17. UZAREA, UZURA...................................................................................................................................................15217.1. Consideraţii generale...........................................................................................................................................152

17.1.1. Definiţii, efectele uzării................................................................................................................................15217.1.2. Indicatori ai uzurii........................................................................................................................................152

17.2. Tipurile de uzare..................................................................................................................................................15317.2.1. Clasificare.....................................................................................................................................................15317.2.2. Uzarea abrazivă............................................................................................................................................15317.2.3. Uzarea de contact (cu stadiul limită de gripare)...........................................................................................15417.2.4. Uzarea prin ciupituri (pitting).......................................................................................................................15517.2.5. Exfolierea.....................................................................................................................................................15617.2.6. Uzarea prin cavitaţie.....................................................................................................................................15617.2.7. Coroziunea de fretaj.....................................................................................................................................15717.2.8. Uzarea corozivă............................................................................................................................................157

17. UZAREA, UZURA17.1. Consideraţii generale

17.1.1. Definiţii, efectele uzării

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

Degradarea suprafeţelor cuplei de frecare poate fi cantitativă sau calitativă. Degradarea cantitativă înseamnă pierderea de material, care este uzura. Uzura conduce la următoarele efecte:

a) modificarea formei macro şi microgeometrice;b) modificarea jocului din cuplă;c) modificarea structurii suprafeţelor.

Degradarea calitativă înseamnă disfuncţionalităţi. Există, astfel:a) disfuncţionalităţi cinematice (la angrenaje, raportul de transmitere nu mai rămâne constant,

i  ct);b) disfuncţionalităţi dinamice (vibraţii şi zgomot);c) regim termic ridicat care, determină pierderea proprietăţilor de ungere ale lubrifiantului,

reducerea rezistenţei mecanice, accelerarea procesul de uzare etc.;d) în final se poate chiar bloca cupla (la gripare).

În general, uzarea este nedorită datorită efectelor sale negative, prezentate mai sus. Totuşi, există situaţii în care uzarea este dorită, de exemplu în cazul prelucrărilor (polizare, sablare, sudarea prin fricţiune).

17.1.2. Indicatori ai uzurii

Indicatorii uzării caracterizează mărimea uzurii în mod absolut sau relativ. Ei sunt sintetizaţi şi definiţi în fig. 17.1

Indicatori absoluţi

uzura liniară = dimensiunea liniară a grosimii uzare (Ul)uzura planimetrică = aria secţiunii uzate perpendiculare pe suprafaţa de uzare) (Up)uzura volumetrică = volumul uzat (Uv)uzura gravimetrică (masică) = masa de material uzat (Ug)

Indicatori relativi

viteza de uzare = uzura (liniară, planimetrică, volumetrică, gravimetrică)/timpul de uzareintensitatea de uzare = uzura (liniara, planimetrică, volumetrică, gravimetrică)/lungimea de frecare

Între aceşti indicatori relativi se pot stabili expresii de dependenţă. Lungimea de frecare, precum şi intensitatea de uzare depind de geometria, viteza relativă între semicuple şi de durata de funcţionare.

152

Fig. 17.1. Indicatori absoluţi şi relativi ai uzării

17.2. Tipurile de uzare

17.2.1. Clasificare

O clasificare a tipurilor de uzare este redată în fig. 17.2.

Uzarea

abrazivă

aderentă sau de contact (cu standiul limită de gripare)

de oboseală

prin ciupituri (pitting)prin exfoliereprin cavitaţieprin coroziune de fretaj

corozivă

alte tipuri

imprimare (brinelare)uzarea termică (pătarea, arderea)fisurareaaltele

17.2.2. Uzarea abrazivă

Uzarea abrazivă este un proces mecanic de zgârieturi fine şi detaşări de particule microscopice de pe suprafeţele cuplei de frecare. Ea este produsă de particulele dure sau asperităţile mai dure ale suprafeţelor de contact. Particulele dure sunt fie libere între suprafeţe, sau incorporate uneia din ele; dacă particulele dure sunt libere, uzarea este mai mică. Particulele dure sunt rezultatul procesului de uzare sau pot proveni din mediul ambiant.

Uzarea abrazivă este similară unei prelucrări prin aşchiere extrem de slabe. Prin roaderea vârfurilor asperităţilor se măreşte continuu suprafaţa de susţinere, iar presiunea de contact scade pe aceste vârfuri. În al doilea rând, particulele abrazive libere îşi pierd capacitatea distructivă prin tocire sau sfărâmare. Intervine, ca urmare, o perioadă de echilibru de durată mai lungă, cu uzare abrazivă redusă, în condiţiile ungerii normale.

În timpul abraziunii, suprafeţele metalice se ecruisează, crescând în acest fel rezistenţa la uzare.

Uzarea abrazivă intervine: la rodaj; în stadiile de frecare uscată, limită sau mixtă; în regimul fluid cu portanţă insuficientă a filmului (porniri, opriri); la o etanşare insuficientă.

Măsurile de reducere a uzării abrazive sunt:

153

Fig. 17.2. Tipuri de uzare

a) îmbunătăţirea sistemului de etanşare;b) filtrarea corespunzătoare;c) durificarea suprafeţelor şi realizarea unei rugozităţi mici;d) alegerea adecvată a cuplei de materiale, pusă în evidenţă şi prin experienţă.

17.2.3. Uzarea de contact (cu stadiul limită de gripare)

Uzarea de contact 1) apare atunci când nu mai sunt îndeplinite condiţiile ungerii fluide şi se realizează un contact direct metalic, fără straturi de protecţie (adsorbite, chemisorbite, oxizi), care determină apariţia microsudurilor sau microjoncţiunilor. Se poate face o prezentare a derulării „istorice” posibile a unui asemenea fenomen.

Fie situaţia în care regimul de ungere fluid există. Dacă sub diferite influenţe (sarcină sau temperatură mărită sau reducerea vitezei relative) nu mai este asigurată grosimea minimă a filmului de lubrifiant şi apar contacte directe locale (pe vârfurile rugozităţilor), atunci pot intră în funcţiune straturile adsorbite de lubrifiant şi se evită formarea microsudurilor. Ca urmare a neîndeplinirii condiţiilor ungerii fluide se produce şi creşterea temperaturii în film sau suprafeţe. Dacă temperatura creşte încât stratul adsorbit nu se mai menţine, atunci se pot produce reacţii chimice între metal şi lubrifiant în prezenţa aerului: se formează, astfel, straturi de oxizi, protectoare la uzarea de contact. Aceste straturi sunt realizate mai ales în prezenţa aditivilor specifici de extremă presiune (EP), începând de la o anumită temperatură critic şi se formează straturile chemisorbite,

de asemenea protectoare la formarea microsudurilor. Este de relevat de asemenea că reacţiile chimice care dau astfel de straturi chemisorbite protectoare uzează suprafaţa în mod controlat: straturile chemisorbite sunt înlăturate prin frecare şi se refac continuu. În cazul în care temperatura creşte în continuare, atunci se formează microsuduri; în procesul frecării, aceste microsuduri se rup dacă au aceeaşi rezistenţă sau mai mică decât cea a materialelor cuplei, sau se produce ruperea din materialul mai moale (pe adâncime de 0.005-0,080 mm), cu smulgere şi transfer de material la cealaltă suprafaţă. Încep să apară, ca urmare, urme pe suprafeţe: benzi de gripare în direcţia alunecării relative (fig. 17.2), sau suprafeţele devin poroase şi cu rugozităţi mărite. Dacă procesul continuă, distrugerea suprafeţelor se accentuează. În condiţiile cele mai critice, este posibil să se producă chiar blocarea relativă a suprafeţelor cuplei; se spune că are loc griparea suprafeţelor cuplei.

Există două tipuri de gripări cu subtipuri corespondente:a) în funcţie de mărimea care determină creşterea temperaturii există:

- griparea termică, la care mărimea este viteza relativă mare între suprafeţele cuplei;- griparea atermică, la care mărimea este sarcina mare de încărcare, chiar la viteze

mai reduse;b) în funcţie de gradul de deteriorare există:

- griparea incipientă (de rodaj), care apare în perioada imediat punerii în funcţiune a cuplei; ea dispare odată cu reducerea rugozităţii în procesul de rodare;

1) Este denumită şi uzare adezivă. În prezentul curs se va folosi denumirea uzarea de contact.

154

Benzi de gripare

de direcţia alunecării

Fig. 17.3. Benzi de gripare pe înălţimea dintelui, pe direcţia

alunecării relative (aflate pe capul dintelui, unde viteza de alunecare

pe suprafaţă este maximă)

- griparea progresivă, care semnifică distrugerea pronunţată prin benzi de gripare, pori şi rugozităţi mărite.

Măsuri de creştere a portanţei la gripare rezultă pe baza consideraţiilor anterioare:a) cupluri de materiale nesudabile, adică cu o compoziţie chimică diferită: oţel/bronz,

oţel/cupru etc., faţă de oţel/oţel sau oţel/fontă;b) tratamente termice şi termochimice (cementare, nitrurare, fosfatare), care determină o

duritate mare a suprafeţei şi evitarea deformării plastice locale generatoare de microsuduri. Este, însă, bine ca duritatea suprafeţelor din acelaşi material să fie relativ diferită, pentru că se pot forma microsuduri mai uşor. De asemenea, se face observaţia că îmbogăţirea cu unele elemente de aliere conduce la evitarea apariţiei microsudurilor;

c) rugozitate mică;d) uleiuri aditivate (cu aditivi de EP) sau în cel mai rău caz uleiuri vâscoase (onctuoase).

17.2.4. Uzarea prin ciupituri (pitting)

Uzarea prin ciupituri este un fenomen de uzare prin oboseală (denumit şi pitting), specific mai ales contactelor de rostogolire. Contactul hertzian este încărcat complex: cu o distribuţie de

presiuni eliptică pe suprafaţă şi cu o stare de tensiuni tangenţiale la mică adâncime în substrat (fig. 17.4, care se analizează ţinând seama că semilăţimea suprafeţei deformate de contact este de circa mm). Punctele slabe de material (goluri, sufluri, incluziuni nemetalice sau metalice) sunt amorsele iniţiale unde începe ruperea locală prin oboseală în urma solicitării variabile. Fisura care apare local se propagă mai întâi spre suprafaţă (fig. 17.5, a). Apoi se produce acţiunea hidrostatică a uleiului în fisură, care va determina o lărgire a ei pe direcţie perpendiculară pe suprafaţă (fig. 17.5, b) şi ruperea locală a materialului în jurul fisurii (fig. 17.5, c). Se formează în acest fel ciupituri sau gropiţe de anumite mărimi (diametre mai mici de 0,5 mm); o astfel de stare este redată în fig. 17.6 pentru flancul dintelui unei roţi dinţate. Odată cu creşterea numărului şi a mărimii acestor ciupituri, sunt perturbate condiţiile de funcţionare normală: dispare ungerea, apar sarcini dinamice etc. De regulă, se consideră convenţional că suprafaţa ocupată de

ciupituri la limita de distrugere este un procent din cea efectivă, în funcţie de tipul cuplei şi materiale; de exemplu, la angrenaje se consideră că limita de distrugere este de 2% din suprafaţa efectivă a flancului dacă materialele sunt oţeluri de îmbunătăţire şi 1% - dacă materialele sunt oţeluri de cementare-călire-revenire joasă, adică durificate superficial.

Există două feluri de pitting în funcţie de gradul de deteriorare specific:

a) pitting incipient (de rodaj), care se manifestă la începutul funcţionări cuplei; ciupiturile se formează pe vârfurile rugozităţilor şi dispar odată cu netezirea acestora, la terminarea rodajului;

155

a)

Amorsă existentă

b) c)

Propagarea fisurii la suprfaţăContinuarea propagării fisurii

prin obosealăsub acţiunea hidrostatică a uleiului

şi prin oboseală

Fig. 17.5. Etape ale formării ciupiturilor

max H

H

0,6

a

2a

Fig. 17.4. Starea de tensiuni normale şi tangenţiale la

contactul hertzian

b) pitting progresiv, care se manifestă prin apariţia de ciupituri care se dezvoltă în mod continuu până la distrugerea suprafeţei.

Măsuri de creştere a portanţei la pitting:a) evitarea amorselor (punctelor slabe); de exemplu,

folosirea de oţeluri cu număr limitat de incluziuni şi cu dispersia lor uniformă (oţeluri vidate, cu numărul de incluziuni redus la 50%),

b) reducerea tensiunilor normale şi tangenţiale prin sarcini reduse şi raze de curbură mari ale celor două suprafeţe;

c) durificarea suprafeţelor, deci creşterea rezistenţei mecanice la suprafaţă;d) rugozitatea redusă, care determină:

- reducerea vârfurilor de tensiuni normale şi tangenţiale;- reducerea pittingului incipient;

e) asigurarea ungerii (vâscozitate mare la viteze mai mari, pentru a se împiedica intrarea lubrifiantului în fisuri).

17.2.5. Exfolierea

Reprezintă fenomenul de oboseală care conduce la desprinderea de particule metalice cu grosimea de 1 m, sau oxizi cu grosimea de 0,01 m. Fenomenul se produce când este depăşită tensiunea de rupere în substrat la mică adâncime. Acest tip de uzare este activat de tensiuni interne după tratamente termice defectuoase. Se observă că acest fenomen este determinat de condiţii iniţiale diferite de cele specifice pittingului.

17.2.6. Uzarea prin cavitaţie

Este un proces care are pe o suprafaţă metalică imersată în fluid, care îşi are originea în acţiunea pulsatorie de natură hidrodinamică a lichidului. La schimbări bruşte ale vitezei dintre fluid şi metal are loc scăderea locală a presiunii statice din lichid. Aceasta înseamnă scăderea punctului de fierbere al lichidului, ce conduce la vaporizarea locală a acestuia. Se formează, astfel, pungi de vapori (sau bule de cavitaţie). Când presiunea statică revine la normal, se produce o implozie, adică o spargere a bulelor pe suprafaţa metalică: se nasc, astfel, forţe mari de impact pe microzonele suprafeţei metalice. Ca urmarea a acestui proces de ciocănire se produce oboseala metalului. Ea determină în timp desprinderea de particule metalice. Procesul poate fi conjugat cu cel al coroziunii.

156

Fig. 17.6. Ciupituri pe flancul unui dinte de roată dinţată

Factorii care influenţează negativ procesul sunt:a) frecvenţa mare a imploziei bulelor de cavitaţie;b) vâscozitatea ridicată a lubrifiantului.

Este evident că o vâscozitate mai redusă a fluidului, precum şi o duritate mare a suprafeţei metalice sunt măsuri de ridicare a portanţei la uzarea prin cavitaţie.

Procesul este întâlnit la paletele pompelor, dar chiar şi pe cilindrii motoarelor cu aprindere prin comprimare de turaţii mari.

17.2.7. Coroziunea de fretaj

Este un proces mixt pe suprafaţa asamblării cu strângere proprie, constituit din microalunecări pe distanţe atomice şi coroziune. Microalunecările sunt datorate sarcinilor variabile exterioare. Ca urmare, suprafeţele se distrug prin oboseală: apar fisuri, crăpături, gropiţe, desprinderea de microparticule dure.

17.2.8. Uzarea corozivă

Este o uzare de natură chimică sau electrochimică. Ea rezultă prin:a) acţiunea agenţilor corozivi (apă, oxigenul, urme de substanţe agresive din lubrifiant);b) îndepărtarea produşilor de reacţie prin frecare;c) repetarea permanentă a procesului.

Pericolul coroziunii este cu atât mai mare cu cât este mai mare diferenţierea sub aspect electrochimic între materialele cuplei. De asemenea, temperatura mai ridicată favorizează coroziunea. Fenomenul de coroziune este tratat pe larg în cursurile de chimie-fizică.

157