Korozja frettingowa: przyczyny, miejsca występowania i zapobieganie

Korozja frettingowa to uszkodzenie powierzchni, które pojawia się tam, gdzie dwie zaciskane, wciskane lub nominalnie nieruchome metalowe powierzchnie wykonują niewielkie oscylacyjne mikroruchy pod obciążeniem, tak że zużycie mechaniczne i utlenianie łączą się, tworząc płytkie wżery i drobny oksydacyjny osad, który na stali ma barwę czerwonobrązową, a na aluminium jest czarny.

To powolny, podstępny mechanizm, ponieważ złącze wygląda na ciasne i nic nie porusza się widocznie, a jednak amplitudy poślizgu rzędu kilku mikrometrów wystarczą, by przerwać warstwę powierzchniową i spowodować uszkodzenie.

Jak działa korozja frettingowa

Musi wystąpić jednocześnie dwa warunki: normalne obciążenie dociskowe lub kontaktowe oraz powtarzający się względny poślizg między powierzchniami. Poślizg jest bardzo mały, zwykle w zakresie około 3 do 50 mikrometrów, wywołany drganiami, cyklicznym zginaniem, cyklem termicznym lub zmiennym obciążeniem. Każdy mikro-poślizg ścina ochronną warstwę tlenkową i odsłania świeży metal.

Ten metal natychmiast się utlenia, a twarde cząstki tlenków nie mogą opuścić zamkniętego kontaktu. Działają one jak ścierniwo, przyspieszając zużycie w samonapędzającej się pętli zużycia i utleniania.

Uwięziony osad jest znamiennym znakiem. Na powierzchniach żelaznych to czerwonobrązowy tlenek żelaza, często nazywany „kakaem” lub „czerwoną mułem”; na aluminium i tytanie to czarny proszek. Pod spodem metal wykazuje płytkie wżery, matowe przetarte pole i często małe pęknięcia powierzchniowe, które mogą działać jako miejsca inicjacji zmęczeniowej.

Ten związek z zmęczeniem to powód, dla którego fretting ma znaczenie wykraczające poza estetykę: zmęczeniowe pęknięcia spowodowane frettingiem mogą znacząco obniżyć granicę trwałości elementu w porównaniu ze czystym, niepoddanym frettingowi metalem.

Gdzie występuje

Fretting koncentruje się w złączach, które mają być nieruchome, ale nadal przenoszą drgania lub cykliczne odkształcenia:

• Pierścienie łożysk tocznych na wałach i w oprawach, szczególnie przy luźnych lub słabo dopasowanych wciskach.
• Połączenia śrubowe i nitowane w konstrukcjach, powierzchnie kołnierzy i taśmy zaciskowe.
• Profilowanie wałów (spliny), wpusty, sprzęgła i piasty na wcisk.
• Liny stalowe, resory piórowe i przewody wielodrutowe, gdzie sploty ocierają się o siebie.
• Złącza i styki elektryczne, gdzie nagromadzenie tlenków podnosi oporność styku i powoduje przerywane błędy.

Fałszywe brinellowanie łożysk bezczynnych

Szczególnym przypadkiem jest fałszywe brinellowanie, które dotyczy łożysk stojących w miejscu, ale narażonych na zewnętrzne drgania, na przykład maszyn w transporcie lub jednostek zapasowych obok pracującego sprzętu. Elementy toczne mikro-oscylują względem bieżni bez pełnego obrotu, więc smar nigdy nie jest uzupełniany w styku i powstaje uszkodzenie frettingowe w każdej pozycji kulki lub wałka.

Efektem jest wzór śladów rozstawionych z krokiem odpowiadającym elementom tocznym, które imitują prawdziwe wgłębienia Brinella od przeciążenia, stąd nazwa. W przeciwieństwie do prawdziwego brinellowania nie występuje odkształcenie plastyczne; metal jest starty i utleniony. Fałszywe brinellowanie skraca czas eksploatacji i po wznowieniu pracy generuje hałas i wibracje.

Zrozumienie tego zjawiska obok oznaczonej trwałości zmęczeniowej pomaga ustalić interwały inspekcyjne; zobacz naszą notatkę o żywotności łożyska L10 , by dowiedzieć się, jak deklarowana żywotność i rzeczywiste warunki eksploatacji mogą się różnić.

Miejsce, mechanizm i zapobieganie w skrócie

Zapobieganie: zatrzymaj mikroruch

Najpewniejszym sposobem jest wyeliminowanie względnego poślizgu. Zwiększenie obciążenia dociskowego lub interferencji tak, aby powierzchnie nie mogły się poruszać, to pierwszy dźwignia: prawidłowo wstępnie obciążone połączenie śrubowe lub poprawne dopasowanie wału usuwa źródło problemu całkowicie. Gdy ruchu nie da się całkowicie wyeliminować, strategia przesuwa się w kierunku zarządzania stykiem.

• Zwiększyć docisk / wstępne napięcie: zwiększyć moment śruby do wartości określonej w specyfikacji, poprawić dopasowania łożysk, usunąć luzy tak, aby amplituda spadła poniżej progu uszkodzeń.
• Smarowanie: smary i związki przeciw-frettingowe zapobiegają upakowywaniu się tlenków i zmniejszają tarcie; dopasowanie filmu do warunków pracy ma znaczenie, jak opisano w regimach smarowania.
• Powłoki i obróbka powierzchni: warstwy fosforanowe, MoS2, PTFE, twarde chromowanie, naparowywanie jonowe i kulowanie zwiększają odporność na fretting; kulowanie dodatkowo wprowadza naprężenia ściskające, które przeciwdziałają inicjacji pęknięć.
• Zmieny w projekcie: zmniejszyć gradienty ciśnień kontaktowych, dodać sprężyste uszczelki lub tuleje, przeprojektować tak, aby poślizg był przenoszony przez element poświęcalny, oraz unikać ostrych przejść dopasowania.

Ponieważ powstałe wżery i pęknięcia przypominają inne lokalizowane uszkodzenia, potwierdź diagnozę przed podjęciem działań. Uwięziony osad tlenkowy i mikro-poślizg wskazują na fretting; izolowane jamki pod stojącym elektrolitem wskazują natomiast na korozję wżerową (pitting), która wymaga innego remedium.

Wykrywanie i monitorowanie

Fretting jest ukryty wewnątrz złączy, więc wykrywanie opiera się na oznakach pośrednich: czerwony lub czarny osad wydobywający się z nacięcia śrubowego, narastające wibracje lub hałas łożyska, rosnąca oporność styków elektrycznych lub ślady frettingu znalezione przy rozbieraniu.

Trendowanie drgań wykrywa rozwijające się problemy z łożyskami wcześnie, a kontrole momentu dokręcania krytycznych łączników wychwytują utratę wstępnego napięcia zanim wystąpi poślizg. Rejestrowanie tych inspekcji dla każdego zasobu przekształca rozproszone obserwacje w trend.

System CMMS, taki jak Fabrico, może zaplanować procedury ponownego dokręcania i smarowania oraz przechowywać historię inspekcji, dzięki czemu powtarzający się fretting w konkretnym złączu staje się widoczny zamiast być niespodzianką przy awarii. Zarezerwuj demo Fabrico , aby zobaczyć, jak te procedury są śledzone.

Często zadawane pytania

Jak wygląda korozja frettingowa?

Na stali pojawia się jako czerwonobrązowy pylasty osad, często nazywany kakaem, wokół matowego przetartego pola; na aluminium i tytanie osad jest czarny. Pod osadem powierzchnia wykazuje płytkie wżery i czasem drobne pęknięcia.

Czym różni się korozja frettingowa od fałszywego brinellowania?

Fałszywe brinellowanie to fretting w miejscach tocznych łożyska stojącego w miejscu i narażonego na drgania. Powoduje ono ślady rozmieszczone z krokiem odpowiadającym elementom tocznym, które wyglądają jak wgłębienia od przeciążenia, ale w rzeczywistości są startymi, utlenionymi polami bez odkształcenia plastycznego.

Czy smarowanie zatrzyma korozję frettingową?

Smarowanie zmniejsza jej nasilenie, obniżając tarcie i zapobiegając upakowywaniu się osadu tlenkowego, ale rzadko samodzielnie ją powstrzymuje. Trwałe rozwiązanie to usunięcie mikroruchu przez prawidłowe wstępne napięcie lub dopasowanie, a następnie wsparcie tego rozwiązania przez smary lub powłoki.

Dlaczego fretting ma znaczenie, jeśli złącze nadal trzyma?

Małe pęknięcia, które powoduje fretting, mogą inicjować awarie zmęczeniowe, obniżając granicę trwałości elementu. Złącze może wyglądać na ciasne, a mimo to zawieść przy znacznie niższym obciążeniu niż przewidywane, ponieważ fretting osłabił powierzchnię.