Технічні науки/ 8 ОСОБЛИВОСТІ ВОДНЕВОГО ЗНОШУВАННЯ

К.т.н. Бись С. С., магістр Коротинський О. А.

Хмельницький національний університет, Україна

ОСОБЛИВОСТІ ВОДНЕВОГО ЗНОШУВАННЯ ДЕРЕВООБРОБНОГО ОБЛАДНАННЯ

Однією з причин зносу робочих поверхонь деталей важких деревопереробних верстатів є насичення в результаті різних процесів і дії навколишнього середовища такими газами, як водень, кисень, азот тощо. Водень є самим агресивним до металів з газів, тому насичення воднем представляє особливу небезпеку .

Встановлено чотири основних джерела насичення воднем металів:

· «Біографічний» водень;

· Водень, присутній в якості одного з компонентів газової фази;

· Водень, присутній у водному розчині у вигляді іонів H +;

· Водень, що виділяється при хімічних реакціях, що відбуваються в зоні тертя.

«Біографічний» водень - водень, що міститься в матеріалі деталей і накопичений при їх виготовленні. Вміст водню в готовій сталі після випуску становить 2-10 см3/100 р. Згідно сучасним уявленням, джерелом водню в мартенівському процесі є шихтові матеріали (металеві та неметалеві), феросплави, шлам і газова атмосфера печі; в доменному виробництві - волога дуття; активне насичення воднем виробів відбувається при фосфатування, Азотування і нанесенні гальванічних покриттів.

При деструкції деревини виділяється незначна кількість газоподібного водню H2. Джерелом його утворення, а також ряду інших газів, може бути частковий гідроліз полісахаридів деревини за рахунок парів води і утворюються органічних кислот при низькотемпературному розпаду і в деяких умовах тертя, переважно ж при переробці сплавної деревини і деревини з тривалим зберіганням і неправильним режимом сушіння. За певних умов молекули газоподібного водню адсорбуються на поверхні металу, дисоціюють на іони і проникають в метал. Водень у вигляді іонів H + завжди присутній у водному розчині, очевидно його наявність у слабо кислому деревному соку.

Важливу роль у процесі насичення воднем грає екзоелектронна емісія на ювенільній поверхні металу, яка призводить до того, що електрони сольватуються на молекулах води (або інших насичених воднем матеріалах) і розкладають їх на кисень і водень завдяки тунельному ефекту. Виникнення тунельного ефекту пов'язано з квантовими властивостями частинок, з тим що їх рух має хвильовий характер. Завдяки цьому ефекту хімічна енергія, необхідна для протікання деяких реакцій (у тому числі і виділення водню), знижується на порядки.

Емітовані з металу при терті електрони мають спочатку надлишкову енергію, яку вони швидко втрачають шляхом зіткнення з молекулами води, а потім гідратіруются або вступають в хімічну реакцію з присутніми акцепторами. У гідратованому стані електрон існує тільки одну мілісекунди, після чого молекула води розпадається на водень і гідроксильний іон:

е + Н2О → ОН + Н

Зворотна реакція практично ніколи не йде мимовільно. З великого числа окислювально-відновних реакцій, що йдуть при терті різних матеріалів з виділенням водню, наведена вище є найбільш продуктивною.

Крім того, в хемосорбірованних молекулах води, що знаходяться в стані координаційної зв'язку з поверхнею оксидів, в результаті деформації відбувається ослаблення зв'язків ОН. При цьому молекули води протонізіруются, а при підвищеній температурі вони навіть можуть втратити протон і перетворитися на ОН-групи. Протонізації молекули води підвищує її кислотність. Адсорбовані по координаційному механізму протонізірувати молекули води є новими центрами подальшої адсорбції води за механізмом утворення водневих зв'язків.

В результаті дисоціації води, кислот і деяких інших органічних сполук на активних центрах доріжок тертя, адсорбуватися іони водню скупчуються в місцях виходу на поверхню дислокацій, між фазових кордонів та невпорядкованих утворень і частково молялізіруются. Співвідношення молекул водню і іонів може становити приблизно 2/1.

Насичення воднем металевої поверхні деталей вузлів тертя стругального верстата може відбуватися не тільки за рахунок дії іонів водню, що виділяється при дисоціації різних речовин, але і в результаті хімічних реакцій, в яких беруть участь компоненти деревини і продукти розкладання деревини (органічні кислоти, вуглеводні, спирти, альдегіди та ін) в процесі фрикційного контакту. Експериментальні дослідження пари тертя «деревина-сталь» виявили наступний склад утворилися неконденсоване газів,%: H2 -4.2 ... 6, CH4-2, CO - 70 ... 72, CO2-20.

Процес зневуглецювання приповерхневих шарів сталі обумовлений перевищенням швидкості процесу зневуглецювання над швидкістю процесу окислення заліза. В результаті дифузії вуглецю з прилеглого поверхневого шару до реакційної зоні більш-менш товстий шар металу поступово збіднюється вуглецем аж до повної його відсутності, тобто утворення шару чистого фериту.

Зневуглецювання призводить до зниження як механічних, так і реологічних властивостей сталі, що визначаються механізмами внутрішнього тертя. Зменшення кількості атомів вуглецю в твердому розчині сприятиме зниженню демпфирующих властивостей поверхні тертя і підвищенню зносу. Крім того, свіжо утвореної в процесі тертя гідроокис заліза може адсорбувати розчинену у воді двоокис вуглецю, що сприятиме інтенсифікації корозійного процесу під шаром вторинних структур.

При підвищених температурах можуть протікати хімічні реакції, засновані на термічному розкладанні вуглеводнів або на процесах конверсії вуглеводнів і окису вуглецю, в результаті чого утворюється водень.

CH4 + H2O-> CO + 3H2

CO + H2O-> CO2 + H2

C2H2-> 2C + H2

Водневе зношування як один з механізмів зношування поверхонь при терті встановлений відносно недавно і заслужило пильну увагу наукового співтовариства. Водневе зношування виникає в результаті кооперативного (синергетичного) взаємодії поверхневих явищ: екзоеміссіі, адсорбції і трібодеструкціі, які призводять до виділення водню. Далі відбувається поглинання водню сталлю шляхом його адсорбції і хемосорбції; концентрування водню в поверхневому шарі переважно по межах зерен і в шарі, що деформується при терті приблизно на 20-200 мкм і більше, і руйнування поверхневого шару металу на глибину до 0,1 - 0, 5 мм.