Vibrační opotřebení

Vibrační opotřebení (fretting, fretting corrosion) vzniká na stykových plochách součástí, které konají vzájemný tangenciální pohyb o poměrně malé amplitudě (minimálně řádu 10-2 až 10-3mm) při působení normálných zatížení. Vzniklé produkty opotřebení zůstávají a hromadí se mezi styčnými plochami. U ocelových a litinových součástí mají hnědé, červenohnědé až černohnědé zabarvení. Proto často vibrační opotřebení bývá nesprávně považováno jako pouze výsledek korozního působení okolního prostředí.

Vzájemný pohyb, který vyvolává poškození povrchů součástí konstrukčních uzlů, může mít různé příčiny. Může se jednat o přímočarý vratný pohyb (např. u vibrátorů), o pohyb vyvolaný přenesenými vibracemi (např. valivá ložiska u zařízení dopravovaných vlaky či loďmi na velké vzdálenosti) nebo o pohyb vzniklý pružnými změnami v uložení mechanicky namáhaných součástí (např. nalisované spoje).
Pokud amplituda vibračního pohybu je větší než 100 µm, pak dochází k odstraňování částic otěru z oblasti kontaktu a místo vibračního opotřebení probíhá v oblasti kontaktu povrchů adhezívní opotřebení.

Mechanizmus vibračního opotřebení
Vibrační opotřebení nastává v kontaktu nerovností stykových povrchů, kdy se vytváří a porušují mikrospoje. V počátečním stádiu procesu vzniká působením normálných sil elastická a plastická mikrodeformace povrchových vrstev. Povrchové vrstvy se zpevňují a po vyčerpání jejich plasticity se začnou vytvářet drobné částice otěru. Dochází k tvorbě důlků na povrchu a k přenosu materiálu z jednoho povrchu na opačný povrch. Drobné částice otěru oxidují (v prostředí vzduchu) a pak působí abrazívně na oba povrchy (oxidy mají obvykle vyšší tvrdost než kov). Malá amplituda pohybu neumožňuje odstraňování částic z oblasti styčných ploch, a proto dochází k lokální abrazi. U ocelí částice otěru jsou tvořeny hlavně α-Fe2O3 s malým podílem Fe. Množství Fe v částicích otěru je funkcí podmínek opotřebení. Při vibračním opotřebení slitin Al se vytváří černé částice otěru, které jsou složeny z oxidu hlinitého Al2O3 a Al (~23 %). Otěr u titanu a jeho slitin je tvořen hlavně rutilem (TiO2). Velikost částic otěru je obvykle v rozmezí 0,01 - 0,1 μm (u oceli).

Vliv faktorů na vibrační opotřebení
Proces vibračního opotřebení je ovlivňován řadou faktorů jak v počátečních fázích procesu, tak v dalších jeho etapách. Vzhledem ke komplikovanosti degradačních procesů v oblasti kontaktu bude stručně popsáno působení jen nejdůležitějších faktorů na intenzitu vibračního opotřebení.
a) Vliv amplitudy vibračního pohybu
Opotřebení vzniká především v případech, kdy relativní pohyb kontaktních povrchů nemůže být absorbován pružností funkčních povrchů a kdy dochází k jejich vzájemnému cyklickému pohybu s malou amplitudou. Experimenty potvrdily předpoklad, že s růstem velikosti amplitudy roste i velikost vibračního otěru. Avšak při velkých amplitudách vibračního pohybu, kdy může docházet k odstraňování částic otěru z oblasti stykových povrchů, se vibrační opotřebení mění na adhezívní opotřebení s podstatně menší intenzitou porušování povrchů. Často se uvádí mezní velikost amplitudy 100 µm, kdy nastane výrazný růst velikosti vibračního opotřebení.
b) Vliv frekvence vibračního pohybu
Frekvence vibračního pohybu v podmínkách inertní atmosféry prakticky neovlivňuje intenzitu opotřebení. V oxidačním prostředí obnažené kovové povrchy reagují se vzdušným kyslíkem a vytváří na styčných površích oxidickou vrstvu (α-Fe2O3), která může positivně ovlivnit procesy opotřebení a proto pak dochází k mírnému snížení intenzity opotřebení s rostoucí frekvencí.
c) Vliv měrného tlaku
Experimenty nedávají jednoznačné stanovisko k vlivu rostoucího měrného tlaku na intenzitu opotřebení. V praxi růst měrného tlaku mezi styčnými povrchy vede k zmenšení amplitudy a tedy i k zmenšení intenzity opotřebení. Pokud však nedochází k zmenšování amplitudy vibračního pohybu, pak růst měrného tlaku vede k vyšší intenzitě vibračního opotřebení.
d) Vliv počtu cyklů
Vibrační opotřebení, které je charakterizováno plochou a hloubkou poškozené plochy, roste postupně s dobou působení kmitavého pohybu a tedy i s počtem cyklů. V počáteční fázi procesu je obvykle intenzita opotřebení větší, ale postupně klesá a po určité době, která je závislá na provozních podmínkách, je konstantní.
e) Vliv pracovního prostředí
Značný vliv na intenzitu vibračního opotřebení má prostředí, v kterém proces probíhá. Dominantní roli má přítomnost kyslíku, protože nevzniká kovový otěr, ale převážně oxidické částice. Procesy tvorby částic otěru jsou velmi komplikované, protože kromě oxidace působí mechanická aktivace kontaktních povrchů i částic otěru. Obvykle se uvádí, že největší intenzita procesů vibračního opotřebení je za sucha. V závislosti na vlhkosti vzduchu, měrném tlaku a frekvenci vibračního pohybu mohou u uhlíkové oceli vznikat oxidy FeO, Fe3O4 a hydroxidy Fe. Kinetika tribooxidace je odlišná od kinetiky oxidace bez současného působení mechanických vlivů, což se projevuje v odlišné struktuře oxidů a jejich vlastnostech. K vibračnímu opotřebení však může docházet i v inertní atmosféře, i když intenzita porušování je výrazně menší.
Kromě kyslíku má značný vliv na intenzitu opotřebení vlhkost. S růstem relativní vlhkosti intenzita vibračního opotřebení klesá na rozdíl od atmosférické koroze. Pokud však vznikají elektrolyty, které rozrušují povrchovou pasivní vrstvu, intenzita vibračního opotřebení roste. V případech vysokoteplotního vibračního opotřebení rychlejší vytváření oxidické vrstvy při vyšší teplotě se projevuje snížením jeho rozsahu.
f) Vliv vlastností materiálů
Fyzikálně-mechanické vlastnosti kovových materiálů ovlivňují jejich odolnost proti vibračnímu opotřebení omezeně, protože ve styčné oblasti se poměrně rychle vytváří oxidická vrstva. Odolnost kovových materiálů je pak zpravidla dána abrazívními účinky oxidů, které jsou obvykle tvrdší než základní kov. Větší měrný objem oxidů mezi stykovými povrchy může vést k lokálnímu zvýšení kontaktního tlaku a tedy i k zvětšení intenzity vibračního opotřebení. Měkké materiály jsou obecně citlivější na vibrační opotřebení než tvrdé materiály stejného typu. V řadě případů však měkké kovy a jejich slitiny mají malé vibrační opotřebení, protože jejich zoxidované částice otěru vlivem působícího zatížení vnikají do povrchových vrstev kovových materiálů.

Negativní účinky vibračního opotřebení
1. Vibrační opotřebení může iniciovat vznik únavových trhlin!! Některé experimentální práce prokázaly, že mez únavy se může snížit až o 50%.
2. Vibrační opotřebení může podporovat lokálně korozi za napětí.
3. Poškozování funkčních povrchů součástí vede ke ztrátě přesnosti, zhoršení drsnosti povrchu i k zhoršení podmínek demontáže.

Možnosti snížení vibračního opotřebení
Zabránit relativnímu pohybu součástí konstrukčními úpravami jako jsou nahrazení kluzného uložení valivým, umožnění větší amplitudy vzájemného pohybu použitím pružných prvků. Omezit provozní vibrace stroje použitím tlumičů nebo pružného uložení. Použít kombinaci kov-plast s určitou pružností, která umožní utlumit vibrace, pokud to dovolují požadavky na přesnost uložení.

Tab. 1 Odolnost proti vibračnímu opotřebení různých kombinací materiálů při tření bez maziva

Povrchové úpravy stykových ploch mohou zvýšit odolnost kovových materiálů proti opotřebení. Z mechanických úprav se osvědčilo zpevnění povrchových vrstev za studena kuličkováním nebo válečkováním. V řadě případů bylo úspěšné i použití tepelného nebo chemicko-tepelného zpracování (povrchové kalení, nitridace či sulfonitridace). Dalším způsobem zvýšení odolnosti proti opotřebení je použití vhodného povlaku vytvořeného elektrochemicky nebo chemicky - povlaky Au, Ag, In, Cu, kompozitní povlaky Ni-PTFE (resp. MoS2) a u slitin hliníku anodické povlaky. Také fosfátování obou třecích ploch se osvědčilo pro zlepšení odolnosti proti vibračnímu opotřebení ocelí, zejména v kombinaci s mazivy.
Účelem maziv je izolace povrchů před vzdušným kyslíkem a snížení koeficientu tření. Vhodná jsou tuhá nebo plastická maziva, kdežto kapalinná maziva při vibračním pohybu nemohou vytvořit kontinuální povlak maziva na stykových površích a tak zabránit styku nerovností povrchů. Proto jsou prakticky neúčinná.

Praktické případy vibračního opotřebení
V praxi existuje řada případů vibračního opotřebení funkčních povrchů. Tyto případy porušování funkčních povrchů vznikají u strojů, kde dochází k přímočarému vratnému pohybu různých konstrukčních uzlech (např. vibrátory). Dále jsou to systémy, kdy vibrace vznikají vlivem pružností v uložení mechanicky namáhaných součástí (nalisované spoje, šroubové a nýtované spoje, lana a pod.). Např. vibrační opotřebení vzniká v uložení lopatek parních a plynových turbin, u trubek parních generátorů a u palivových tyčí v jaderných elektrárnách, v uložení ozubených kol a valivých ložisek na hřídelích, u bioimplantátů apod.
Vibrační opotřebení může často nastat u valivých ložisek strojů dopravovaných po železnici nebo loďmi. Nárazy kol na spoje kolejnic vyvolávají vibrace a podobně se přenáší vibrace lodních motorů na přepravované stroje. Oscilace v kontaktu valivých těles s povrchem oběžných drah vyvolává vibrační opotřebení v oblasti kontaktu a tvorbu důlků. Dochází pak výraznému snížení životnosti těchto ložisek, případně je nezbytné je nahradit před provozním nasazením stroje. Náklady na repasi strojů jsou značné. Řešením je zablokování pohybu nebo občasné protáčení rotačních částí během transportu.
Porušování funkčních povrchů elektrických kontaktů vlivem vibračního opotřebení výrazně ovlivňuje jejich funkčnost a životnost. Vznikající oxidy mohou zvyšovat elektrický odpor kontaktu. Proto se na funkční povrchy kontaktů u elektronických přístrojů nanáší elektrochemicky povlak zlata, které neoxiduje.

Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc.

Späť

........

..................Čítajte TriboTechniku 3/2012