pe cele două suprafeţe se poate determina cu relaţia :

unde : K1,2 sunt factori de uzură; dc – deplasarea plastică critică pentru a forma particule de uzură. Relaţia de mai sus se mai poate scrie şi sub forma :

unde : HB – duritatea corpului mai moale; k – factor de uzură.

7.4.- Uzura de cavitaţie

Această formă de uzură este definită ca rezultatul procesului de distrugere a suprafeţei (deplasare şi îndepărtare de material sub formă de mici particule) produsă de mediu lichid sau gazos fără prezenţa celei de-a doua suprafeţe de frecare ca în cazurile obişnuite. Mai este denumită “eroziune de cavitaţie” sau “coroziune de cavitaţie” şi se produce de regulă, pe suprafeţele paletelor, rotoarelor mari de turbină, elicelor vapoarelor etc.

În general, uzarea prin cavitaţie se explică astfel: la mişcări relative mari sau la schimbări de viteză dintre un lichid şi metal, presiunile locale devin reduse, se produce transformarea de energie în fluid, temperatura lichidului depăşeşte punctul de fierbere şi se formează mici bule de vapori şi gaze (bule de cavitaţie). Când presiunea revine la normal (sau creşte) se produce o implozie (spargerea bulelor) cu forţe mari de impact pe microzonele suprafeţei metalice având drept consecinţă oboseala stratului şi producerea de ciupituri de cavitaţie. Este o acţiune pur mecanică dar aceasta este posibil să fie conjugată şi cu un proces de coroziune. Datorită complexităţii deosebite a fenomenului, uzura de cavitaţie este explicată prin mai multe teorii şi anume : mecanică, coroziunii instantanee, termochimică, turbulenţă etc.

Teoria cea mai plauzibilă pare să fie cea a lui Beeching care presupune distrugerea mecanică a straturilor de la suprafaţă sub acţiunea repetată şi localizată a impulsurilor puternice produse de spargerea bruscă a bulelor de vapori şi gaze pe suprafaţa de contact sau în apropierea acesteia.

Unii autori exprimă intensitatea uzării de cavitaţie prin relaţia :I = Avn (7. )

unde v – viteza curentului de fluid; A – coeficient (4,05 … 10); n – indice dependent de viteza fluidului (1 … 2,5).

Pentru reducerea cavitaţiei o importanţă deosebită o are creşterea durităţii suprafeţei; rezultate bune dă şi placarea cu oţeluri cu crom sau cu crom-nichel.

7.5.- Uzura mecano-corosivă

22

Acest tip de uzură rezultă ca urmare a efectelor combinate ale solicitărilor mecanice adezive, abrazive sau de oboseală superficială şi ale celor de coroziune.

Interacţiunile dintre mediul corosiv şi suprafeţele metalice pot conduce la accelerarea proceselor de degradare mecanică treptată a suprafeţelor în frecare. De exemplu, agenţii corosivi (acizi organici proveniţi din alterarea lubrifiantului sau acizi organici sau anorganici proveniţi din arderea combustibilului în cazul motoarelor cu ardere internă şi care pătrund în pelicula de lubrifiant) conţinuţi în mediul de ungere pot coroda chimic suprafeţele în frecare. Efecte corosive puternice apar îndeosebi în cazul prezenţei în lubrifianţi a unor mici cantităţi de apă, care în contact cu suprafaţa cuplei de frecare formează microcelule electrolitice. Corosivitatea lubrifianţilor se poate datora şi sulfului provenit din uleiul de bază sau din combustibil. Produsele de coroziune, cele mai multe friabile, se îndepărtează uşor de pe suprafeţele în frecare, iar produsele îndepărtate, la rândul lor, devin agenţi de abraziune, amplificând uzura.

Cunoaşterea capacităţii corosive a lubrifianţilor este foarte importantă în cazul cuplelor de frecare cărora li se cere o uzură minimă în exploatare. Pentru a micşora acţiunea corosivă a lubrifianţilor datorită degradării lor, se utilizează aditivi de antioxidare.

Prezenţa simultană atât a solicitărilor de natură chimică cât şi a celor mecanice complică explicarea mecanismelor uzurii. A luat naştere chiar o ştiinţă de frontieră, mecano-chimia. Uzarea se produce de fapt prin înlăturarea produşilor de coroziune care au luat naştere pe suprafaţa de frecare (atât în perioada de repaus (coroziune chimică) cât şi în timpul funcţionării (coroziune mecanochimică). Rezultă că procesul uzării se desfăşoară în două etape :

- formarea produşilor de reacţie pe cale chimică şi mecanochimică;- îndepărtarea acestor produşi de pe suprafaţa de frecare pe cale tribomecanică.Coroziunea chimică a fost explicată în capitolul de coroziune şi în general în toate

cursurile de specialitate. În funcţionare, solicitările mecanice influenţează direct şi indirect corodarea suprafeţei

de frecare prin modificări structurale, eforturi unitare de compresiune şi de forfecare, degradarea lubrifiantului etc.

Coroziunea mecanochimică (tribochimică) este mai interesantă din punct de vedere al modificărilor suferite de suprafaţa de frecare în timpul funcţionării cuplei. După natura solicitărilor mecanice pot fi acceptate următoarele subclase :

- coroziunea de tensionare – datorită solicitărilor mecanice statice se distruge stratul protector şi se produce o intensificare a efectului corosiv;

- coroziunea de oboseală, datorită solicitărilor periodice; fenomenul de oboseală propriu-zis este activat de prezenţa unui anumit mediu ambiant. Prin acţiunea combinată a solicitărilor mecanice şi chimice are loc creşterea uzurii şi reducerea accentuată a rezistenţei la oboseală (fig.7.13).

- coroziunea tribochimică propriu-zisă. Solicitările mecanice nu declanşează reacţii chimice, ci provoacă, în prealabil, modificări în starea suprafeţei sau în structura internă, degajări mari de energie termică, acumulări de potenţial electrostatic etc. care fac posibile sau accelerează reacţiile chimice ale materialelor suprafeţei cuplei de frecare cu mediul ambiant respectiv.

Fig.7.13.- Curba de oboseală în prezenţa Potrivit cercetărilor lui Fink şi Heineman

şi în absenţa agenţilor corosivi pot desprinde următoarele concluzii:

23

- în condiţiile prezenţei sarcinii şi forţei de frecare sunt posibile şi reacţii chimice puţin probabile din punct de vedere termic ;

- vitezele reacţiilor chimice în condiţiile funcţionării cuplei de frecare sunt cu cel puţin un ordin mai mari decât cele care au loc în repaus.

Stratul de protecţie (de oxid) creat iniţial, ajuns la o anumită grosime, se rupe şi se reface. Uzarea suprafeţei metalice evoluează aşadar, aleator, prin suprapunerea efectelor uzurii mecanice cu a celor ale coroziunii tribochimice.

Coroziunea de fretare, apare atunci când suprafeţele de frecare sunt supuse simultan atât acţiunii sarcinei normale cât şi a unor oscilaţii de mică amplitudine (minimum 810-8

cm). Un exemplu de uzură de acest tip ar fi distrugerea rulmenţilor unor autovehicule noi transportate pe calea ferată, datorită micilor vibraţii. Fink susţine natura mecanochimică a procesului de degradare, arătând că procesul de oxidare a suprafeţei precede uzarea de abraziune, care distruge pelicula de oxid astfel că procesul continuă. Uhlig, admiţând o teorie mixtă (un proces chimic, simultan cu un proces mecanic, prezintă pierderea în greutate prin uzarea de fretare sub forma :

unde : N – sarcina ; Nc – numărul de cicluri ; - frecvenţa ; h – amplitudinea; K0 , K1 , K2 – constante.

S-a observat practic că, de fapt, coroziunea de fretare nu poate fi îndepărtată prin nici un fel de lubrifiant şi că ea apare şi la metale nobile sau inoxidabile ; totuşi utilizarea unor lubrifianţi aditivaţi poate reduce efectele uzării de fretare.

7.6.- Determinarea cantitativă a uzurii suprafeţelor metalice

Aprecierea cantitativă a uzurii se poate face pe mai multe căi : metode clasice şi metode radioactive.

7.6.1.- Metode clasice

Metodele clasice pot fi de natură fizică (cântărirea sau măsurarea epruvetelor experimentale sau a pieselor reale înainte şi după ce au suferit un proces de uzare) sau de natură chimică (analizarea lubrifiantului folosit ca mediu de ungere).

Metode fizice, deşi nu foarte precise, au avantajul simplităţii determinărilor şi al posibilităţilor largi de selectivitate în urmărirea unor factori de uzare şi a influenţei lor asupra comportării diferitelor mecanisme de uzare.

Metodele chimice permit selectarea diferiţilor constituenţi metalici care în procesul de uzare trec în lubrifiant: Analiza acestora se face prin diferite metode calitative şi cantitative, prin metode gravimetrice, volumetrice, colorimetrice, polarografice etc.; se mai foloseşte spectroscopia cu raze infraroşii sau ultraviolete. Metodele chimice deşi nu pot fi selective, acelaşi constituent metalic putând proveni, în urma uzării, de la mai multe piese ale motorului sau agregatului mecanic urmărit, au avantajul că nu afectează continuitatea fenomenului în timp.

24

7.6.2.- Metode radioactive

Aceste metode care folosesc izotopii radioactivi sunt mult mai precise (precizia este de circa 10-10 g), au o mare selectivitate şi reproductibilitate I permit înregistrarea continuă a evoluţiei fenomenelor urmărite, dar folosirea lor este îngrădită de dificultăţile întâmpinate în organizarea încercărilor şi de precauţiile ce trebuie luate în scopul evitării pericolului contaminării radioactive.

Izotopii radioactivi se pot introduce între suprafeţele în frecare prin următoarele metode:

- introducerea izotopilor marcaţi în şarja de metal din care se confecţionează epruvetele; se foloseşte de obicei la piesele mici (de obicei segmenţi);

- iradierea pieselor sau epruvetelor ce se încearcă la frecare şi uzare;- introducerea mecanică (prin intermediul unor ştifturi) a metalului radioactiv.

Prezintă avantajul că manipulările se fac cu activităţi reduse;- acoperirea electrolitică a epruvetelor cu material radioactiv.

Uzura se măsoară în acest caz pe cale electrică, electronică (pe oscilograf înregistrator) sau chiar prin autoradiogafie.

7.7.- Aspecte specifice ale comportării la uzură a unor aliaje metalice

Natura (compoziţia chimică) şi structura metalografică a materialelor folosite pentru obţinerea diferitelor cupluri de frecare prezintă un rol extrem de important în toate procesele de uzare. În fiecare dintre principalele tipuri de uzări, constituenţii metalografici intervin cu particularităţile lor specifice. Influenţa constituenţilor este determinată de natura, forma, cantitatea şi distribuţia lor în structura metalografică. De asemenea, asupra comportării la uzare, un rol determinant îl au tipul reţelei cristaline, imperfecţiunile acesteia etc.

7.6.1.- Materiale de fricţiune

Creşterea continuă a vitezelor de deplasare (până la 80m/s sau mai mult) şi a forţelor, respectiv a presiunilor (până la 4 … 6 Mpa) ale vehiculelor (automobile, tractoare, trenuri, aeronave), maşinilor şi utilajelor de ridicat, de transportat sau terasiere, maşinilor unelte grele, instalaţiilor de foraj etc., impun cerinţe tot mai ridicate faţă de eficacitatea şi siguranţa în exploatare ale sistemelor de frânare şi de transmisie (ambreiajelor) şi implicit faţă de materialele de fricţiune (ce lucrează în general în regim uscat) care le echipează. Ca atare, acestea trebuie să preia sau să anihileze, deseori energii cinetice mari, dezvoltând şi preluând cantităţi mari de căldură.

Comportarea la frecare-uzare şi eficacitatea cuplelor de fricţiune depind însă de proprietăţile perechii de materiale în frecare şi de construcţia acestor subansamble.

Materialele de fricţiune, utilizate ca garnituri pentru frâne sau ambreiaje, trebuie să aibă conductibilitate termică mare şi adaptabilitate la formă, proprietăţi specifice metalelor, pe lângă proprietăţi specifice nemetalelor (coeficient mare de frecare şi rezistenţă la uzare). Coeficientul de frecare trebuie să fie în cazul frecării uscate cuprins între 0,2 … 0,6, iar în cazul frecării în prezenţa uleiului, 0.05 … 0,15. În general însă valorile coeficientului de frecare ale celor mai multe materiale scad cu creşterea vitezei de alunecare şi implicit a temperaturii suprafeţelor active. Ca urmare a dependenţei proprietăţilor fizico-mecanice de temperatură, precum şi a apariţiei în măsură tot mai mare a reacţiilor chimice între suprafeţe

25

şi mediul (atmosfera) de frecare, comportarea la frecare-uzare a materialelor se modifică sensibil. Din aceste motive, dezideratul desfăşurării constante în timp a procesului de frecare nu este – în majoritatea cazurilor – realizabil cu materiale omogene (monocomponente), ci numai apelând la materiale compuse, obţinute de obicei prin procedeele metalurgiei pulberilor, la care se exploatează comportarea diferită a diverşilor componenţi la această solicitare.

Procedeele metalurgiei pulberilor au permis elaborarea acestor materiale pe bază de fier, cupru sau bronz, care conţin până la 30% componenţi nemetalici (grafit, silice, alumină, azbest) şi se folosesc ca şaibe sau garnituri, în formă de segmenţi, aplicate pe un suport de oţel (discuri, saboţi, benzi etc.). Legătura cu suportul se realizează prin îmbinare mecanică (nituire) sau prin aderenţa rezultată în timpul sinterizării.

În comparaţie cu materialele de fricţiune tip “ferodo” pe bază de azbest, materialele metalice pot fi utilizate la încărcări mai mari, proprietăţile lor de frecare sunt mai stabile, coeficientul de frecare este mai scăzut (0,15 … 0,50 la frecarea uscată, în funcţie de compoziţie), însă variază mai puţin la temperaturi şi presiuni mari.

Materialele de fricţiune pe bază de azbest cu lianţi organici (de tip Ferodo), încă larg răspândite în numeroase aplicaţii, nu corespund la viteze de alunecare de peste 15 m/s şi presiuni mai mari de 1,5 Mpa şi nici temperaturi de peste 350 … 4500C, la care valorile coeficientului de frecare scad puternic, materialele “arzându-se”.

7.6.1.1.- Materiale de fricţiune sinterizate

Aceste materiale sunt în marea lor majoritate, cu bază metalică, obţinute prin procedeele metalurgiei pulberilor, având conductibilitate termică relativ ridicată şi stabilitate ridicată a proprietăţilor la temperaturi ridicate.

Drept component de bază se utilizează fie fierul nealiat sau aliat cu o serie de elemente ca Ni, Cu, Mo, Cr, P, Co, W ş.a., fie cuprul şi îndeosebi aliaje ale sale cu Sn, Zn, Al.

Pentru îmbunătăţirea rezistenţei la uzare şi stabilizarea procesului de frecare, aceste materiale mai conţin întotdeauna şi alte adaosuri dintre care o primă grupă o constituie componenţii cu rol de lubrifiant (antigripant) ca grafit, sulfuri (de Mo, Fe, Pb, Zn), sulfaţi şi metale uşor fuzibile (Pb, Bi, Cd, Sb), adăugaţi în cantităţi de până la 30% în greutate (peste 50% în volum). O altă grupă distinctă, cu rol opus, vizând creşterea coeficientului de frecare, o constituie adaosurile ceramice (oxizi – Al2O3, SiO2, ; carburi – SiC, BC etc., nitruri etc.) în proporţie de 3 … 15% în greutate.

7.6.1.1.1.- Materiale de fricţiune pe bază de fier

Materialele sinterizate fier-grafit (5 … 20% grafit) au rezistenţe la încovoiere cuprinse între 50 – 80 MPa, care de cele mai multe ori sunt suficiente. Pentru discuri de ambreiaj, materialul este sinterizat pe table suport. Ca liant se utilizează un aliaj Fe-P-C cu compoziţia eutectică sau pulbere de fier aliat cu fosfor. În cazul funcţionării în ulei, materialul trebuie compactizat prin presare ulterioară la cald sau la rece, pentru a micşora porozitatea (uleiul pătruns în pori micşorează prea puternic coeficientul de frecare).

Aceste materiale rezistă până la temperaturi de 8500C fără să apară modificarea proprietăţilor şi uzuri apreciabile. Se aplică acolo unde survin temperaturi mari, unde garniturile de frâne sau ambreiajele cu lianţi organici sunt de neutilizat.

26

Pentru creşterea performanţelor acestor materiale o atenţie deosebită se acordă realizării unei baze metalice din fier bogat aliat cu Ni, Co, sau din metale refractare (M0, W), capabile a rezista unor temperaturi de frecare mai înalte (15000C), precum şi apelarea la componenţi lubrifianţi (BN, MoSi2) capabili a asigura o alunecare corespunzătoare la temperaturi înalte. De asemenea, se tinde spre materiale sinterizate cu suport din fibre metalice refractare (din oţeluri inoxidabile , Nicrom etc.)precum şi din carburi ale metalelor greu fuzibile. În aceste condiţii însă, corespunzător trebuie alese şi materialele piesei conjugate din cupla de frecare, fonta şi oţelul ne mai fiind corespunzătoare. O soluţie bună o constituie alegerea unui material de asemenea sinterizat.

Aceste materiale sinterizate sunt indicate în cazul unor încărcări mari, pentru cuple funcţionând în regim de frecare uscată. Ele sunt mai ieftine decât cele cu bază de bronz, au rezistenţă la uzare mai mare şi stabilitate mai ridicată la temperaturi mai înalte (până la 800…11000C). Comportarea lor la frecare-antiuzare depinde în mare măsură de structura matricei feroase, respectiv de conţinutul de carbon (grafit) şi de prezenţa unor elemente de aliere (Cr, Mo, Cu, Ni etc.), precum şi de viteza de răcire după sinterizare.

În cazul materialelor fier-grafit cu conţinut ridicat de grafit (15…20%), grafitul creşte rezistenţa la uzare (fig.7.14).

În cazul materialelor de fricţiune cu conţinut scăzut de grafit (0,6…3%), proprietăţile mecanice pot fi îmbunătăţite prin tratament termic; călire în apă de la 830 …9300C şi revenire 1 h la temperaturi corespunzătoare care să asigure proprietăţile necesare. Rezistenţa optimă la uzare o asigură structura perlitică lamelară fină sau cea perlito-feritică, prezenţa cementitei libere afectând angrenarea lină în frecare şi conducând la o uzare mai accentuată a contramaterialului, iar cea a feritei ducând la frânare insuficient de eficace.

Porozitatea optimă, pentru care proprietăţile de fricţiune sunt cele mai bune, este cuprinsă între 12 … 20%.

În cursul frecării, la suprafeţele active – ca urmare a unor deformări şi interacţiuni între componenţi, precum şi între aceştia şi atmosferă - apar pelicule complexe (separatoare şi protectoare) constituite din particule metalice uzate, oxizi, carburi, grafit, care pot mări substanţial rezistenţa la uzare a materialelor. Ca atare, compoziţia acestor materiale se alege în aşa fel încât astfel de pelicule continue şi stabile să se formeze rapid, cu certitudine, într-un domeniu larg de încărcări. Caracteristicile mai importante ale materialelor de fricţiune sunt date în tab.7.9.

Tab.7.9.- Caracteristicile materialelor de fricţiune

CaracteristicaMaterialeazbestice cu liant organic

sinterizatecu bază de Fe cu bază de Cu

27

Densitatea (g/cm3)Conductivitatea termică între 200…5000C, (cal/cm2.s.0C)Coeficientul de dilatare termică, 20 –5000C (0C-1)Rezistenţa, în Mpa :

- la tracţiune- la compresiune- la încovoiere

Rezilienţa (J/cm2)Alungirea (%)Duritatea HBCoeficientul de frecareUzura (g/kh) la p=0,9Mpa, v=10 m/sTemperatura admisă (0C)

- momentană- de durată

Presiunea (MPa)Viteza de alunecare (m/s)Încărcarea pv (Nm/cm2s)Puterea specifică de frecare (kW/cm2)

1,5 – 2,5

0,002 – 0,02

-

12 – 2050 – 100 70,6 – 1-15 – 350,30 – 0,450,5 – 0,6

3502001,515-0,2

5 – 7

0,025 – 0,07

(9…12)10-6

70 – 100470 – 700220 – 3002,5 – 30,3 – 0,425 – 800,28 – 0,600,3

800 – 1000600 (maxim 800) 6 60 3000,8

5,8 – 7

0,08 – 0,12

(17…22)106

20 – 45220 – 30040 – 1203 – 50,5 – 0,618 – 500,20 – 0,450,8

650450(maxim 500) 5 40 1500,5

Fig.7.14.- Variaţia caracteristicilor de fricţiune alematerialelor sinterizate feroase în funcţie de

conţinutul de grafit ( U – uzura, - coeficientul de frecare).

Utilizarea materialelor de fricţiune feroase (tab.7.10) se extinde şi la ambreiajele şi frânele maşinilor şi utilajelor terasiere, macaralelor, preselor grele, maşinilor unelte, laminoarelor şi maşinilor agricole, la ambreiajele centrifugale ale separatoarelor, la ambreiajele de comandă ale maşinilor textile, de prelucrare a hârtiei, la cuplajele de siguranţă (de suprasarcină) ale maşinilor agricole, autovehicolelor speciale etc.

Tab.7.10.- Domenii de utilizare a materialelor de fricţiune sinterizate pe bază de fierDomeniul de utilizare

Subansamblul Condiţii de lucruPresiune de contact, MPa

Viteza de alunecare,m/s

Temperatura,

0CBuldozereExcavatoare

Macarale

Ambreiajul motorAmbreiajul mecanismului de rotirea platformeiAmbreiajul troliului principal

4 – 68

8

4 – 83 - 5 400 - 500

Instalaţii de forajSondeze

AmbreiajeFrâne

până la 15până la 30

până la 30foarte mică

28

Maşini agricole Cuplaje de siguranţă

Ambreiaje de cuplarepână la 30 până la 12 până la 600

Laminoare Ambreiaje de cuplare 6 - 8 15 - 16Prese Ambreiaj

Frână 3-5 15 - 17

7.6.1.1.2.- Materiale de fricţiune cu bază de cupru

Comparativ cu cele cu bază de fier, materialele de fricţiune sinterizate cu bază de cupru au o conductivitate termică superioară, proprietăţi mecanice (inclusiv duritate) mai scăzute, care însă provoacă o uzare mai redusă a suprafeţelor conjugate din (fontă), chiar la încărcări mai mari. Ca elemente de aliere ale – cel mai adesea – pseudoaliajelor Cu (60 – 75%), Sn (5 – 10%), grafit (4 – 8%), se apelează la Pb (5 – 8%), Fe (0 – 10%), Si (4 – 5%), Zn (0 – 7%), Ni (0 – 2%), Al etc. Mai des utilizată este compoziţia de bronz (60 % Cu şi 10% Sn) cu adaosuri de până la 10% (Fe + Pb) şi până la 30% (grafit + SiO2).

Materialele de fricţiune sinterizate bronz-grafit şi-au găsit utilizare corespunzătoare pentru ambreiajele care – lucrând fie uscat, fie în ulei – dezvoltă cantităţi mari de căldură ce trebuie rapid disipate.

Pentru obţinerea acestor materiale, cel mai mult se utilizează procedeul sinterizării sub presiune, care permite sudarea stratului de material de fricţiune (de grosime 0,25 – 2 mm pentru discurile folosite la avioane şi de 2 – 10 mm pentru automobile, tractoare şi vehicule speciale) pe suportul de oţel.

Avantajele mai importante ale acestor materiale sunt: angajare lină în funcţionare, conductivitate termică ridicată şi bună rezistenţă la uzare.

Drept contramateriale, sunt indicate : fonte cenuşii (la ambreiajele principale), oţeluri carbon (pentru ambreiaje cu lamele) şi slab aliate de îmbunătăţire (la frâne cu mai multe discuri) sau suprafeţe acoperite cu Cr. Coeficientul de frecare a acestor materiale are valoarea cea mai mare pe suprafeţe de oţel, fiind urmată de cel de pe fontă şi apoi de cel de pe suprafeţe din crom.

La funcţionarea în ulei a acestor materiale, importanţă deosebită pentru comportarea la frecare mai prezintă porozitatea (prin a cărei variere se poate influenţa, între limite largi, cantitatea de ulei ce poate fi preluată, răcirea şi comportarea la frecare).

Coeficientul de frecare al acestor materiale are valori cuprinse între 0,05 – 0,15. La frânare, frecarea este de regulă cu 20 – 30% mai intensă. Limitele de funcţionare ale lor sunt : presiuni de până la 2 – 3 Mpa şi viteze de alunecare de până la 80 – 100 m/s.

7.6.1.1.3.- Materiale de fricţiune cermetice

Pentru încărcări superioare celor suportate de materialele de fricţiune pe bază de fier, respectiv în condiţii de funcţionare deosebit de severe din punct de vedere termic, utilizabile sunt materialele de fricţiune cu un conţinut mare, peste 50% în volum de componenţi nemetalici (ceramici, ca oxizi – SiO2, Al2O3, silicaţi) şi liant metalic (Fe, Ni, aliaje de Cu), conţinând deseori şi alte adaosuri ca metale cu punct de fuziune scăzut, sulfaţi, sulfuri, carburi, grafit precum şi faze intermetalice. Acestea au o ridicată refractaritate şi o bună rezistenţă la uzare. Pentru asigurarea unei conductivităţi termice corespunzătoare, frecvent cermeţii se asociază cu metale înalt refractare ca Cr, Mo. Astfel, în afară de cermeţii Cr-Mo-

29

Al2O3 , îşi găsesc utilizare şi cermeţii Ni - Mullit cu 75% Ni şi 25% 3Al 2O32SiO2 , cunoscuţi sub denumirea de Metamic 247.

Coeficienţi de frecare ai acestor materiale au valori cuprinse între 0.3 – 0,7, iar temperaturile de lucru pot ajunge până la 10000C şi chiar mai mult. Alte proprietăţi : porozitate 8%, Rî = 150MPa la 200C, cca.180 MPa la 8000C şi 440MPa la 11000C, coeficientul de dilatare termică 1 10-5 , duritate 200 – 300 HV înainte de oxidare şi 250 – 300 HV după oxidare.

Cermeţii sunt fragili şi din acest motiv se folosesc sub formă de pastile presate în cupe metalice, acestea fiind nituite pe materialul-suport. Astfel de materiale pot fi elaborate şi prin presare la rece şi sinterizare, dar cel mai frecvent ele sunt obţinute prin presare la cald sau sinterizare sub presiune.

Materialele de fricţiune cermetice se utilizează în construcţia cuplajelor şi frânelor puternic solicitate şi care, totodată, din motive constructive, trebuie să aibă gabarit şi greutate reduse (spre exemplu : frânele de aterizare ale avioanelor, cuplajele vehiculelor grele cu şenile, maşinilor terasiere etc.

30

31