Фреттинг коррозия: Фреттинг-коррозия

Содержание

Фреттинг-коррозия

Фреттинг-коррозия – коррозионное разрушение на границе раздела двух тел, контактирующих друг с другом. Эти поверхности, находясь под воздействием коррозионной среды, двигаются (скользят) относительно друг друга. Т.е. фреттинг-коррозия – коррозия при трении. Чаще всего скольжение имеет колебательный характер, а объекты испытывают дополнительную достаточно большую нагрузку.

Фреттинг-коррозия может наблюдаться при контакте двух металлических материалов, либо же металла и неметалла (резины, пластмассы, которые могут служить прокладочным материалом).

Фреттинг-коррозии подвергаются: прижатые друг другу детали, на которые воздействуют колебательные, вращательные, вибрационные напряжения. К ним можно отнести болтовые, шпоночные, заклепочные, шлицевые соединения, контактирующие части подшипников, металлический канат, соприкасающиеся движущиеся валы и многое другое. Фреттинг – механический износ металла при движениях небольшой амплитуды. Совмещение механического износа и воздействия коррозионно активной среды и дает нам фреттинг-коррозию.

Под воздействием окружающей коррозионной среды на поверхности металла образуется оксидная пленка (продукты коррозии). При трении эта пленка механически разрушается. Так как при фреттинг-коррозии взаимодействующие поверхности не разъединяются, то разрушенные продукты коррозии так и остаются между ними (в некоторых случаях вытесняются), в дальнейшем материалы истираются быстрее, а фреттинг-коррозия протекает интенсивнее. Разрушение защитной пленки может быть причиной дальнейшего протекания коррозии, обусловленной работой концентрационного элемента, или же вызвать контактную коррозию. Превращение поверхности металла в оксид приводит к неисправностям, забиванию системы продуктами коррозии, заеданию и сбоя работы механизма.

При протекании фреттинг-коррозии поверхность металла обесцвечивается, а при воздействии колебательных напряжений на ней образуются язвы, в которых в дальнейшем зарождаются усталостные трещины.

Скорость фреттинг-коррозии зависит от природы используемых металлов (материалов), температуры, состава коррозионной среды и действующих нагрузок.

Во время трения происходит нагрев металла, что дополнительно усиливает фреттинг-коррозию, особенно в условиях отсутствия на поверхности смазки.

Фреттинг-коррозия протекает не по электрохимическому механизму. Важнейшим фактором является приложенная нагрузка, в результате которой происходит усиленное питтингообразование на контактирующих поверхностях. При колебательном скольжении (трении) образовавшиеся окислы не могут быть удалены с контактирующей поверхности. Это приводит к увеличению напряжения между контактирующими деталями и фреттинг-коррозия в местах скопления окислов проходит намного интенсивнее.

Защита изделий от фреттинг-коррозии

Правильный подбор материалов. Целесообразно для предотвращения возникновения фреттинг-коррозии сочетать мягкие металлы с твердыми. Доказано, что при скольжении стальной поверхности о стальную разрушение намного больше, чем скольжении стали о сталь, покрытую свинцом. Даже при больших нагрузках мягкий металл предотвращает контакт с окружающей средой. Разрушение также уменьшается из-за того, что более мягкий металл может при срезе «течь», а не тереться.

Для контакта со стальной поверхностью рекомендовано использовать сталь, покрытую оловом, индием, кадмием, свинцом, серебром.

Применение смазок для предотвращения фреттинг-коррозии. Эффективный метод, часто используемый в условиях небольших нагрузок. Поверхность предварительно подвергают фосфатированию. Полученную пористую пленку обрабатывают смазкой низкой вязкости, которая проникает глубоко в поры и благодаря этому достаточно долго остается на изделии. Недостатком этого метода можно считать то, что это все-таки временная защита, смазка рано или поздно удаляется в результате скольжения.

Проектирование контактирующих поверхностей с устранением скольжения. Эффективно, но достигнуть достаточно тяжело.

Применение специальных покрытий. Для предотвращения контакта поверхности раздела с воздухом.

Применение материалов с низким коэффициентом трения и прокладок. Такие материалы используют только при маленьких нагрузках в связи с их небольшой прочностью. Резина, например, амортизирует колебания и предотвращает скольжение.

Применение кобальтовых сплавов. Дает положительный эффект только в присутствии воды.

что это, как не допустить развития фреттинг-коррозии

Фреттинг-коррозия – это распространенное явление, которое потенциально может привести к тому, что металл потеряет свои характеристики и постепенно будет разрушен. Именно процесс ржавения приводит к тому, что различные детали и металлоконструкции теряют свои эксплуатационные возможности.

В этой статье мы расскажем о том, какими факторами вызывается фреттинг коррозия, как она протекает и какими способами можно увеличить степень защищенности материала от потенциальных повреждений.

Процесс коррозии при трении и его важные особенности

Коррозия при трении – это достаточно опасный процесс, который сильно распространен в различных промышленных областях.

Фреттинг коррозия начинается в том случае, когда две детали постоянно соприкасаются друг с другом и возникает сильное трение. Главное условие – небольшая амплитуда колебаний. Даже если материал был оцинкован или на него нанесено полимерное покрытие, защитная пленка начинает стираться – это стимулирует процесс контакта материала с катализатором окисления.

Когда материал оказывается затронут трением, на небольшом участке начинает скапливаться механическое напряжение. Главная особенность в том, что процесс может протекать в различных средах, в том числе, вакуумной, атмосферной, водной и с высокой степенью агрессивности.

Когда протекает фреттинговая коррозия, на поверхности материала появляется рыжий налет. При этом поражение оказывается очень стремительным, быстро распространяется по поверхности. Процесс может захватывать обе детали, которые в процессе использования соприкасаются друг с другом.

Если рассматривать элементы, которые чаще всего оказываются подвержены коррозии, можно занести в список все виды стальных элементов. Процесс может развиваться во всех областях вне зависимости от того, какие именно нагрузки воздействуют в процессе.

Среди основных видов нагрузок, которые могут стимулировать развитие фреттинга, есть такие, как:

Колебательные.

Вращательные.

Вибрационные.

При этом, постепенно от ржавчины могут повреждаться многие детали, такие, как муфты, шестерни, подшипники, металлические канаты и многое другое.

Коррозия может проявляться как при контакте металлов, так и металла с неметаллом. При этом металл может повреждаться от соприкосновения с резиной, пластиком и многими другими изделиями.

В отличие от межкристаллитной коррозии, фреттинговую можно достаточно быстро определить. Она начинает появляться на поверхности.

Среди основных признаков:

Появление налета.

Разрыхление поверхности.

Возникновение язв, пятен, полос.

Как только вы заметите признаки такого процесса, необходимо использовать один из методов снижения износа при фреттинг коррозии. Если на ранней стадии предпринять все нужные действия, можно обезопасить деталь от разрушения и потери эксплуатационных характеристик.

Как не допустить развития фреттинг-коррозии

Чтобы не допустить постепенного появления и стремительного протекания такого процесса, нужно использовать несколько основных способов:

Используйте материалы, на которых есть оксидная пленка. Для создания защитного покрытия также могут применяться и такие элементы, как нитрид титана, цирконий.

При изготовлении изделий всегда учитывайте отраслевые нормы и правила.

Следите за тем, как именно размещаются детали. Нужно, чтобы различные детали не контактировали друг с другом и не возникало процесса трения.

Используйте ионную или азотную защиту. Она гарантирует высокий уровень защищенности от коррозии такого типа, значительное уменьшение износа деталей.

Применяются специальные прокладки и смазки. Важно, чтобы коэффициент трения у них был минимальным. При использовании такого средства важно помнить о своевременности замены смазочного покрытия.

Так как далеко не всегда удается предотвратить возникновение ржавчины, нужно четко знать, в каких узлах возникает фреттинг коррозия. Проще изначально спроектировать конструкцию так, чтобы в ней не было мест соприкосновения различных деталей. Так получится значительно увеличить длительность безремонтного использования и общий уровень защиты.

Главные особенности и последствия фреттинг-коррозии

Существует сразу несколько основных отличительных черт фреттинг-коррозии, которые характеризуют процесс. К ним относятся такие, как:

Если вы все-таки столкнулись с появлением коррозии в труднодоступных местах, правильно удалить ее будет очень сложно. Именно по этой причине нужно приостановить работу изделия и сделать все для того, чтобы не допустить дальнейшего прогрессирования проблемы.

Когда в изделии важен правильный процесс скольжения деталей, коррозия дополнительно замедлит его. Это может привести к тому, что эксплуатационные характеристики будут значительно снижены.

Скорость разрушения будет очень высокой. И это характерно даже при сравнении с другими типами процессов протекания ржавения.

Чаще всего в качестве продуктов трения определяются минералы. Также наблюдается возникновение соединения кислорода или металла.

При этом важно также обратить внимание и на то, какие последствия появляются после фреттингового разрушения. В месте поражения начинает скапливаться напряжение. Со стороны процесс проявляет себя коричневым налетом, пятнами, язвами на металле.

Вернуться к статьям

Поделиться статьей

Фреттинг, фреттинг-коррозия и фреттинг-механизмы

Фреттинг-износ или фреттинг-износ – особый вид изнашивания, характеризующийся малоамплитудным колебательным скольжением между телами, номинально находящимися в состоянии покоя [1] (например, из-за вибрации, циклических напряжений и т. п.). Амплитуда скольжения может варьироваться от десятков микрон (в болтовых соединениях, электрических контактах) до десятков нанометров (в МЭМС). Истирание обычно проявляется в виде ямок или канавок, окруженных продуктами коррозии. Истирание обычно сопровождается коррозией (в агрессивной среде).

При фреттинге отсутствует макроскопическое скольжение. Поверхности номинально находятся в статическом контакте в центральной области контакта (для шара на плоском корпусе), где нормальное давление высокое. На периферии, где давление низкое, а тангенциальное тяговое усилие достаточно велико, чтобы преодолеть трение покоя, возникает микроскольжение. На рис. 1 показаны зоны прилипания и проскальзывания в фреттинг-контакте.
Рис. 1. Напряжения в фреттинг-контакте

Фреттинг представляет собой сочетание абразивного и адгезионного износа, при котором при приложении нормальной нагрузки возникают адгезионные соединения, а колебательное движение вызывает разрыв материала в виде осколков. Мусор обычно попадает в контакт и образует ролики, которые действуют как подшипники [2]. Это может привести к уменьшению коэффициента трения со временем.

Коррозия часто развивается в условиях фреттинга, вид износа, известный как фреттинг-коррозия. Из-за разрыва материала и образования мусора свежая поверхность подвергается воздействию воздуха и впоследствии склонна к окислению (это зависит от инертности материала). В случае стали оксид железа очень твердый и поэтому действует как абразив. Поскольку частицы не могут выйти из контакта, они инициируют абразивный износ и последующее окисление, и процесс продолжается. Это может привести к повышенным объемам износа по сравнению с режимами абразивного или адгезионного износа независимо друг от друга.

Испытание на истирание используется для определения влияния нескольких параметров истирания на характеристики материалов. Эти параметры включают различные материалы, относительные амплитуды смещения, нормальную силу на фреттинг-контакте, переменную тангенциальную силу, геометрию контакта, параметры целостности поверхности, такие как отделка, и условия окружающей среды для испытаний. Результаты могут быть использованы для выбора комбинаций материалов, расчетных уровней напряжения, смазочных материалов и покрытий для уменьшения или устранения проблем, связанных с истиранием, в новых или существующих конструкциях. В продаже имеются различные тестеры на истирание. На видео ниже показана типичная операция испытания на истирание (в режиме грубого скольжения, также называемого линейным возвратно-поступательным движением):

1. На первом этапе происходит металлический контакт двух поверхностей на уровне неровностей (холодная сварка, адгезия). Это происходит, если защитный оксидный слой разрушается, так что вступают в контакт высокореакционноспособные оголенные материалы. Контакт происходит на нескольких неровностях (т. е. выступах поверхности).

3. На третьей стадии развивается фреттинг-усталость. Из-за многократного нагружения (нормальные и касательные напряжения) зона повышенных напряжений при фреттинге возникает по бокам нагруженной зоны. Поэтому трещина зарождается на границах зоны фреттинга и распространяется внутрь.

При фреттинге контактные поверхности изнашиваются и в то же время на них воздействует циклическое напряжение трения. Усталость при фреттинге называется фреттинг-усталостью [4]. Напряжения трения максимальны на контактной поверхности материала и резко уменьшаются к внутренней части материала. Таким образом, поведение роста усталостной трещины при фреттинге существенно отличается от поведения роста усталостной трещины при усталости без трения [5]. При фреттинг-усталости скорость роста трещины вблизи контактной поверхности резко снижается с увеличением длины трещины. Затем, после показа минимального значения, оно соответствует скорости роста плоской усталостной трещины. Усталостная прочность при фреттинге часто составляет половину или меньше от прочности при простой усталости и не становится выше, даже если предел прочности материала увеличивается [5].

Усталостная долговечность при фреттинге короче, чем у простой. При фреттинг-усталости трещина легко зарождается из-за напряжения трения даже при малой амплитуде напряжения, при которой может не произойти простое усталостное разрушение. В конечном итоге трещина растет, что приводит к разрушению материала. В ортопедических имплантатах истирание происходит там, где два материала соприкасаются друг с другом; например, в костных пластинах или винтах.

Сопротивление истиранию не является неотъемлемым свойством материала или даже пары материалов. Например, в зависимости от амплитуды смещения или нормальной нагрузки фреттинг может быть частичным, грубым или смешанным. Эти три ситуации вызывают различную локальную нагрузку на поверхность. Кроме того, условия окружающей среды могут иметь большое влияние. Ниже приведены основные факторы, определяющие фреттинг-поведение контакта [3]:

Амплитуда: не существует измеряемой пороговой амплитуды, ниже которой не возникает фреттинг. Однако может существовать верхняя пороговая граница, при которой происходит переход скорости изнашивания к регулярному скользящему типу.
Количество циклов: Степень истирания увеличивается с увеличением количества циклов. Сообщается, что существует инкубационный период, в течение которого ущерб незначителен. За этим периодом следует стационарный период с постоянной скоростью износа. Кроме того, скорость фреттинг-износа увеличивается.
Температура: Температура оказывает значительное влияние на скорость химических реакций и, следовательно, на окисление материалов. При повышенных температурах скорость образования оксида высока, и оксидный слой действует как защитный слой. Этот слой предохраняет оголенные материалы от соприкосновения и образования клеевых соединений (холодная сварка). Таким образом, скорость износа уменьшается с повышением температуры.
Относительная влажность: Как правило, повышенная влажность снижает фреттинг-коррозию. Считается, что это является следствием повышенной скорости окисления в присутствии воды и, таким образом, образования защитного слоя.

Фреттинг-коррозия является одной из основных причин выхода из строя разъемов, однако многие до сих пор не знают, что это такое и как ее можно предотвратить. Фреттинг-коррозия является результатом микродвижения, вызванного вибрацией и/или тепловым расширением из-за циклов нагрева или охлаждения. Эти микродвижения изнашиваются через металлические покрытия в основной материал, который затем окисляется. По мере того, как этот оксидный слой накапливается и увеличивается, оксидная пленка действует как изолятор между контактами, что создает разомкнутую цепь, что приводит к падению напряжения на клемме и, в конечном итоге, к сбою питания или потере сигнала.

Смазка снижает физический износ между соединительными поверхностями, поскольку они подвергаются микродвижениям и фреттинг-износу. Это помогает сохранить многослойное покрытие на разъемах, предназначенное для предотвращения окисления и минимизации сопротивления.

Разница в фреттинг-износе между смазанными и несмазанными соединителями очевидна. Инженеры Ная построили специальное устройство для испытаний на фреттинг-износ, которое отслеживает циклы фреттинга (микродвижения) клемм до тех пор, пока сопротивление не увеличится на 100 мОм по сравнению со статическим базовым уровнем.

Это позволяет нашим инженерам предсказывать срок службы клемм в условиях истирания. Соединитель, смазанный NyoGel® 760G Ная, выдержал 6,7 миллиона циклов, прежде чем было достигнуто 50% значений отказа, по сравнению с несмазанными соединителями, которые достигли только 0,5 миллиона циклов до отказа.