Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования
Исследованы эксплуатационные условия, механизмы и закономерности изнашивания поверхностей деталей узлов трения стружечных станков. Зафиксирован сложный комплекс явлений в зоне трения ножевого вала (или ножевого барабана) и древесины, что свидетельствует о преобладании коррозионно-механического вида...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2014
|
| Назва видання: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134444 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования / Е.А. Памфилов, С.В. Лукашов, Я.С. Прозоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 1. — С. 134-141. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-134444 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1344442018-06-14T03:06:36Z Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования Памфилов, Е.А. Лукашов, С.В. Прозоров, Я.С. Исследованы эксплуатационные условия, механизмы и закономерности изнашивания поверхностей деталей узлов трения стружечных станков. Зафиксирован сложный комплекс явлений в зоне трения ножевого вала (или ножевого барабана) и древесины, что свидетельствует о преобладании коррозионно-механического вида изнашивания. Установлено, что наиболее существенно на характер и интенсивность изнашивания влияют вода, карбоновые кислоты и полифенольные соединения. Механическая составляющая износа при трении о древесину обусловлена вовлечением диспергированных частиц износа в зону контакта, попаданием абразивных частиц (земля, песок и глина) вместе с обрабатываемой древесиной или попаданием этих частиц в сопряжения станка из окружающей среды. Выявлено влияние наводороживания поверхности на износостойкость материала деталей деревообрабатывающего оборудования. Проанализированы закономерности и механизмы изнашивания деталей узлов трения стружечных станков и сформулированы требования к выбору способа повышения износостойкости, а также теоретически обоснованы структурно-фазовый состав и физико-химические свойства поверхностного слоя рассмотренных деталей. Досліджено експлуатаційні умови, механізми та закономірності зношування поверхонь деталей вузлів тертя стружкових станків. Зафіксовано складний комплекс явищ у зоні тертя ножового вала (чи ножового барабана) і деревини, що свідчить про корозійно-механічний знос. Встановлено, що найбільше на характер та інтенсивність зносу впливають вода, карбонові кислоти та поліфенольні сполуки. Механічний складник зношування під час тертя об деревину зумовлений втягуванням диспергованих частинок зносу в зону контакту, попаданням абразивних частинок (земля, пісок, глина) разом з оброблюваною деревиною чи попаданням цих частинок у з’єднання станка з довкілля. Виявлено вплив наводнювання поверхні на зносотривкість матеріалу деталей деревооброблюваного обладнання. Проаналізовано закономірності та механізми зносу деталей вузлів тертя стружкових станків і сформульовано вимоги до вибору способу підвищення зносотривкості, а також теоретично обґрунтовано структурно-фазовий склад і фізико-хімічні властивості поверхневого шару розглянутих деталей. The operational conditions, mechanisms and reqularities of wear process of woodworking machinery parts surfaces are investigated. The complex phenomena in the friction zone between steel parts and wood sets, proving the corrosion mechanical their (tribocorrosion), are recorded. It is established that water, carboxylic acids and polyphenolic compounds have the the greatest impact on the character and intensity of wear. The mechanical component of wear under friction against wood is caused by the involvement of the dispersed particles of wear in the contact zone, contact with abrasive particles (soil, sand and clay) together with the treated wood, or abrasive particles in the junction of the machine and the environment. The effect of surface hydrogenation on the durability of the wood treated device material is shown. The analysis of reqularities of steel parts allows formulating the requirements to the method of increasing wear resistance and a theoretical basis for the structural-phase and physico-chemical properties of the surface layer of the woodworking machinery parts. 2014 Article Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования / Е.А. Памфилов, С.В. Лукашов, Я.С. Прозоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 1. — С. 134-141. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134444 ru Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Исследованы эксплуатационные условия, механизмы и закономерности изнашивания поверхностей деталей узлов трения стружечных станков. Зафиксирован сложный комплекс явлений в зоне трения ножевого вала (или ножевого барабана) и древесины, что свидетельствует о преобладании коррозионно-механического вида изнашивания. Установлено, что наиболее существенно на характер и интенсивность изнашивания влияют вода, карбоновые кислоты и полифенольные соединения. Механическая составляющая износа при трении о древесину обусловлена вовлечением диспергированных частиц износа в зону контакта, попаданием абразивных частиц (земля, песок и глина) вместе с обрабатываемой древесиной или попаданием этих частиц в сопряжения станка из окружающей среды. Выявлено влияние наводороживания поверхности на износостойкость материала деталей деревообрабатывающего оборудования. Проанализированы закономерности и механизмы изнашивания деталей узлов трения стружечных станков и сформулированы требования к выбору способа повышения износостойкости, а также теоретически обоснованы структурно-фазовый состав и физико-химические свойства поверхностного слоя рассмотренных деталей. |
| format |
Article |
| author |
Памфилов, Е.А. Лукашов, С.В. Прозоров, Я.С. |
| spellingShingle |
Памфилов, Е.А. Лукашов, С.В. Прозоров, Я.С. Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Памфилов, Е.А. Лукашов, С.В. Прозоров, Я.С. |
| author_sort |
Памфилов, Е.А. |
| title |
Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования |
| title_short |
Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования |
| title_full |
Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования |
| title_fullStr |
Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования |
| title_full_unstemmed |
Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования |
| title_sort |
механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134444 |
| citation_txt |
Механохимическое разрушение деталей деревообрабатывающего оборудования / Е.А. Памфилов, С.В. Лукашов, Я.С. Прозоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 1. — С. 134-141. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT pamfilovea mehanohimičeskoerazrušeniedetalejderevoobrabatyvaûŝegooborudovaniâ AT lukašovsv mehanohimičeskoerazrušeniedetalejderevoobrabatyvaûŝegooborudovaniâ AT prozorovâs mehanohimičeskoerazrušeniedetalejderevoobrabatyvaûŝegooborudovaniâ |
| first_indexed |
2025-07-09T21:27:42Z |
| last_indexed |
2025-07-09T21:27:42Z |
| _version_ |
1837206302349066240 |
| fulltext |
134
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 1. – Physicochemical Mechanics of Materials
МЕХАНОХИМИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
Е. А. ПАМФИЛОВ, С. В. ЛУКАШОВ, Я. С. ПРОЗОРОВ
Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Исследованы эксплуатационные условия, механизмы и закономерности изнашива-
ния поверхностей деталей узлов трения стружечных станков. Зафиксирован слож-
ный комплекс явлений в зоне трения ножевого вала (или ножевого барабана) и дре-
весины, что свидетельствует о преобладании коррозионно-механического вида изна-
шивания. Установлено, что наиболее существенно на характер и интенсивность изна-
шивания влияют вода, карбоновые кислоты и полифенольные соединения. Механи-
ческая составляющая износа при трении о древесину обусловлена вовлечением дис-
пергированных частиц износа в зону контакта, попаданием абразивных частиц (зем-
ля, песок и глина) вместе с обрабатываемой древесиной или попаданием этих частиц
в сопряжения станка из окружающей среды. Выявлено влияние наводороживания по-
верхности на износостойкость материала деталей деревообрабатывающего оборудова-
ния. Проанализированы закономерности и механизмы изнашивания деталей узлов
трения стружечных станков и сформулированы требования к выбору способа повыше-
ния износостойкости, а также теоретически обоснованы структурно-фазовый состав и
физико-химические свойства поверхностного слоя рассмотренных деталей.
Ключевые слова: узлы трения, древесина, карбоновые кислоты, полифинольные
соединения, наводороживание, износостойкость.
Технико-экономические показатели изготовления многих древесных компо-
зиционных материалов (расход древесного сырья и связующих, энергозатраты,
качество производимой продукции) формируются уже на стадии производства
основной составляющей композита – древесной стружки. Здесь широко исполь-
зуют стружечные станки различных типов, потеря работоспособности которых
связана в основном с износом рабочих поверхностей деталей узлов трения – но-
жевого вала, стружечного барабана, ножедержателей и т.д.
Поэтому актуальна проблема выбора износостойких материалов и эффек-
тивной технологии упрочнения изнашивающихся поверхностей деталей узлов
трения оборудования для производства стружки. Для ее решения необходимо оп-
ределить основные факторы, влияющие на изнашивание, и выявить его законо-
мерности.
Работоспособность стружечных станков определяют эксплуатационные и
конструктивно-технологические факторы. К эксплуатационным относят кинема-
тический режим работы, включающий скорости резания и подачи, толщину сни-
маемой стружки и ее равномерность, продолжительность акта резания и холосто-
го пробега, направление резания по отношению к годовым слоям, особенности
стружкообразования и удаления стружки из зоны резания; силовой, охватываю-
щий характер приложения нагрузки, усилия надвигания, площадь контактной зо-
ны, напряженно-деформированное состояние узлов станка, и термодинамический,
включающий температуру окружающей среды, контактных поверхностей, сырья, а
также тепловые явления в зоне взаимодействия.
Контактная особа: Е. А. ПАМФИЛОВ, e-mail: pamfilov@bgita.ru
135
К конструктивно-технологическим можно отнести характеристики сырья для
получения технологической стружки (порода древесины, прочность, плотность и
другие физико-механические свойства, влажность и кислотность, наличие годичных
слоев и пороков древесины, степень загрязненности); свойства узлов трения стру-
жечных станков, т.е. конструктивное исполнение, геометрические параметры, мате-
риал и качественная характеристика рабочих поверхностей (структура и фазовый
состав, микротвердость, остаточное напряженное состояние, пористость, микрогео-
метрические параметры), после изготовления, и упрочняющей обработки и доводки.
На основании результатов анализа основных физико-химических процессов
для рассматриваемых узлов трения преобладающим признано коррозионно-меха-
ническое изнашивание, иначе называемое трибокоррозией [1–3]. Это поверхност-
ное разрушение конструкционных и инструментальных материалов при совмест-
ном воздействии механических нагрузок и химических реакций с внешней сре-
дой, которое невозможно определить простым суммированием эффектов отдель-
ных составляющих.
Механизм изнашивания рассматриваемых поверхностей можно представить
как совокупность коррозионных процессов окисления (химического и электрохи-
мического) и разупрочнения, разрыхления и разрушения поверхностей трения с
параллельно протекающей газификацией поверхностных слоев.
Схему контактного взаимодействия рабочих поверхностей стальных деталей
узлов трения и перерабатываемой древесины иллюстрирует рис. 1. Здесь изнаши-
вание металлических поверхностей, фрикционно контактирующих с древесиной,
включает три основных этапа: образование слоев оксидов на рабочих поверхнос-
тях деталей; механохимическое их разрушение; взаимодействие древесного сырья
с формировавшейся ювенильной поверхностью металла и его репассивация.
Рис. 1. Схема фрикционного контакта
поверхности деталей узлов трения и
древесины: 1 – исходный металл детали;
2 – древесина; 3 – оксидный слой;
4 – внешние абразивные частицы;
5 – диспергированные частицы материала
детали; 6 – естественные абразивные частицы
древесины; 7 – ювенильная поверхность
металла; 8 – зоны коррозионного разрушения;
9 – области молизации водорода;
10 – агрессивная внешняя среда.
Fig. 1. Schematic representation of the frictional contact between the surface of the wood-
working machinery parts and wood: 1 – initial metal; 2 – wood; 3 – oxide layer; 4 – outer abrasive
particles; 5 – dispersed particles of the part material; 6 – natural abrasive particles of wood;
7 – juvenile metal surface; 8 – zone of corrosion damage; 9 – cavities with hydrogen;
10 – aggressive external environment.
Согласно схеме на поверхности металла (для изготовления деталей узлов
трения стружечных станков используют стали 40, 40Х и 45) изначально присут-
ствует слой оксидов вследствие взаимодействия металла с кислородом воздуха.
Он прочно связан с поверхностью металла и повторяет его топографию. Толщина
оксидной пленки на железоуглеродистых сплавах 10–7…10–8 m. Она состоит из
вюстита FeO (оксид железа (II)), магнетита Fe3O4 и гематита Fe2O3 (оксид железа
(III)). Непосредственно к металлу примыкает вюстит FeO, далее следуют соеди-
нения Fe3O4 и Fe2O3. Соотношение толщин оксидов FeO:Fe3O4:Fe2O3 близко к
100:10:1 [4], а их свойства значительно отличаются от таковых металлической
136
основы. Пленки таких оксидов способны пассивировать и защищать поверхности
рабочих органов от разрушения.
На втором этапе фрикционного контакта металла и древесины в результате
сложного комплекса химических и механических воздействий защитная пленка
разрушается, что и обусловливает изнашивание, механизм которого существенно
зависит от условий внешнего влияния [5], при этом вклад химических и механи-
ческих факторов вполне сопоставим. Отметим, что при изготовлении древесно-
стружечных плит используют стружку следующих пород: 75…77% древесины
лиственных пород и 23…25% хвойных, в том числе осины и ольхи более 50%,
березы 25…29%, сосны и ели 20…25%.
Механизм изнашивания усугубляется тем, что при высоких давлениях и тем-
пературах в зоне фрикционного взаимодействия древесина может разлагаться. В
начале этого процесса при температуре 100…150°С испаряется свободная влага,
затем разлагаются гемицеллюлозы (275…300°С), а далее – древесное волокно
(около 400°С), что сопровождается выделением кислот, спиртов и смол [1, 2]. По-
этому, помимо оксидов, на контактирующих поверхностях присутствуют адсор-
бированные слои химических соединений, образовавшихся при трибодеструкции
древесины, в совокупности с полярными молекулами полимерных органических
(свободных радикалов) и экстрактивных веществ. Как известно, наиболее ощутимо
на характер и интенсивность изнашивания влияют вода, карбоновые кислоты и по-
лифенольные соединения [6–9], выделяющиеся при контакте сталей с древесиной.
Вода в нужном количестве – основополагающий фактор для коррозионной ре-
акции металла с древесиной. Влажность древесного сырья, применяемого в стру-
жечных станках, не должна быть менее 65%, поскольку с ее снижением ухудшает-
ся качество стружки. Вода попадает на поверхность металла непосредственно из
древесины при контакте или конденсируется из паров, выделяющихся из древе-
сины, и активно адсорбируется поверхностными слоями металла. Водный раствор,
содержащий ионы Н+ и ОН-, а также растворенный кислород O2 и другие вещест-
ва, активизирует коррозию, которую можно описать так. Анодный процесс: Fe →
→ Fe2+ + 2е– . Катодный с водородной деполяризацией: 2Н+ + 2е– → Н2. Катодный
с кислородной деполяризацией: 2Н2O + O2 + 4е– → 4ОН–, Fe2+ + 2ОН– → Fe(OH)2.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 (белая ржавчина) образует на поверхности
металла диффузионно-барьерный подслой, через который должен диффундиро-
вать кислород. На внешней поверхности оксидной пленки, доступной растворен-
ному кислороду, гидроксид железа (II) окисляется в гидроксид железа (III) Fe(OH)3
(бурая ржавчина): 4Fe(OH)2 + 2Н2O + O2 → 4Fe(OH)3. Ржавчина, покрывающая
металл рыхлым слоем, состоит из гидроксидов железа nFe(OH)2⋅mFe(OH)3⋅gH2O,
где n, m, q – целые числа. Она плохо сцеплена с металлической поверхностью,
слабо защищает железо от коррозии и легко удалятся в результате механических
воздействий непосредственно при эксплуатации деревообрабатывающих станков.
Этот процесс усиливают карбоновые кислоты. Химическое взаимодействие
металла с продуктами деструкции древесины интенсифицируют эксплуатацион-
ные локальные повышенные температуры. Это связано с тем, что в этих условиях
существенно возрастает скорость химических реакций, которые быстрее проте-
кают в кислой среде, нежели в щелочной или нейтральной. Отметим, что pH по-
род древесины умеренных широт, используемых для переработки, находится в
интервале от слабокислого до умеренно кислого (6,4…3,3), а кора, присутство-
вавшая в перерабатываемом сырье, дополнительно его снижает. Поэтому образо-
вавшиеся при трибодеструкции древесины карбоновые кислоты (уксусная, мура-
вьиная, пропионовая и некоторые другие) активно взаимодействуют с оксидной
пленкой на поверхности детали, растворяя ее. Реакции, например уксусной кис-
лоты с вюститом, магненитом и железом, выглядят так: CH3COOH <=> Н+ +
137
+ CH3COO–; FeO + 2Н+ → Fe2+ + Н2O; Fe2O3 + 6Н+ → 2Fe3+ + 3Н2O; Fe + Н+ →
→ Fe2+ + Н2; Fe2+ + Н2O → FeOH+ + Н+; FeOH+ + Н2O → Fe(OH)2 + Н+; Fe3+ +
+ Н2O → Fe(OH)2+ + Н+; Fe(OH)2+Н2O → Fe(OH)2
+ + Н+; Fe(OH)2
+ + Н2O → Fe(OH)2.
Кроме того, возрастание скорости коррозии металла с уменьшением pH обу-
словлено не только повышением скорости выделения водорода, но и облегчен-
ным доступом кислорода к поверхности металла вследствие растворения оксида,
а следовательно, повышенной кислородной деполяризацией [3]. Катализаторами
коррозионной активности могут быть также сульфаты и хлориды, обнаруженные
в достаточном количестве в составе минеральных компонентов древесины. Так-
же возможно формирование на поверхности детали микрогальванических пар
между структурными составляющими инструментального материала, что вызы-
вает межкристаллитную коррозию. В зоне фрикционного контакта “древесина–
сталь” поверхности электризуются с образованием пъезо- и трибозарядов, а так-
же токов нейтрализации и искровых микроразрядов [1, 2].
Химически активны при контакте с металлами также и полифенолы (пиро-
катехин и пирогаллол) и их производные (главным образом таннины), которые в
больших количествах содержатся в древесине и коре ряда пород, хотя роль реак-
ций железа с этими веществами в суммарном химическом износе менее важна,
чем кислотных.
Полифенольные компоненты, имеющие смежные гидроксильные группы,
способны к формированию с ионами металла стабильных веществ – хелатов, об-
разуюющиеся в результате нескольких последовательных реакций [7, 9]:
.
Химическая реакционоспособность древесного сырья определяется не толь-
ко количеством органических кислот и полифенольных компонентов. Сравнивая
уровень кислотности и содержание таннинов древесного экстракта и “синтети-
ческой” смеси, выявили, что коррозионная активность древесного экстракта на
порядок выше, чем модельного раствора [9]. Таким образом, пара “древесина–
сталь” взаимодействует по более сложному механизму. Установлено [8], что в
зоне фрикционного контакта “древесина–сталь” присутствуют циклические ме-
таллоорганические соединения, образующиеся при взаимодействии гидроксидов
железа с продуктами гидролиза целлюлозы.
Механическая составляющая износа при фрикционном контакте древесного
сырья и металлических поверхностей деталей узлов трения обусловлена рядом
факторов. Во-первых, попаданием в зону контакта частиц минеральных компо-
нентов из почвы с недостаточно очищенной обрабатываемой древесиной, кото-
рые обладают зачастую высокой твердостью (по шкале Мооса): глинозем (оксид
алюминия) – 9 единиц Мооса, кремнезем (диоксид кремния) – 7 единиц Мооса,
что превышает твердость поверхности металла детали [4]. Во-вторых, попадани-
ем абразивных частиц в сопряжения станка из окружающей среды, например из
воздуха, в 1 m3 которого содержится от 0,04 до 5 g пыли, на 60…80% состоящей
из взвешенных частиц минералов (кварц, корунд, оксиды и диоксиды кремния,
соединения алюминия, кальция и других элементов). В-третьих, вовлечением ди-
спергированных частиц износа, состоящих в основном из оксидов железа, в зону
контакта. При твердости функциональных поверхностей деталей около 370 ΗV
твердость вюстита 320 HV, магнетита 460 HV, гематита 1030 HV [10]. В-четвер-
тых, влиянием естественных минеральных компонентов древесины, в первую
очередь кремнезема. Однако содержание неорганических включений (SiO2, K2O,
Na2O, MgO, CaO и др.) в древесине пород умеренных широт, используемых для
получения стружки, невелико, и поэтому их вклад в суммарный абразивный изноc
138
незначителен [6, 8].
При нарушении сплошности окисного слоя открывается доступ к свободным
от оксидов участкам поверхности металла, так называемой ювенильной поверх-
ности, которая обладает высокой адсорбционной и химической активностью.
Разрушение металла ювенильной поверхности при коррозионно-механическом
изнашивании существенно зависит от амплитуды напряжений. При высоких амп-
литудах важным фактором становится наводороживание металла, при малых –
анодное растворение [5].
Реакции взаимодействия агрессивной внешней среды с ювенильной поверх-
ностью во многом подобны реакциям с оксидной пленкой, однако более интен-
сивны, а следовательно, приводят к более разрушительным эффектам. В целом
взаимодействие ювенильной поверхности металла с древесным сырьем сопро-
вождается интенсивной катодной водородной и кислородной деполяризацией,
ускоряющей анодные процессы растворения металла дорожки трения и, соответ-
ственно, снижающей износостойкость деталей узлов трения.
Причиной износа рабочих поверхностей деталей тяжелых деревоперераба-
тывающих станков является также насыщение их в результате различных процес-
сов: водородом, кислородом, азотом и другими газами. Водород – наиболее аг-
рессивный, поэтому наводороживание особенно опасно [11]. Установлено четыре
основных источника наводороживания металлов [12, 13]: “биографический” во-
дород, содержащийся в материале заготовок в объеме 2...10 сm3/100 g; газообраз-
ный водород в атмосферном воздухе; водород, выделяющийся при химических
реакциях в зоне трения. Источником его образования, а также некоторых других
газов может быть частичный гидролиз полисахаридов древесины за счет паров
воды и образующихся органических кислот при низкотемпературном разложе-
нии в некоторых условиях трения, преимущественно при переработке сплавной
древесины и древесины с длительным хранением и неправильным режимом суш-
ки. При определенных условиях молекулы газообразного водорода адсорбируют-
ся на поверхности металла, диссоциируют на ионы и проникают в металл. Кроме
того, водород в виде ионов H+ всегда присутствует в водном растворе, а следова-
тельно, в слабокислом древесном соке [1, 2].
Важную роль в наводороживании играет экзоэлектронная эмиссия на юве-
нильной поверхности металла, которая приводит к тому, что электроны сольва-
тируются на молекулах воды (или других водородсодержащих материалах) и раз-
лагают их на кислород и водород благодаря туннельному эффекту, вызванному, в
частности, волнообразным движением частиц. Вследствие этого химическая
энергия, необходимая для протекания некоторых реакций (в том числе и выделе-
ния водорода), снижается на порядки.
Эмитированные из металла при трении электроны имеют первоначально из-
быточную энергию, которую быстро теряют, сталкиваясь с молекулами воды, а
затем гидратируются или вступают в химическую реакцию с присутствующими
акцепторами. В гидратированном состоянии электрон существует только одну
миллисекунду, после чего молекула воды распадается на водород и гидроксиль-
ный ион: е + Н2О → ОН + Н.
Обратная реакция практически никогда не протекает самопроизвольно. Из
окислительно-восстановительных реакций, сопровождающих трение различных
материалов с выделением водорода, приведенная выше наиболее производитель-
ная [14]. Кроме того, в хемосорбированных молекулах воды, координационно-
связанных с поверхностью окислов, в результате деформации ослаблевают связи
ОН. При этом молекулы воды протонизируются, а при повышенной температуре
даже могут потерять протон и превратиться в ОН-группы. Протонизация повы-
шает кислотность воды. Адсорбированные по координационному механизму
139
протонизированные молекулы являются новыми центрами дальнейшей адсорб-
ции воды по механизму образования водородных связей [15].
В результате диссоциации воды, кислот и некоторых других органических
соединений на активных центрах дорожек трения адсорбирующиеся ионы водо-
рода скапливаются в местах выхода на поверхность дислокаций, межфазовых
границ и неупорядоченных образований и частично молялизируются. Соотноше-
ние молекул водорода и ионов может составлять приблизительно 2:1 [15].
Металлическая поверхность деталей узлов трения стружечного станка мо-
жет наводороживаться не только под воздействием ионов водорода, выделяю-
щегося при диссоциации различных веществ, но и в результате химических реак-
ций, в которых задействованы компоненты древесины и продукты ее разложения
(органические кислоты, углеводороды, спирты, альдегиды и др.) в процессе фрик-
ционного контакта. Экспериментальные исследования пары трения “древесина–
сталь” выявили следующий состав неконденсировавшихся газов (%): 4,2…6 H2;
2 CH4; 70…72 CO; 20 CO2 [11].
Водород может образовываться в результате непосредственного взаимодей-
ствия воды с активированным металлом поверхности: Fe + 2H2О → Fe(OH)2 + H2,
Fe + 2Н+ → Fe2+ + Н2 .
Существует ряд особенностей взаимодействия водорода со сталью, связанных с
характером внешнего воздействия и двумя формами существования его в металле.
Первая – диффузионно-активная, когда водород в виде иона pacтворен в решетке ме-
талла, и вторая – молекулярная, когда он находится в молекулярном состоянии в де-
фектах кристаллической решетки. Его окклюзия в металл возможна для обеих форм.
Диффузионно-активный водород при растворении достигает равновесной
концентрации для данных условий. Молекулярная оказывает охрупчивающее
действие на сталь и некоторые другие металлы. Переход от растворенной формы
к молекулярной зависит от дефектности стали, температуры и, особенно, от де-
формирования. Предельная концентрация молекулярного водорода зависит от
дефектности металла и может достигать пороговой, вызывающей разрушение.
Абсорбированный металлом водород может находиться в различных состоя-
ниях: образовывать с металлом твердые растворы, сегрегироваться на несовер-
шенствах кристаллической решетки, абсорбироваться на микронесплошностях и
скапливаться в них в молекулярной форме, взаимодействовать с металлом и вто-
ричными фазами, т.е. формировать гидриды [12, 5].
Механизм водородного изнашивания вызывает споры исследователей. Сре-
ди многочисленных теорий, объясняющих это явление, можно выделить четыре
наиболее часто привлекаемые при анализе экспериментальных данных: теорию
внутреннего давления, теорию декогезии, теорию внутренней адсорбции и тео-
рию повышенного давления гидридов. Эти механизмы в значительной мере пере-
крываются и, кроме того, предполагают существование и других [12, 13].
В результате фрикционного взаимодействия стали с древесиной образуются
углеродосодержащие газы СО, СО2, CH4, что сопровождается обезуглероживани-
ем поверхности узлов трения стружечных станков и выделением газообразного
водорода в образце: Fe3C + О2 → 3Fe + CO2; Fe3C + CO2 → 3Fe + 2CO; Fe3C +
+ H2О → 3Fe + CО + Н2. Обезуглероживание здесь обусловлено тем, что его ско-
рость превышает скорость окисления железа. В результате диффузии углерода из
прилегающего поверхностного слоя к реакционной зоне более или менее толс-
тый слой металла постепенно обедняется этим газом, вплоть до полного его от-
сутствия, т.е. формирования слоя чистого феррита.
Уменьшение количества атомов углерода в твердом растворе будет способ-
ствовать ухудшению демпфирующих свойств поверхности трения и усилению
износа. Кроме того, свежеобразованная при трении гидроокись железа может ад-
140
сорбировать растворенную в воде двуокись углерода, что будет интенсифициро-
вать коррозию под слоем вторичных структур [15].
При повышенных температурах могут протекать химические реакции, осно-
ванные на термическом разложении углеводородов или на процессах конверсии
углеводородов и окиси углерода, в результате чего образуется водород: CH4 +
+ H2O → CO + 3H2; CO + H2O → CO2 + H2; C2H2 → 2C + H2 . Кроме того, при вы-
соких температурах возможно не только кислородное, но и водородное обезугле-
роживание поверхности деталей. При наводороживании стали свободный водо-
род при температуре 240...330°С вступает в реакцию гидрирования с карбидами
Fe3С. Вследствие этого цементит (Fe3С) превращается в мелкодисперсный фер-
рит с образованием метана, который скапливается в дефектных местах границ
зерен В результате уменьшения концентрации карбидов ухудшаются многие ха-
рактеристики стали, в том числе и износостойкость. Метан не способен диффун-
дировать через решетку металла, поэтому формирует раковины внутри металла,
что приводит к его растрескиванию [5]: Fe3C + 2Н2 → 3Fe + СН4 .
Анализ всех трибохимических реакций, способствующих обезуглерожива-
ние поверхности, свидетельствует, что их массовая доля в износе, в зависимости
от рН среды и содержания кислорода, колеблется в пределах от 0,9 до несколь-
ких процентов [15]. Однако роль обезуглероживания в активации изнашивания
может быть не менее значительна, чем окисление основы – железа, поскольку с
уменьшением содержания углерода ухудшаются как прочностные, так и реоло-
гические свойства металла, а следовательно, падет износостойкость узла трения.
Рис. 2. Факторы, определяющие
механизм и интенсивность протекания
коррозионно-механического
изнашивания в древесно-металлических
узлах трения: 1 – молекула водорода;
2 – его деструкция; 3 – протон;
4 – электрон; 5 – трещина;
6 – образование молекул водорода;
7 – вода; 8 – органическое вещество;
р – нагрузка на зерна.
Fig. 2. Main factors of corrosive wear in the “wood–metal” friction units: 1 – molecule
of hydrogen; 2 – its destruction; 3 – proton; 4 – electron; 5 – crack; 6 – formation of hydrogen
molecules; 7 – water; 8 – organic matter; р – loading on grains.
ВЫВОДЫ
Проанализированны физико-химические процессы в зоне фрикционного
контакта системы “сталь–древесина”, характерного для узлов трения деревопере-
рабатывающего оборудования для производства технологической стружки (рис. 2).
Установлены закономерности влияния некоторых конструктивно-технологичес-
ких и эксплуатационных факторов на состояние функциональных поверхностей
деталей; исследованы химические, механические и тепловые явления пары тре-
ния “сталь–древесина”. Для определения количественных характеристик механи-
ческой, коррозионной и синергетической компоненты износа разработан комп-
лекс лабораторных и натурных экспериментов [16, 17].
РЕЗЮМЕ. Досліджено експлуатаційні умови, механізми та закономірності зношу-
вання поверхонь деталей вузлів тертя стружкових станків. Зафіксовано складний комп-
лекс явищ у зоні тертя ножового вала (чи ножового барабана) і деревини, що свідчить про
корозійно-механічний знос. Встановлено, що найбільше на характер та інтенсивність зно-
141
су впливають вода, карбонові кислоти та поліфенольні сполуки. Механічний складник
зношування під час тертя об деревину зумовлений втягуванням диспергованих частинок
зносу в зону контакту, попаданням абразивних частинок (земля, пісок, глина) разом з об-
роблюваною деревиною чи попаданням цих частинок у з’єднання станка з довкілля. Ви-
явлено вплив наводнювання поверхні на зносотривкість матеріалу деталей деревооброб-
люваного обладнання. Проаналізовано закономірності та механізми зносу деталей вузлів
тертя стружкових станків і сформульовано вимоги до вибору способу підвищення зносо-
тривкості, а також теоретично обґрунтовано структурно-фазовий склад і фізико-хімічні
властивості поверхневого шару розглянутих деталей.
SUMMARY. The operational conditions, mechanisms and reqularities of wear process of
woodworking machinery parts surfaces are investigated. The complex phenomena in the friction
zone between steel parts and wood sets, proving the corrosion mechanical their (tribocorrosion),
are recorded. It is established that water, carboxylic acids and polyphenolic compounds have the
the greatest impact on the character and intensity of wear. The mechanical component of wear
under friction against wood is caused by the involvement of the dispersed particles of wear in
the contact zone, contact with abrasive particles (soil, sand and clay) together with the treated
wood, or abrasive particles in the junction of the machine and the environment. The effect of
surface hydrogenation on the durability of the wood treated device material is shown. The
analysis of reqularities of steel parts allows formulating the requirements to the method of
increasing wear resistance and a theoretical basis for the structural-phase and physico-chemical
properties of the surface layer of the woodworking machinery parts.
1. Зотов Г. А., Памфилов Е. А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента.
– М.: Экология, 1991. – 304 с.
2. Моисеев А. В. Износостойкость дереворежущего инструмента. – М.: Лесн. пром-сть,
1981. – 112 с.
3. Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии.
– М.: Физматлит, 2002. – 336 с.
4. Трение и модифицирование материалов трибосистем / Ю. К. Машков, К. Н. Полещен-
ко, С. Н. Поворознюк, П. В. Орлов. – М.: Наука, 2000. – 280 с.
5. Сорокин Г. М., Ефремов А. П., Саакян Л. С. Коррозионно-механическое изнашивание
сталей и сплавов. – М.: Нефть и газ, 2002. – 424 с.
6. Klamecki B. E. A Review of Wood Cutting Tool Wear Literature // Электронная библиотека
изд-ва “Springer” – Режим доступа: http://www.springerlink.com/content/v120741 328777300/.
7. Krilov A. and Gref R. Mechanism of sawblade corrosion by polyphenolic compounds // Элект-
ронная библиотека изд-ва “Springer”. Режим доступа: http://www.springerlink.com
/content/n15418jl82377147/.
8. Porankiewicz B., Sandak J., and Tanaka C. Factors influencing steel tool wear when milling
wood // Wood Sci. & Tech. – 2005. – № 39(3). – P. 225–234.
9. Zelinka S. L. and Stone D. S. The effect of tannins and pH on the corrosion of steel in wood
extracts // Электронная библиотека изд-ва “Wiley”. Режим доступа: http:// onlinelibrary.
wiley.com/doi/10.1002/maco.201005845/.
10. Пенкин Н. С., Пенкин А. Н., Сербин В. М. Основы трибологии и триботехники: Уч. пос.
– М.: Машиностроение, 2008. – 206 с.
11. Памфилов Е. А., Петренко М. Н. К вопросу о механизме изнашивания дереворежу-
щего инструмента // Изв. вуз. Лесной журн. – 1978. – № 3. – С. 148–150.
12. Трибохимия водородного износа / Е. А. Лукашев, М. Е. Ставровский, А. В. Олейник и
др. – Курск: ГТУ, 2007. – 278 с.
13. Касаткин Г. Н. Водород в конструкционных сталях. – М.: Интермет Инжиниринг,
2003. – 336 с.
14. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безысносность). – М.: Изд-во МСХА, 2001. – 616 с.
15. Шевеля В. В., Олександренко В. П. Трибохимия и реология износостойкости.
– Хмельницкий: ХНУ, 2006. – 278 с.
16. Памфилов Е. А., Лукашов С. В., Прозоров Я. С. Особенности изнашивания железоугле-
родистых сплавов при фрикционном контактировании с древесиной // Трение и смазка
в машинах и механизмах. – 2012. – № 6. – С. 3–9.
17. Памфилов Е. А., Прозоров Я. С. К вопросу моделирования коррозионно-механичес-
кого изнашивания // Трение и износ. – 2012. – 33, № 3. – С. 288–297.
Получено 01.09.2011
|