Mechanical engineering | Maintenance » Szabó József Zoltán - A károsodások, a tönkremenetel okai, jellegzetes rongálódási, kopási folyamatok

SZERVÍZTECHNIKA ÉS ÜZEMFENNTARTÁS Szabó József Zoltán Főiskolai adjunktus Gépészeti és Rendszertechnikai Intézet 2. előadás A károsodások, a tönkremenetel okai Jellegzetes rongálódási, kopási folyamatok A tönkremenetel leggyakoribb okai    Egy önmagában dolgozó gépnek vagy egy gépcsoport (gyártórendszer) adott részegységének meghatározott funkciókat kell ellátnia a termelés folyamatosságának érdekében. A gépeket azonban, mint tudjuk üzemeltetésük során folyamatosan és/vagy szakaszosan külső befolyások érik, amelyeknek következményeként használhatósági tulajdonságaik romlanak, használati értékük csökken, egészen addig, míg a részükre meghatározott feladatokat már nem tudják végrehajtani. Ezen hatások olyan meghibásodásokat idéznek elő az alkatrész működésében. amelyek korlátozzák, vagy kizárják a rendeltetésszerű használatot. Értékcsökkentő hatások    

A technikai - gazdasági hatások akkor is kifejthetik káros befolyásukat, ha az adott gép, vagy szerkezet egyébként üzembiztosan működik. Az elévülés annak a következménye, hogy a műszaki fejlődés során a piacon jobb minőségű, pontosabb, gazdaságosabb (nagyobb termelékenységű), modernebb munkaeszközök jelennek meg, s mivel a mai vállalatoknak, vállalkozásoknak haladni kell a korral, a régi gépeket felváltják a kor színvonalának jobban megfelelő újak. A végfelhasználás olyan értékcsökkentő hatás, amely egyes különleges termékek esetében értelmezhető, mint amilyen például a csomagolás. egyszer használatos mérő-ellenőrző eszközök. biztonsági berendezések vagy a hadiiparban a lövedékek. illetve bombák Ezek tehát olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, hogy raktározási idő alatt értékcsökkenésük nincs. vagy csak igen minimális, használat közben vagy azt követően azonnal tönkremennek, így újbóli

felhasználásukra nincs lehetőség. A műszaki -fizikai értékcsökkentő hatások fejezik ki mindazon műszaki tényezőket, amelyeket összefoglaló néven károsodásoknak nevezünk. A károsodások a hétköznapi életben méret, vagy alakváltozásokban, az egyes részek geometriai viszonyainak megváltozásában. illetve a felületek minőségének, vagy más egyéb tulajdonságainak megváltozásában nyilvánulnak meg. Jelentkezési formájuk szerint három csoportba sorolhatók: - elhasználódás - túlterhelés - öregedés. GYÁRTÁSI, ELŐÁLLÍTÁSI HIBÁK   A gyártási, előállítási hibák megjelenési formáikat tekintve a következők lehetnek: - méret vagy alakhibák, - felület minőségi eltérések, - inhomogenitások (p1. öntési hibák), - hegesztési, ragasztási hibák, - szerelési hibák, hiányosságok, - beállítási hibák. Ezek a hibák elsősorban rosszul megválasztott technológiából, vagy technológiai adatokból, és nem

utolsó sorban emberi tényezők közrejátszásával, hanyagságból, nemtörődömségből keletkeznek, és hatásuk már a gép élettartamának korai szakaszában jelentkezhet. ÜZEMELTETÉSSEL ÖSSZEFÜGGŐ OKOK A gépeket károsító folyamatok főbb jelentkezési formái:    az elhasználódás, amely mint gyűjtőfogalom minden esetben valamilyen tömegcsökkenéssel járó felületpusztulási folyamatra utal. Három fő okozója a kopás, a korrózió és a kifáradás, a túlterhelés, amelyet a műszaki szerkezetek helytelen használata, valamint az elhasználódás túlzott mértéke okozhat. az öregedés az anyag belsejében végbemenő folyamat, amely, az igénybevételtől függetlenül jön létre, és még az alkatrész hasznos tervezett élettartamán belül, főként szilárdságcsökkenésben, anyagszerkezeti jellemző változásában (romlásában) és deformációjában nyilvánul meg. Súrlódás és kopás    A gépészetben a

leggyakrabban előforduló rongáló folyamat a kopás, amely általában súrlódás következménye. A kopás során az alkatrészek egymással vagy idegen anyaggal (munkaközeggel) súrlódó felületei méret- és tömegcsökkenést szenvednek. A kopás jelenségén apró makro- vagy mikro szerkezetű anyagrészecskék káros kiszakadását értjük a súrlódó felületből. A definíció szerint nem tekinthető kopásnak, ha két anyag érintkezésekor az egyik elektront ad át a másiknak. A súrlódás - általános megfogalmazásban - a mozgást akadályozó hatásként definiálható. Szűkebb értelemben, a súrlódás az egymással érintkező felületek viszonylagos elmozdulásakor lejátszódó, a mozgás ellen ható jelenségek összessége. Súrlódási folyamatok    A súrlódás elmozdulást vagy mozgást gátló hatás amely két test közötti érintkező felületen, vagy anyag belsejében alakul ki. Eltérő jellegzetességeik miatt többféle

súrlódás forma különíthető el A külső súrlódás az egymáshoz szorított szilárd testek érintkező felületein kialakuló kölcsönhatások eredménye, ami ellenállást fejt ki az elmozdítási kényszerrel szemben, és mozgás esetén energia veszteséget, hőfejlődést, és gyakran anyagveszteséget okoz A belső súrlódás az áramló közegekben vagy maradó alakváltozást szenvedő szilárd testekben alakul ki és hőfejlődéssel, hőmérséklet emelkedéssel jár A súrlódás törvényszerűségei  Az egymáson elmozduló, elcsúszó felületek közötti súrlódás okait és törvényszerűségeit régóta kutatják. Leonardo da Vinci első kísérletei és az őt követő kutatók az elmúlt évszázadokban lényegében elfogadták azokat a súrlódási törvényeket, amelyek szerint a súrlódási erő (Fs) arányos (µ- súrlódási tényező, arányossági tényező) az összeszorító erővel (FN), és független a névleges érintkezési

felülettől. F    S FN Az egyenlőséget Coulomb-törvénynek is nevezik. A súrlódás okait vagy a felületi érdességek ütközéséből eredő ellenállással (Leonardó da Vinci, Amontons, Coulomb), vagy a felületek közötti vonzó erővel (Desaguliers, Tomlinson, Gyerjagin) magyarázták. Csak a XX: században, elsősorban Bowden és Tabor, valamint Krageiszkij kutatásai mutattak rá arra, hogy a súrlódás kialakulásában mind a felületi érdesség, mind a felületek közötti vonzó erő szerepet játszik, de döntő hatást gyakorol a súrlódás nagyságára a felületi anyagrétegek alakváltozása, szilárdsága is. A súrlódást befolyásoló tényezők      A súrlódási erőt gyakorlatilag tehát két hatás hozza létre, az egyik tényleges érintkezési felületen kialakult adhéziós kapcsolatok által kifejtett ellenállás A másik a deformációs hatás. Terhelés hatására a mikrogeometriai érdességcsúcsok

deformálódnak. Kis terhelés esetén rugalmas cieformáció következik be, a terhelés növelésével pedig elérhető az a határ, mikor képlékenyen változik A tényleges érintkezési felületet létrehozó alakváltozás jellege Az oxidáció Mechanikai hatások is befolyásolják a súrlódó felületeket, amelyek akár közvetlenül is részt vesznek a részecskék kiszakításában. Ilyen hatások a következők : a) az ütés, b) a forgácsolás, c) a felület elkenődése, d) a karcolás és e) a kifáradás A tribológia fogalma jellemzői, fajtái    Angliában a súrlódási kutatások összehangolására 1964ben Bowden egy központi kutatócsoportot szervezett. Ők használták először a tudományág megnevezésére a tribológia (súrlódástan) kifejezést. A tribológia súrlódó felületek kölcsönhatásának tudománya. Vizsgálódásának fő területei a súrlódás, a kopás és a kenés. A tribológia ezen témakörök jelenségeit

rendszerbe foglalja és mint rendszert vizsgálja Szoros kapcsolatot teremt a kohász, a fizikus, a vegyész, a géptervező, a gépgyártó és az üzemeltető közt. A tribológiának két legfontosabb területe a tribofizika és a tribokémia. A tribofizika főleg a súrlódás és a kenés mechanikai, termikus, reológiai, hidrodinamikai, elektromágneses és fizikai szorpciós jelenségeinek vizsgálatával foglalkozik. A tribokémia a súrlódó felületek és a kenőolaj kémiai változásait vizsgálja. Példák tribológiai rendszerek elemeire Rendszer elemek Tribológiai rendszer 1. elem 2. elem Közbenső közeg Környező közeg Siklócsapágy tengely persely kenő anyag levegó Emberi izület csontvég izület izületnedv test Tárcsafék tárcsa fékpofa - levegő Csavarkötés csavar anya kenőanyag? levegő Csigahajtás csiga csigakerék hajtóműolaj levegő Szíjhajtás tárcsa szíj - levegő Bütykös hajtás bLtyök követő

kenőanyag levegő Nyomda nyomólap papír festék levegő Villamos áramleszedő gyűrű szénkefe bevonat védőgáz Hangieszedő Lmez tű - levegő Mozdony kerék sin szennyeződés levegő Csővezeték folyadék cső folyadék folyadék Szelep tányér ülék folyadék folyadék Henger/dugattyú pár gyűrű henger kenőaniyag folyadék Huzalhúzó huzal kő bórax levegő Extruder rúd szerszám kenőanyag levegő Kútfúró fúró talaj - - Kotrógép kanál föld - Víz Eszterga munkadarab szerszám hűtő-kenő foly. levegő Köszörű munkadarab korong hűtő!kenő foly. levegő Kopási folyamatok A kopás a súrlódás hatására kialakuló anyagveszteség, amely a súrlódási folyamat alatt megjelenő mechanikai, termikus és vegyi igénybevételek hatására alakul ki.  Ennek ellenére általános törvényszerűséget a súrlódás és a kopás között a mai napig még nem sikerült

megállapítani: a súrlódás növelése nem feltétlenül jár kopásnövekedéssel, és fordítva, a súrlódás csökkenése mellett is növekedhet a kopás  Az anyagveszteség megjelenési formái a kopási folyamat alatt anyagátvitel az egyik elemről a másikra,  anyag részecskék válnak le és jutnak a környező közegbe,  vegyi reakció termék keletkezik  Kopási formák   A kopásformákat a gyakorlatban rendszerint Burwell javaslatát elfogadva a kopást okozó folyamatok szerint különböztetik meg, mert a kopásirányítás elengedhetetlen feltétele az uralkodó kopási folyamat felismerése, törvényszerűségeinek alkalmazása. Rendszerint az alábbi kopásformákat különítik el: adhéziós kopás, abráziós kopás, fáradásos kopás, mechano-kémiai kopás, kavitációs kopás, fretting kopás vagy súrlódási korrózió, eróziós kopás. Mitől függ a kopás?       a rendszer bemenő

adataitól a rendszer szerkezetétől a rendszer elemeitől, azok tulajdonságaitól, az elemek közötti kapcsolatoktól A kopás jellemzésekor figyelembe kell venni: - a mozgásformát, - a kölcsönhatásba kerülő elemeket, - az uralkodó kopási folyamatot - a bevitt energiát: - a normálerőt, - a súrlódási tényezőt, a súrlódási úthosszat, - a kopást befolyásoló anyagjellemzőket, - a kopás sebességet, - a kopott felületek állapotát Adhéziós kopás   Az adhéziós kopás a súrlódás során a tényleges érintkezési felületen kialakuló adhéziós kapcsolatok elszakadásakor létrejövő anyagveszteségre vezethető vissza, ami rendkívül súlyos felületi károsodásokkal, berágódásokkal járhat. Amikor az érdességi csúcsokon kialakult atomosmolekuláris kapcsolatok elszakadnak, anyagrészek juthatnak át az egyik felületről a másikra, (anyagátvitel), mert az érintkező felületek felszíni rétegének szilárdsága a súrlódási

igénybevétel és a fizikai-kémiai hatások következtében megnövekszik a belső anyagrészekéhez képest, és a szakadás (az elnyíródás) a kisebb szilárdságú anyag belsejében jön létre Adhéziós kopás   A hasonló kristályszerkezetű anyagok (pi. az önmagukkal párosított tiszta fémek) hajlamosak adhéziós kapcsolatok kialakítására, amelyek elszakítása nem csak intenzív kopást, hanem gyakran erős felület durvulást, bemaródást, berágódást, és a súrlódó felület azonnali tönkremenetelét okozzák. Ezért az ilyen anyagpárosításokat kerülni kell, és helyettük eltérő kristályszerkezetű és/vagy heterogén szövetszerkezetű anyagokat célszerű párosítani pl. acéllal öntöttvasat, bronzot vagy más csapágyfémet, kis adhéziós hajlamú műanyagot (PTFE), műanyag vagy fém kompozitot, esetleg kerámiát. Abráziós kopás  Az ún. abráziós, vagy karcoló, forgácsoló kopás a gyakorlatban kétféle módon

jöhet létre. Első módja a 38 ábrán látható kéttest - abráziós kopás, amikor az egymáson elmozduló anyagok keménysége annyira különbözik, hogy a keményebb anyag kiálló csúcsai mozgás közben mélyedéseket, karcolásokat munkáinak a lágyabb felületbe, ezáltal a lágy anyag mennyisége folyamatosan csökken. „Három test” - Abráziós kopás    Abban az esetben, amikor két egymáson elmozduló felület közé viszonylag aprószemű kemény ún. abrazív anyag kerül, háromtest - abráziós kopásról beszéIünk. Az átlagosan 7-8 µm nagyságú idegen, vagy a két anyag egyikéből lepattogzott és felkeményedett szemcse megsokszorozza a kopás sebességét (forgácsol!). Az idegen anyag általában por, a saját anyag pedig lehámlott oxidréteg lehet, amely úgy fejti ki felületroncsoló hatását, hogy a lágyabb anyagba beágyazódva védi azt a keményebbel szemben FÁRADÁSOS KOPÁS (PITTING)    A fáradásos

kopás főleg gördülő csapágyakban tapasztalható. A felület kifáradása szempontjából a legkritikusabb az érintkezési felület szélein, nem sokkal a felület alatt ébredő, a felülettel párhuzamos nyírófeszültség. A lehámlás mértéke függ az érintkező felületek alakjától, a legkisebb kipattogzás a kör, és legnagyobb a vonal menti terhelés esetében. A repedések keletkezését gyorsítják a felületi rétegekben eleve meglévő saját feszültségek, inhomogenitások, felületi repedések, valamint a kenőanyag hidrodinamikai nyomáseloszlása, amely ún. elasztohidrodinamikai kenési állapot esetén nem követi a Hertz-féle nyomáseloszlást, hanem a kilépési oldalon nyomáscsúcs keletkezik. Ha bejut a repedésbe feszíti SÚRLÓDÁSOS OXIDÁCIÓ (FRETTING)     Az angol irodalomból átvett ún. fretting kopásra, az jellemző, hogy a súrlódási folyamatot erős oxidáció is kiséri. A fretting kopás következtében

tönkrement acél alkatrészek felületeit fekete, vagy vörösesbarna lerakódás, oxidréteg borítja A fretting elősorban gördülőcsapágyak, bordás kötések, csap- szeg-furat érintkező felületinek, illetve szegecskötések jellemző meghibásodása nem teljesen önálló, hanem az előző négy alap kopástípust magába foglaló összetett felületroncsoló folyamat Termográfiai vizsgálat csere előtt és után OXIDÁCIÓS KOPÁS   Ez a kopásforma olyan fémeken, illetve olyan körülmények között fordul elő, amikor a nagy terhelés okozta alakváltozás következtében a felület alatti vékony réteg szilárd oldattá alakul át, azaz igen kemény, rideg fémoxid vegyületek képződnek. Az oxidrétegek, melyek mikroszkóppal jól kimutathatóak, az alkatrészek egymáson való további elmozdulásának következtében leválnak a felületről Eróziós kopás    Az eróziós kopást nem az egymáson elmozduló szilárd testek

közötti súrlódás idézi elő, hanem a szilárd testhez ütköző részecskék. Eróziós hatást nem csak szilárd részecskék, hanem folyadék cseppek is előidéznek (p1. nagysebességű repülőgép szárnyain), rendszerint a szilárd részecskéknél lényegesen kisebb mértékben. Az eróziós kopást az okozza, hogy az anyagok áramlásakor a szilárd falhoz ütődő részecskék mozgási energiája ütközési energiává alakul át: a fal és a részecske rugalmasan és/vagy képlékenyen deformálódik, ridegen törik, a becsapódó részecske a falból anyagrészeket szakít ki. (kavitáció!) KIFÁRADÁS    Mechanikából ismeretesek azok az igénybevételek, amelyek egy gépelem (forgó tengely, tárcsa, fogaskerék) működése közben az adott géprészt terhelik. Ezek az igénybevételek lehetnek statikusak, illetve dinamikusak. Statikus terhelésen időben és nagyságban állandó, míg dinamikus terhelésen időben és/vagy nagyságban, illetve

irányában változó igénybevételeket értünk A múlt század végén egy német mérnök, Wöhler, mégis azt tapasztalta vasúti tengelyek megfigyelése folyamán, hogy a megfelelő biztonsággal méretezett gépelemek bizonyos üzemidő elteltével az ismétlődő igénybevételek hatására eltörtek. Ezt a jelenséget laboratóriumban (ún fárasztógépen) vizsgálva, az előbb említett alkat részek anyagából próbatesteket készítve, Wöhler azt állapította meg, hogy a próbatestek annál később mennek tönkre, minél kisebb feszültséggel terhelte őket A kísérleteknél gondosan feljegyezte az ún. igény bevételi számot, melynél a beállított terhelés törést okozott. A Wöhler görbe és szakaszai   Mérési eredményeit egy diagrammban foglalta össze, amely mint látjuk aszimptotikusan tart egy vízszintes egyeneshez, amely azt a feszültséget reprezentálja, amelynél a próbatest gyakorlatilag végtelen igénybevételi szám esetében

sem tört el. Ez az aszimptota, illetve a hozzá tartozó feszültségérték kifáradási határ nevet kapta . A kifáradási határt befolyásoló tényezők A kifáradási határt több, az alkatrészre nézve külső, illetve belső tényező is befolyásolja. Ezek közül a legfontosabbak a következők: - a feszültségi állapot - a feszültséggyűjtő helyek - a feszültség időbeli lefolyása - az igénybevétel frekvenciája - a környezeti hatások - az alkatrész mérete, alakja (geometriai kialakítás) A kifáradás folyamata A statikusan folyáshatárra, vagy szakító szilárdságra megfelelően méretezett alkatrészek is eltörhetnek, ha azokat ismétlődő igénybevétel terheli. Ez azért következik be, mert a folyáshatár alatti átlagfeszültségek esetén is lehetnek az anyagban olyan helyek, ahol a helyi feszültség meghaladja a folyáshatárt, vagy a rugalmassági határt, tehát az anyag ismétlődő képlékeny alakváltozást szenved.  Az

ismételt igénybevételek során mikro-repedések keletkeznek, melyek egy ideig szívósan terjednek, míg végül az egész keresztmetszet ridegen el nem törik.  A fáradt törés folyamata tehát három szakaszra bontható: - a mikro-repedések keletkezése - a repedések szívós terjedése - a rideg törés.  A kifáradásos törések jellegzetességei   A kifáradásos töréseket más nem kifáradás okozta tönkremeneteltől az ún. törési kép alapján tudjuk megkülönböztetni. A kifáradásos törés általában a felületen kezdődik igen vékony hajszálrepedések formájában. A repedés forrása lehet valamilyen anyagszerkezeti vagy alkatrész geometriai feszültséggyűjtő hely (hegesztési varrat, reteszhorony, tengelyváll, átmenő furat, stb.), amelyből kiindulva a törés folyamatosan, vagy lépésről lépésre terjed az alkatrész keresztmetszetében. A KORRÓZIÓ    Definíciószerűen megfogalmazva tehát a korrózió a

fémeknek, és más az iparban használatos anyagoknak a környezettel végbemenő olyan reakciója, melynek során kémiai, vagy elektrokémiai folyamatok játszódnak le. Ezek eredményeként az anyag stabilabb, kisebb energiaszintű állapotba alakul vissza. Példaként vegyük a vasércet, amely fémoxid, vagy hidroxid vegyület. Energiabefektetéssel - az olvasztó kemencében - a vasércből redukciós folyamat eredményeként “tiszta” vasat (acélt) állítunk elő. Ezáltal a vasérc magasabb energiaszintre kerül. A környezeti hatások segítségével- amennyiben a vasat nem részesítjük megfelelő védelemben - a “tiszta” vas igyekszik újra felvenni természetes állapotát és újból komplex oxid, hidroxid vegyületekké alakul vissza. A KORRÓZIÓ FAJTÁI   Kémiai korrózióról akkor beszélünk, ha egy szilárd fém és valamilyen (oxigén tartalmú) gáz között, hatásfelületi reakció következtében oxidréteg képződik. Ez a

reakcióréteg egész vékony, képződésekor az elektronok elmozdulása kisebb, mint 0,4 mm. Az oxidhártya vastagsága a hőmérséklettől és a reakció időtartamától függ. legjellemzőbb példa a rozsdaképződés Elektrokémiai korrózió kialakulásához mindig valamilyen elektrolitra van szükség. A fémes anyagokra jellemző az a jelenség, amikor elektrolit jelenlétében ionokat bocsátanak az oldatba. Ez a folyamat általában vizes elektrolit oldatban játszódik le Ha két különböző potenciálú elem kerül egymás mellé, ekkor elektrolit képződés esetén egy mikrogeometrikus, kb. 0,01 mm méretű, helyi galvánelem keletkezik, amelyben a katód a nem nemesfém, az anód pedig a nemesfém lesz. Az elektrokémiai feszültségsor az adott fém korrózióra való hajlamosságának mértékét fejezi ki. A korrózió megjelenési formái Aszerint, hogy a korrózió milyen külső környezeti hatás eredményeként jön létre a korróziós típusok három

fő csoportra oszthatók: - súrlódási korrózió, - kenéstechnikai (vagy folyadék) korrózió, - atmoszférikus korrózió. A korrózió megjelenési formái    A strlódási korrózió mechanikai és kémiai jelenségek együttes hatásaként keletkezik. Ezt a kémiai jelenséget a súrlódás váltja ki, abban az esetben, ha a fémes érintkező felületek között oxigén jelenlétében kis ampiitudójú rezgő mozgás jön létre. Előfordulási helyei vibráló gépek illeszkedéseinél, szerszámgépeken a stick-slip jelenségek, illetve gördülőcsapágyak futófelületein. A kenéstechnikai korrózió okozója a kenőanyag, amelyből elhasználódása következtében (kenőolaj fáradás, öredegés) zsírsavak és más szerves savak képződnek. Ezek a savak gyakorlatilag minden fémet megtámadnak a nemesfémek kivételével és félületükön fekete foltosodásban megjelenő korróziós nyomokat hagynak. Az armoszféri kas korrózió bír a legnagyobb

jelentőséggel. Fő oka a levegőben lévő vízgőz, oxigén, szén-dioxid, szén-monoxid és egyéb ipari szennyező gázok. A szabadban tárolt gépek és egyéb fém termékek (p1. kohászati félgyártmányok) súlyos károsodásokat szenvedhetnek e korrózió típus miatt, amelynél meg kell még említeni a tengeri szállítást, valamint a közúti járművek fokozott károsodását a tengervíz, illetve az utak sózása miatt. A korróziót befolyásoló környezeti tényezők    A levegő oxigénje gyorsítja a korróziót, ezért fontos a korrózióvédelemnél, hogy az oxigén anyaghoz való hozzájutását megakadályozzuk. Az atmoszférában lévő szennyezőanyagok mennyisége egyenesen arányos a korrózió sebességével, míg az éghajlat a relatív páratartalmon ( a levegőben lévő víz mennyisége) keresztül hat a korróziós folyamatokra. A szerkezetek megfelelő konstrukciós kialakításával magunk is befolyásolni tudjuk a korrózió

hatását, ha úgy alakítjuk ki az alkatrészt, hogy ne legyenek benne olyan üregek, szögletek, esetleg hornyok, amelyekben összegyűlhet az esővíz