UZAREA, UZURA

1. Consideratii generale

1.1. Definitii, efectele uzarii

Uzarea este procesul sau fenomenul de degradare a suprafetelor cuplei de frecare.

Degradarea suprafetelor cuplei de frecare poate fi cantitativa sau calitativa. Degradarea cantitativa inseamna pierderea de material, care este uzura. Uzura conduce la urmatoarele efecte:

a)      modificarea formei macro si microgeometrice;

b)      modificarea jocului din cupla;

c)      modificarea structurii suprafetelor.

Degradarea calitativa inseamna disfunctionalitati. Exista, astfel:

a)      disfunctionalitati cinematice (la angrenaje, raportul de transmitere nu mai ramane constant, i  ct);

b)      disfunctionalitati dinamice (vibratii si zgomot);

c)      regim termic ridicat care, determina pierderea proprietatilor de ungere ale lubrifiantului, reducerea rezistentei mecanice, accelerarea procesul de uzare etc.;

d)      in final se poate chiar bloca cupla (la gripare).

In general, uzarea este nedorita datorita efectelor sale negative, prezentate mai sus. Totusi, exista situatii in care uzarea este dorita, de exemplu in cazul prelucrarilor (polizare, sablare, sudarea prin frictiune).

1.2. Indicatori ai uzurii

Indicatorii uzarii caracterizeaza marimea uzurii in mod absolut sau relativ. Ei sunt sintetizati si definiti in fig. 1

Fig. 17.1. Indicatori absoluti si relativi ai uzarii

Intre acesti indicatori relativi se pot stabili expresii de dependenta. Lungimea de frecare, precum si intensitatea de uzare depind de geometria, viteza relativa intre semicuple si de durata de functionare.

2. Tipurile de uzare

2.1. Clasificare

O clasificare a tipurilor de uzare este redata in fig. 2.

Fig. 17.2. Tipuri de uzare

2.2. Uzarea abraziva

Uzarea abraziva este un proces mecanic de zgarieturi fine si detasari de particule microscopice de pe suprafetele cuplei de frecare. Ea este produsa de particulele dure sau asperitatile mai dure ale suprafetelor de contact. Particulele dure sunt fie libere intre suprafete, sau incorporate uneia din ele; daca particulele dure sunt libere, uzarea este mai mica. Particulele dure sunt rezultatul procesului de uzare sau pot proveni din mediul ambiant.

Uzarea abraziva este similara unei prelucrari prin aschiere extrem de slabe. Prin roaderea varfurilor asperitatilor se mareste continuu suprafata de sustinere, iar presiunea de contact scade pe aceste varfuri. In al doilea rand, particulele abrazive libere isi pierd capacitatea distructiva prin tocire sau sfaramare. Intervine, ca urmare, o perioada de echilibru de durata mai lunga, cu uzare abraziva redusa, in conditiile ungerii normale.

In timpul abraziunii, suprafetele metalice se ecruiseaza, crescand in acest fel rezistenta la uzare.

Uzarea abraziva intervine:

la rodaj;

in stadiile de frecare uscata, limita sau mixta;

in regimul fluid cu portanta insuficienta a filmului (porniri, opriri);

la o etansare insuficienta.

Masurile de reducere a uzarii abrazive sunt:

a)      imbunatatirea sistemului de etansare;

b)      filtrarea corespunzatoare;

c)      durificarea suprafetelor si realizarea unei rugozitati mici;

d)      alegerea adecvata a cuplei de materiale, pusa in evidenta si prin experienta.

2.3. Uzarea de contact (cu stadiul limita de gripare)

Uzarea de contact apare atunci cand nu mai sunt indeplinite conditiile ungerii fluide si se realizeaza un contact direct metalic, fara straturi de protectie (adsorbite, chemisorbite, oxizi), care determina aparitia microsudurilor sau microjonctiunilor. Se poate face o prezentare a derularii "istorice" posibile a unui asemenea fenomen.

Fie situatia in care regimul de ungere fluid exista. Daca sub diferite influente (sarcina sau temperatura marita sau reducerea vitezei relative) nu mai este asigurata grosimea minima a filmului de lubrifiant si apar contacte directe locale (pe varfurile rugozitatilor), atunci pot intra in functiune straturile adsorbite de lubrifiant si se evita formarea microsudurilor. Ca urmare a neindeplinirii conditiilor ungerii fluide se produce si cresterea temperaturii in film sau suprafete. Daca temperatura creste incat stratul adsorbit nu se mai mentine, atunci se pot produce reactii chimice intre metal si lubrifiant in prezenta aerului: se formeaza, astfel, straturi de oxizi, protectoare la uzarea de contact. Aceste straturi sunt realizate mai ales in prezenta aditivilor specifici de extrema presiune (EP), incepand de la o anumita temperatura critic si se formeaza straturile chemisorbite, de asemenea protectoare la formarea microsudurilor. Este de relevat de asemenea ca reactiile chimice care dau astfel de straturi chemisorbite protectoare uzeaza suprafata in mod controlat: straturile chemisorbite sunt inlaturate prin frecare si se refac continuu. In cazul in care temperatura creste in continuare, atunci se formeaza microsuduri; in procesul frecarii, aceste microsuduri se rup daca au aceeasi rezistenta sau mai mica decat cea a materialelor cuplei, sau se produce ruperea din materialul mai moale (pe adancime de 0.005-0,080 mm), cu smulgere si transfer de material la cealalta suprafata. Incep sa apara, ca urmare, urme pe suprafete: benzi de gripare in directia alunecarii relative (fig. 2), sau suprafetele devin poroase si cu rugozitati marite. Daca procesul continua, distrugerea suprafetelor se accentueaza. In conditiile cele mai critice, este posibil sa se produca chiar blocarea relativa a suprafetelor cuplei; se spune ca are loc griparea suprafetelor cuplei.

Exista doua tipuri de gripari cu subtipuri corespondente:

a)      in functie de marimea care determina cresterea temperaturii exista:

griparea termica, la care marimea este viteza relativa mare intre suprafetele cuplei;

griparea atermica, la care marimea este sarcina mare de incarcare, chiar la viteze mai reduse;

b)      in functie de gradul de deteriorare exista:

griparea incipienta (de rodaj), care apare in perioada imediat punerii in functiune a cuplei; ea dispare odata cu reducerea rugozitatii in procesul de rodare;

griparea progresiva, care semnifica distrugerea pronuntata prin benzi de gripare, pori si rugozitati marite.

Masuri de crestere a portantei la gripare rezulta pe baza consideratiilor anterioare:

a)      cupluri de materiale nesudabile, adica cu o compozitie chimica diferita: otel/bronz, otel/cupru etc., fata de otel/otel sau otel/fonta;

b)      tratamente termice si termochimice (cementare, nitrurare, fosfatare), care determina o duritate mare a suprafetei si evitarea deformarii plastice locale generatoare de microsuduri. Este, insa, bine ca duritatea suprafetelor din acelasi material sa fie relativ diferita, pentru ca se pot forma microsuduri mai usor. De asemenea, se face observatia ca imbogatirea cu unele elemente de aliere conduce la evitarea aparitiei microsudurilor;

c)      rugozitate mica;

d)      uleiuri aditivate (cu aditivi de EP) sau in cel mai rau caz uleiuri vascoase (onctuoase).

2.4. Uzarea prin ciupituri (pitting)

Uzarea prin ciupituri este un fenomen de uzare prin oboseala (denumit si pitting), specific mai ales contactelor de rostogolire. Contactul hertzian este incarcat complex: cu o distributie de presiuni eliptica pe suprafata si cu o stare de tensiuni tangentiale la mica adancime in substrat (fig. 4, care se analizeaza tinand seama ca semilatimea suprafetei deformate de contact este de circa mm). Punctele slabe de material (goluri, sufluri, incluziuni nemetalice sau metalice) sunt amorsele initiale unde incepe ruperea locala prin oboseala in urma solicitarii variabile. Fisura care apare local se propaga mai intai spre suprafata (fig. 5, a). Apoi se produce actiunea hidrostatica a uleiului in fisura, care va determina o largire a ei pe directie perpendiculara pe suprafata (fig. 5, b) si ruperea locala a materialului in jurul fisurii (fig. 5, c). Se formeaza in acest fel ciupituri sau gropite de anumite marimi (diametre mai mici de 0,5 mm); o astfel de stare este redata in fig. 6 pentru flancul dintelui unei roti dintate. Odata cu cresterea numarului si a marimii acestor ciupituri, sunt perturbate conditiile de functionare normala: dispare ungerea, apar sarcini dinamice etc. De regula, se considera conventional ca suprafata ocupata de ciupituri la limita de distrugere este un procent din cea efectiva, in functie de tipul cuplei si materiale; de exemplu, la angrenaje se considera ca limita de distrugere este de 2% din suprafata efectiva a flancului daca materialele sunt oteluri de imbunatatire si 1% - daca materialele sunt oteluri de cementare-calire-revenire joasa, adica durificate superficial.

Exista doua feluri de pitting in functie de gradul de deteriorare specific:

a)      pitting incipient (de rodaj), care se manifesta la inceputul functionari cuplei;     ciupiturile se formeaza pe varfurile rugozitatilor si dispar odata cu netezirea acestora, la terminarea rodajului;

b)      pitting progresiv, care se manifesta prin aparitia de ciupituri care se dezvolta in mod continuu pana la distrugerea suprafetei.

Masuri de crestere a portantei la pitting:

a)      evitarea amorselor (punctelor slabe); de exemplu, folosirea de oteluri cu numar limitat de incluziuni si cu dispersia lor uniforma (oteluri vidate, cu numarul de incluziuni redus la 50%),

b)      reducerea tensiunilor normale si tangentiale prin sarcini reduse si raze de curbura mari ale celor doua suprafete;

c)      durificarea suprafetelor, deci cresterea rezistentei mecanice la suprafata;

d)      rugozitatea redusa, care determina:

reducerea varfurilor de tensiuni normale si tangentiale;

reducerea pittingului incipient;

e)      asigurarea ungerii (vascozitate mare la viteze mai mari, pentru a se impiedica intrarea lubrifiantului in fisuri).

2.5. Exfolierea

Reprezinta fenomenul de oboseala care conduce la desprinderea de particule metalice cu grosimea de 1 mm, sau oxizi cu grosimea de 0,01 mm. Fenomenul se produce cand este depasita tensiunea de rupere in substrat la mica adancime. Acest tip de uzare este activat de tensiuni interne dupa tratamente termice defectuoase. Se observa ca acest fenomen este determinat de conditii initiale diferite de cele specifice pittingului.

2.6. Uzarea prin cavitatie

Este un proces care are pe o suprafata metalica imersata in fluid, care isi are originea in actiunea pulsatorie de natura hidrodinamica a lichidului. La schimbari bruste ale vitezei dintre fluid si metal are loc scaderea locala a presiunii statice din lichid. Aceasta inseamna scaderea punctului de fierbere al lichidului, ce conduce la vaporizarea locala a acestuia. Se formeaza, astfel, pungi de vapori (sau bule de cavitatie). Cand presiunea statica revine la normal, se produce o implozie, adica o spargere a bulelor pe suprafata metalica: se nasc, astfel, forte mari de impact pe microzonele suprafetei metalice. Ca urmarea a acestui proces de ciocanire se produce oboseala metalului. Ea determina in timp desprinderea de particule metalice. Procesul poate fi conjugat cu cel al coroziunii.

Factorii care influenteaza negativ procesul sunt:

a)      frecventa mare a imploziei bulelor de cavitatie;

b)      vascozitatea ridicata a lubrifiantului.

Este evident ca o vascozitate mai redusa a fluidului, precum si o duritate mare a suprafetei metalice sunt masuri de ridicare a portantei la uzarea prin cavitatie.

Procesul este intalnit la paletele pompelor, dar chiar si pe cilindrii motoarelor cu aprindere prin comprimare de turatii mari.

2.7. Coroziunea de fretaj

Este un proces mixt pe suprafata asamblarii cu strangere proprie, constituit din microalunecari pe distante atomice si coroziune. Microalunecarile sunt datorate sarcinilor variabile exterioare. Ca urmare, suprafetele se distrug prin oboseala: apar fisuri, crapaturi, gropite, desprinderea de microparticule dure.

2.8. Uzarea coroziva

Este o uzare de natura chimica sau electrochimica. Ea rezulta prin:

a)      actiunea agentilor corozivi (apa, oxigenul, urme de substante agresive din lubrifiant);

b)      indepartarea produsilor de reactie prin frecare;

c)      repetarea permanenta a procesului.

Pericolul coroziunii este cu atat mai mare cu cat este mai mare diferentierea sub aspect electrochimic intre materialele cuplei. De asemenea, temperatura mai ridicata favorizeaza coroziunea. Fenomenul de coroziune este tratat pe larg in cursurile de chimie-fizica.