Износ за счет адгезии между металлическими поверхностями.

Введение

Форма износа, вызванная адгезией между скользящими поверхностями, – адгезия между металлическими поверхностями.

Галлинг – это форма износа, возникающая вследствие адгезии между скользящими поверхностями. Когда материал подвергается галлингу, часть его прилипает к контактирующей поверхности, особенно при значительной силе, сжимающей поверхности. Галлинг вызывается сочетанием трения и адгезии между поверхностями, за которым следует проскальзывание и разрушение кристаллической структуры под поверхностью. В результате на сопрягаемой поверхности может оставаться прилипший или даже сварной материал, а поверхность, подвергшаяся галлингу, может иметь вид выемок с комками или обрывками материала, прилипшими к ней. Галлинг наиболее часто встречается на металлических поверхностях, находящихся в скользящем контакте друг с другом. Он особенно распространен при недостаточной смазке между поверхностями. Однако некоторые металлы более склонны к галлингу из-за атомной структуры их кристаллов. Например, алюминий легко подвергается галлингу, в то время как отпущенная (мягкая) сталь обладает несколько большей устойчивостью. Полностью закаленная сталь очень устойчива к галлингу. Галлинг – распространенная проблема во многих областях применения, где металлы скользят друг относительно друга. Это может происходить независимо от того, являются ли металлы одинаковыми или разными. Сплавы, такие как латунь и бронза, часто используются для подшипников, втулок и других скользящих деталей благодаря их устойчивости к галлингу, а также к другим видам механического износа.

Введение

Гальцование – это адгезионный износ, вызванный микроскопическим переносом материала между металлическими поверхностями при поперечном движении (скольжении). Оно часто возникает при контакте металлических поверхностей, скользящих друг относительно друга, особенно при недостаточной смазке. Чаще всего гальцование наблюдается в условиях высоких нагрузок и низких скоростей, хотя оно может происходить и при высоких скоростях и небольших нагрузках. Гальцование – распространенная проблема при штамповке листового металла, в подшипниках и поршнях двигателей, гидравлических цилиндрах, пневмодвигателях и многих других промышленных процессах. Гальцование отличается от вырывания или царапин тем, что включает в себя видимый перенос материала, который адгезивно отрывается (механически отслаивается) с одной поверхности и остается прилипшим к другой в виде выпуклости (галля). В отличие от других видов износа, гальцование обычно не является постепенным процессом, а происходит быстро и стремительно распространяется, поскольку образовавшиеся выпуклости вызывают дальнейшее гальцование. Оно часто возникает в винтах и болтах, приводя к заклиниванию и разрушению резьбы крепежа или отверстия. В крайних случаях болт может заклинить без повреждения резьбы, что может привести к поломке крепежа, инструмента или обоих. Резьбовые вставки из закаленной стали часто используются в металлах, таких как алюминий или нержавеющая сталь, которые легко подвержены гальцовaнию. Для возникновения гальцовaния необходимы два свойства, характерных для большинства металлов: когезия, обусловленная силами металлической связи, и пластичность (способность деформироваться без разрушения). Склонность материала к гальцовaнию зависит от его пластичности. Обычно закаленные материалы более устойчивы к гальцовaнию, в то время как более мягкие материалы того же типа гальцуются легче. Склонность материала к гальцовaнию также зависит от конкретного расположения атомов, поскольку кристаллы, имеющие гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, обычно допускают больший перенос материала, чем объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку. Это связано с тем, что гранецентрированная кубическая решетка имеет большую тенденцию к образованию дислокаций в кристаллической решетке, которые являются дефектами, позволяющими решетке смещаться или "перекрестно скользить", что делает металл более подверженным гальцовaнию. Однако, если металл имеет большое количество дефектов упаковки (различия в последовательности укладки атомных плоскостей), он будет менее склонен к перекрестному скольжению по дислокациям. Следовательно, устойчивость материала к гальцовaнию в первую очередь определяется его энергией дефектов упаковки. Материал с высокой энергией дефектов упаковки, такой как алюминий или титан, будет гораздо более восприимчив к гальцовaнию, чем материалы с низкой энергией дефектов упаковки, такие как медь, бронза или золото. И наоборот, материалы с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурой и высоким отношением c/a, такие как кобальтовые сплавы, обладают высокой устойчивостью к гальцовaнию. Гальцование начинается с переноса материала из отдельных зерен в микроскопическом масштабе, который прилипает или даже диффузионно сваривается с соседней поверхностью. Этот перенос может усиливаться, если один или оба металла образуют тонкий слой твердых оксидов с высоким коэффициентом трения, например, на алюминии или нержавеющей стали. По мере роста выпуклости она давит на соседний материал, раздвигая его и концентрируя большую часть тепловой энергии трения в очень маленькой области. Это, в свою очередь, приводит к усилению адгезии и накоплению материала. Локальный нагрев увеличивает пластичность гальцуемой поверхности, деформируя металл до тех пор, пока выпуклость не прорвет поверхность и не начнет поднимать большие объемы материала с гальцуемой поверхности. Методы предотвращения гальцовaния включают использование смазочных материалов, таких как смазка и масло, покрытий с низким коэффициентом трения и тонких пленок, таких как дисульфид молибдена или нитрид титана, а также повышение поверхностной твердости металлов с помощью таких процессов, как цементация и индукционная закалка.

Galling is adhesive wear that is caused by the microscopic transfer of material between metallic surfaces during transverse motion (sliding). It occurs frequently whenever metal surfaces are in contact, sliding against each other, especially with poor lubrication. It often occurs in high load, low speed applications, although it also can occur in high speed applications with very little load. Galling is a common problem in sheet metal forming, bearings and pistons in engines, hydraulic cylinders, air motors, and many other industrial operations. Galling is distinct from gouging or scratching in that it involves the visible transfer of material as it is adhesively pulled (mechanically spalled) from one surface, leaving it stuck to the other in the form of a raised lump (gall). Unlike other forms of wear, galling is usually not a gradual process but occurs quickly and spreads rapidly as the raised lumps induce more galling. It can often occur in screws and bolts, causing the threads to seize and tear free from the fastener or the hole. In extreme cases, the bolt may seize without stripping the threads, which can lead to breakage of the fastener, the tool, or both. Threaded inserts of hardened steel are often used in metals like aluminium or stainless steel that can gall easily. Galling requires two properties common to most metals, cohesion through metallic bonding attractions and plasticity (the ability to deform without breaking). The tendency of a material to gall is affected by the ductility of the material. Typically, hardened materials are more resistant to galling, whereas softer materials of the same type will gall more readily. The propensity of a material to gall is also affected by the specific arrangement of the atoms, because crystals arranged in a face centered cubic (FCC) lattice will usually allow material transfer to a greater degree than a body centered cubic (BCC). This is because a face centered cubic has a greater tendency to produce dislocations in the crystal lattice, which are defects that allow the lattice to shift, or "cross slip," making the metal more prone to galling. However, if the metal has a high number of stacking faults (a difference in stacking sequence between atomic planes), it will be less apt to cross slip at the dislocations. Therefore, a material's resistance to galling is primarily determined by its stacking fault energy. A material with high stacking fault energy, such as aluminium or titanium, will be far more susceptible to galling than materials with low stacking fault energy, like copper, bronze, or gold. Conversely, materials with a hexagonal close packed (HCP) structure and a high c/a ratio, such as cobalt based alloys, are extremely resistant to galling. Galling occurs initially with material transfer from individual grains on a microscopic scale, which become stuck or even diffusion welded to the adjacent surface. This transfer can be enhanced if one or both metals form a thin layer of hard oxides with high coefficients of friction, such as those found on aluminum or stainless steel. As the lump grows, it pushes against the adjacent material, forcing them apart and concentrating most of the friction heat energy into a very small area. This, in turn, causes more adhesion and material build up. The localized heat increases the plasticity of the galled surface, deforming the metal until the lump breaks through the surface and begins plowing up large amounts of material from the galled surface. Methods of preventing galling include the use of lubricants like grease and oil, low friction coatings and thin film deposits like molybdenum disulfide or titanium nitride, and increasing the surface hardness of the metals using processes such as case hardening and induction hardening.

Механизм

В инженерной науке и других технических областях термин "галлинг" широко распространен. Влияние ускорения в зоне контакта между материалами было математически описано и соотнесено с механизмом трения, наблюдаемым на дорожках при эмпирических исследованиях явления галлинга. В связи с проблемами, возникавшими из-за предыдущих несовместимых определений и методов испытаний, усовершенствование измерительных средств в сочетании с более глубоким пониманием вовлеченных механизмов трения привело к попытке стандартизировать или переопределить термин "галлинг" для обеспечения более широкого применения. ASTM International сформулировала и утвердила общее определение технического аспекта явления галлинга в стандарте ASTM G40: "Галлинг – это форма поверхностного повреждения, возникающая между скользящими твердыми телами, характеризующаяся микроскопическим, как правило локализованным, шероховатением и образованием выступов (например, наростов) над первоначальной поверхностью". Когда две металлические поверхности прижимаются друг к другу, первоначальное взаимодействие и точки соприкосновения – это неровности, или высшие точки, на каждой поверхности. Неровность может проникать в противоположную поверхность при наличии сходящегося контакта и относительного движения. Контакт между поверхностями инициирует трение или пластическую деформацию и вызывает давление и энергию в небольшой области, называемой зоной контакта. Повышение давления увеличивает плотность энергии и температуру в деформированной области. Это приводит к усилению адгезии между поверхностями, что инициирует перенос материала, образование наростов, рост выступов и создание выступов над первоначальной поверхностью. Если выступ (или перенесенный материал, выступающий на одной поверхности) вырастает до высоты в несколько микрометров, он может проникнуть в поверхностный оксидный слой противоположной поверхности и повредить основной материал. Повреждение основного материала является необходимым условием для пластического течения, наблюдаемого в деформированном объеме, окружающем выступ. Геометрия и скорость роста выступа определяют, как будет транспортироваться, ускоряться и замедляться текущий материал вокруг выступа. Этот поток материала критически важен при определении контактного давления, плотности энергии и развиваемой температуры при скольжении. Математическая функция, описывающая ускорение и замедление потока материала, определяется геометрическими ограничениями, выведенными или заданными контуром поверхности выступа. Если соблюдены необходимые условия, такие как геометрические ограничения выступа, накопление энергии может вызвать существенное изменение контактного и пластического поведения материала, увеличивая силу трения, необходимую для адгезии и дальнейшего движения. При скользящем трении увеличение сжимающего напряжения пропорционально увеличению потенциальной энергии и температуры в зоне контакта. Накопление энергии во время скольжения может уменьшить потери энергии из зоны контакта из-за небольшой площади поверхности на границе раздела, а следовательно, низкой теплопроводности. Другая причина – это энергия, непрерывно передаваемая в металлы, которая является произведением ускорения и давления. В совокупности эти механизмы обеспечивают постоянное накопление энергии, вызывая повышенную плотность энергии и температуру в зоне контакта при скольжении. Процесс и контакт можно сравнить с холодной сваркой или сваркой трением, поскольку холодная сварка не является полностью холодной, а точки соединения демонстрируют повышение температуры и плотности энергии, обусловленные приложенным давлением и пластической деформацией в зоне контакта.

In engineering science and other technical aspects, the term galling is widespread. The influence of acceleration in the contact zone between materials has been mathematically described and correlated to the exhibited friction mechanism found in the tracks during empiric observations of the galling phenomenon. Due to problems with previous incompatible definitions and test methods, better means of measurements in coordination with a greater understanding of the involved frictional mechanisms have led to the attempt to standardize or redefine the term galling to enable a more generalized use. ASTM International has formulated and established a common definition for the technical aspect of the galling phenomenon in the ASTM G40 standard: "Galling is a form of surface damage arising between sliding solids, distinguished by microscopic, usually localized, roughening and creation of protrusions (e. g., lumps) above the original surface". When two metallic surfaces are pressed against each other, the initial interaction and the mating points are the asperities, or high points, found on each surface. An asperity may penetrate the opposing surface if there is a converging contact and relative movement. The contact between the surfaces initiates friction or plastic deformation and induces pressure and energy in a small area called the contact zone. The elevation in pressure increases the energy density and heat level within the deformed area. This leads to greater adhesion between the surfaces, which initiates the material transfer, galling build up, lump growth, and creation of protrusions above the original surface. If the lump (or protrusion of transferred material to one surface) grows to a height of several micrometers, it may penetrate the opposing surface oxide layer and cause damage to the underlying material. Damage in the bulk material is a prerequisite for plastic flow found in the deformed volume surrounding the lump. The geometry and speed of the lump define how the flowing material will be transported, accelerated, and decelerated around the lump. This material flow is critical when defining the contact pressure, energy density, and developed temperature during sliding. The mathematical function describing acceleration and deceleration of flowing material is thereby defined by the geometrical constraints, deduced or given by the lump's surface contour. If the right conditions are met, such as geometric constraints of the lump, an accumulation of energy can cause a clear change in the material's contact and plastic behavior, increasing the friction force required for adhesion and further movement. In sliding friction, increased compressive stress is proportionally equal to a rise in potential energy and temperature within the contact zone. The energy accumulation during sliding can reduce energy loss from the contact zone due to a small surface area on the surface boundary, thus, low heat conductivity. Another reason is the energy continuously forced into the metals, which is a product of acceleration and pressure. In cooperation, these mechanisms allow constant energy accumulation, causing increased energy density and temperature in the contact zone during sliding. The process and contact can be compared to cold welding or friction welding because cold welding is not truly cold, and the fusing points exhibit an increase in temperature and energy density derived from applied pressure and plastic deformation in the contact zone.

Инцидентность и местоположение

Задиры часто возникают между металлическими поверхностями, где происходит прямой контакт и относительное движение. Формовка листового металла, производство резьбы и другие промышленные операции могут включать подвижные части или контактные поверхности из нержавеющей стали, алюминия, титана и других металлов, естественное образование внешнего оксидного слоя которых посредством пассивации повышает их коррозионную стойкость, но делает их особенно подверженными задирам. В металлообработке, включающей резание (преимущественно точение и фрезерование), задир часто используется для описания явления износа, возникающего при обработке мягких металлов. Материал заготовки переносится на режущий инструмент и образует "навар". Образовавшийся навар изменяет характер контакта между двумя поверхностями, что обычно увеличивает адгезию и сопротивление дальнейшей обработке, а из-за возникающих вибраций может быть слышен как отчетливый звук. Задиры часто возникают при работе с алюминиевыми сплавами и являются распространенной причиной поломки инструмента. Алюминий – пластичный металл, то есть обладает способностью к пластической деформации с относительной легкостью, что предполагает наличие относительно стабильной и значительной пластической зоны. Высокая пластичность и текучесть материала могут рассматриваться как общее условие для чрезмерного переноса материала и задиров, поскольку фрикционное нагревание тесно связано со структурой пластических зон вокруг внедряющихся объектов. Задиры могут возникать даже при относительно низких нагрузках и скоростях, поскольку именно реальная плотность энергии в системе вызывает фазовый переход, который часто приводит к увеличению переноса материала и повышению трения.