Изнашивание в результате выкрашивания вновь образуемых структур

При тяжелых условиях работы на поверхностях трения происходят физико-химические изменения. Они являются результатом пластического деформирования, повышения температуры слоев металла, прилегающих к зоне контакта, последующего быстрого охлаждения и химического действия окружающей среды. Эти физико-химические изменения, заключающиеся в образовании новых структур, в свою очередь изменяют вид взаимодействия и характер разрушения поверхностей.

На поверхностях трения стальных и чугунных деталей иногда образуются блестящие белые пятна и полосы, полностью или почти не травящимися обычными металлографическими реактивами. Эти образования, открытые В.П. Кравз-Тарнавским (1928 г.) получили наименование белого слоя. Твердость белых слоев того же порядка, что и материала детали, но бывают значительно выше твердости мартенсита среднеуглеродистой стали. Слой отличается высокой хрупкостью. Структура слоя высокодисперсная. В зависимости от условий образования белые слои могут состоять из мартенсита, смеси аустенита и мартенсита, цементита и феррита и других сочетаний структур. Может случиться, что на одной детали будут разные по структуре белые слои. Образование белого слоя обязано быстропротекающему термическому или химико-термическому процессу.

Процесс возникновения и развития белого слоя на поверхностях трения представляется следующим. На отдельных участках фактического контакта происходит интенсивная пластическая деформация, сопровождающаяся значительным тепловыделением. Теплота, концентрируясь в поверхностных микрообъемах, создает большой температурный градиент по глубине. В результате скорости нагрева и охлаждения микрообъемов больше, чем при термической обработке. Повышение температуры в отдельные моменты выше критической точки приводит к образованию аустенита из ферритно-цементитной смеси. Последующее резкое охлаждение – к появлению закалочных структур, которые в дальнейшем, подвергаясь пластической деформации и периодическому воздействию температурного фактора, переходят в белый слой.

В образовании белого слоя может активно участвовать воздух, смазочный материал, сопряженная деталь. Встречаются белые слои, содержащие азот и кислород, а также насыщенных углеродом аустенит и сложного состава карбиды. Очаги с повышенным содержанием углерода на поверхности образуются в результате диффузии его из более глубоких слоев материала или разложения смазочного масла. Пластическая деформация стимулирует диффузионную активность металла, как в силу образования микро- и субмикродефектов, так и в силу относительно значительных перемещений металла и обнажения ювенильных поверхностей.

Одновременно с образованием белого слоя возникает система внутренних напряжений, которая совместно с рабочими напряжениями приводит к растрескиванию слоя и выкрашиванию его отдельных частиц. Продукты износа, попадая в зазоры между сопряженными деталями, могут вызвать интенсивное изнашивание, доходящее до катастрофического.

Белые слои образуются на рабочих поверхностях рельсов и бандажей колес локомотивов и вагонов, на зубьях шестерен, подшипниках качения, поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. Белые слои могут появиться в процессе заедания деталей, изготовленных из чугуна или высокоуглеродистых сталей, а также при ударах. Белый слой обнаруживается при обработке сталей при скоростях резания 12… 27 м/мин, при шлифовочных ожогах, наклепе, а также под воздействием горячих газовых струй. Чем больше углерода содержится в стали, тем больше белый слой. Белый слой является ярким проявлением образования новых структур при трении.

Помимо него, в процессе трения в связи с температурным фактором возможны: коагуляция структурных составляющих, закалка и отпуск и это может привести к образованию ультрамикроскопических трещин.

На вкладышах подшипников с антифрикционным слоем оловянного баббита иногда образуется, напоминающая по внешнему виду нагар, твердая корка, не поддающаяся действию напильника или шабера. Такая корка чаще всего встречается в рамовых, мотылевых и головных подшипниках дизелей. По данным химического анализа, она содержит оксиды олова, меди, сурьмы и небольшое количество углеродистых веществ. Твердость корки определяется содержанием наиболее твердого из оксидов – оксида олова. Причины образования корки – местные повторяющиеся перегревы поверхности трения вследствие недостаточного смазывания либо наличия воздуха в масле. Эта корка обладает высокой износостойкостью, однако при разрушении ее, крупные частицы будут действовать как абразив.