ТРИБОКОРРОЗИЯ ПРИ ФРИКЦИОННОМ КОНТАКТЕ С ДРЕВЕСИНОЙ НОЖЕВЫХ ВАЛОВ СТРУЖЕЧНЫХ СТАНКОВ
Прозоров Я.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
The published analysis of laws and mechanisms of flakers’s knife shafts wear allows revising the existing approaches to manufacturing methods of hardening of shafts, formulating requirements to the choice of increasing wear resistance and theoretically substantiating the structural-phase composition and physicochemical properties of the surface layer of the knife shaft.
Основные задачи модернизации отечественной деревообрабатывающей промышленности состоят в обеспечении более полного использования лесосырьевых ресурсов, достижении высокой энергоэффективности современных предприятий, выпуске высококачественной конкурентоспособной продукции.
В полной мере сказанное относится и к производству древесно-стружечных плит, которые являются наиболее востребованным продуктом деревопереработки на отечественном рынке после обрезной доски и бруса. В производстве древесно-стружечных плит комплексная переработка сырья и эффективность производства во многом зависят от состояния оборудования и используемых инструментов, поэтому обеспечение их высокой надежности приобретает особое значение.
Технико-экономические показатели производства ДСтП (расход древесного сырья и связующих, энергозатраты, качество производимой продукции и др.) в значительной мере обусловливаются на стадии производства технологической стружки.
Для ее получения наиболее часто применяют стружечные станки с ножевым валом. У таких станков потеря работоспособного состояния в значительной степени определяется износом рабочих поверхностей ножевого вала и некоторых других деталей в конструкции режущего узла, поэтому рациональный выбор материалов для их изготовления и эффективной упрочняющей обработки является важной задачей.
Для успешного ее решения необходимо знание эксплуатационных условий деталей оборудования, механизмов и закономерностей изнашивания их функциональных поверхностей, на основании чего становиться возможным выявление путей снижения износа. Таким образом, для обеспечения повышения срока службы техники требуется повышение ряда теоретических и прикладных вопросов, относящихся к сфере трибологии и триботехники.
По ряду литературных данных преобладающим для рассматриваемых узлов трения является коррозионно-механический вид изнашивания, иначе называемый трибокоррозией [1,4,7]. Он представляет собой процесс поверхностного разрушения конструкционных и инструментальных материалов при совместном действии механических нагрузок и химических реакций с внешней средой. Для трибокоррозии характерен эффект совместного влияния (синергизм) механических и химических явлений, результат проявления которых не может быть определен простым суммированием эффектов отдельных составляющих.
Схематически механизм изнашивания рассматриваемых поверхностей может быть представлен как совокупность коррозионных процессов (окислительных, химических и электрохимических) с процессами разупрочнения, разрыхления и разрушения поверхностей трения с параллельно текущей газификацией поверхностных слоев. При реализации такого вида изнашивания металлических поверхностей, фрикционно контактирующих с древесиной (рис. 1), можно выделить три следующих основных этапа:
· образование окисного слоя на рабочих поверхностях вала;
· механо-химическое разрушение образовавшихся слоев;
· взаимодействие древесного сырья с образовавшейся ювенильной поверхностью металла и его репассивация.
Рисунок 1- Схематическое изображение фрикционного контакта поверхности ножевого вала и древесины: 1 — исходный металл ножевого вала; 2 – древесина; 3 – оксидный слой; 4 – внешние абразивные частицы; 5 – диспергированные частицы металла; 6 – естественные абразивные частицы древесины; 7 – ювенильная поверхность металла; 8 – зоны коррозионного разрушения; 9 – области молизации водорода, 10 — агрессивная внешняя среда
Согласно этой схеме на поверхности металла находится слой окислов, который образовался при взаимодействии металла с кислородом воздуха. Этот тонкий слой прочно связан с поверхностью металла и повторяет его топографию. Толщина такой окисной пленки для железоуглеродистых сплавов составляет 10-7 -10-8 м. При этом окисная пленка состоит из закиси железа FeO, закиси-окиси железа Fe3O4 и оксида железа Fe2O3. Непосредственно к металлу примыкает FeO, далее следуют Fe3O4 и Fe2O3. Соотношение толщин оксидов FeO: Fe3O4: Fe2O3 близко к 100:10:1[3].
Свойства окислов значительно отличаются от свойств металлической основы. Окислы при нормальной температуре обычно твердые, хорошо сопротивляющиеся сжатию, однако они достаточно хрупкие, при повышении температуры пластичность окислов повышается. Указанные окислы имеют кристаллическое строение, они теплопроводны, являются электрическими изоляторами, а коэффициент их линейного расширения меньше, чем самого металла.
Эти пленки способны пассивировать и защищать поверхности рассматриваемых рабочих органов от поверхностного разрушения.
На втором этапе фрикционного контакта металла и древесины в результате протекания сложного комплекса химических и механических воздействий защитная пленка разрушается, что и обуславливает процесс изнашивания. Исследователями отмечено [7], что характер механо-химического механизма изнашивания в значительной степени определяется характеристиками внешней среды, при этом вклад химических факторов зачастую не меньше механических.
Кроме того, следует учитывать, что при высоких давлениях и температурах в зоне резания и трения древесина может термически разлагаться. Многие авторы [1,4] представляют следующую последовательность протекания этого процесса. В начале при температурах (120…150 оС) испаряется свободная влага, затем происходит разложение гемицеллюлоз (275…300 оС), распад древесного волокна (около 400 оС) и выделение кислот, спиртов и смол.
Поэтому помимо окислов формируются адсорбированные слои химических соединений, образовавшихся при трибодеструкции древесины, в совокупности с полярными молекулами полимерных органических (свободных радикалов) и экстрактивных веществ [1,4]. Среди разнообразных химических соединений, выделяющихся в процессе контакта с древесиной, наибольшее влияние на характер и интенсивность изнашивания оказывают вода, органические кислоты и полифенольные соединения[8,9,11].
Вода попадает на поверхность металла непосредственно из древесины в процессе контакта или конденсируется из паров, выделяющихся из древесины, и активно адсорбируются поверхностными слоями металла. В водном растворе всегда содержатся ионы Н+ и ОН- как продукты частичного распада воды, а также определенное количество кислорода.
Процесс протекающей при этом коррозии можно выразить с помощью анодной реакции и катодной реакций (с водородной и кислородной деполяризацией соответственно)
Fe —>Fe2+ + 2е- (1)
2Н+ + 2е- —> Н2 (2)
O2 + 4Н+ + 4е- —> Н2O.(3)
Результирующая реакция принимает вид:
Fe + Н2O+ 0.5O2—>Fe(OH)2 (4)
Гидратированный оксид железа Fe(OH)2 (гидроксид железа(II)) образует на поверхности металла диффузионно-барьерный подслой, через который должен диффундировать кислород. На внешней поверхности оксидной пленки, доступной растворенному кислороду, гидроксид железа(II) диффундирует в гидроксид железа(III) Fe(OH)3.
Fe(OH)2+ Н2O+ 0.5O2—>Fe(OH)3 (5)
Пленки ржавчины, состоящие из слоев гидратированных оксидов железа, легко удаляются в процессе эксплуатации деревообрабатывающих станков.
Этот процесс усиливается коррозионным действием карбоновых кислот. Химическое взаимодействие металла с продуктами деструкции древесины интенсифицируется действием локальных повышенных температур, наблюдаемых при эксплуатации оборудования. Это связано с тем, что при повышении температуры химическая активность даже слабых кислот многократно увеличивается. Поэтому образовавшиеся в процессе трибодеструкции древесины кислоты (уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная, валериановая) активно взаимодействуют с оксидной пленкой на поверхности вала, растворяя ее. Протекающие при этом реакции, например уксусной кислоты с вюститом и магненитом, выглядят следующим образом.
FeO + 2CH3COOH—> (CH3COO)2Fe+Н2O (6)
Fe2O3 + 6CH3COOH—> 2(CH3COO)3Fe+3Н2O (7)
Эти реакции быстрее протекают в кислой среде, чем в щелочной и нейтральной. Отметим, что значения pH пород древесины умеренных широт, используемых для переработки, находятся в интервале от слабокислого до умеренно кислого (6,4 — 3,3), наличие в составе перерабатываемого сырья коры дополнительно снижает кислотный потенциал.
Кроме того, возрастание скорости коррозии металла по мере уменьшения pH обусловлено не только увеличением скорости выделения водорода, но и облегченным доступом кислорода к поверхности металла вследствие растворения поверхностного оксида и следовательно повышенной кислородной деполяризацией[6]. Катализаторами коррозионной активности могут быть также сульфаты, сульфиды и хлориды, существующие в составе минеральных компонентов древесины.
Высокую химическую активность при контакте с металлами проявляют и полифенолы (пирокатехин и пирогаллол) и их производные (главным образом таннины), которые в значительном количестве содержатся в древесине и коре ряда пород, хотя роль реакций металла с этими веществами в суммарном химическом износе значительно меньше кислотных реакций .
Полифенольные компоненты, имеющие смежные гидроксильные группы, способны к формированию с ионами металла стабильных веществ, называемых хелатами. Хелаты образуются в результате нескольких последовательных реакций [8,10]:
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 (8)
2Fe2+ +2H+ + 0.5O2 → Н2O + 2Fe3+ (9)
(10)
Химическая активность древесного сырья определяется не только количеством органических кислот и полифенольных компонентов. Проведенные исследования, в котором сравнивались древесный экстракт и «синтетическая» смесь с аналогичным уровнем кислотности и содержанием таннинов, показали, что коррозионная активность древесного экстракта на порядок выше искусственного[11]. Отсюда можно полагать, что пока химия взаимодействия пары «древесина-сталь» недостаточно изучена и требует дальнейшего исследования.
Итогом ряда исследовательских работ, посвященных трибохимическим реакциям в зоне трения «древесина» - «сталь», стало нахождение в зоне контакта октаэдральных гидроксильных органометаллических соединений, формирующихся в результате реакции левоглюкозана (образующийся в результате трибодеструкции целлюлозы) и гидроксидов железа[9]:
FeII(OH)2 • 4H2O + Levoglucosan —> FeIILevoglucoside•3H2O +3H2O (11)
FeII(OH)2 • 4H2O + Levoglucosan —> FeII(OH)2 Levoglucoside•H2O +3H2O (12)
FeIII(OH)3 • 3H2O + Levoglucosan —> FeIII(OH)Levoglucoside•3H2O +3H2O (13)
FeIII(OH)3 • 3H2O + Levoglucosan —> FeIII(OH)3Levoglucoside+3H2O (14)
Наряду с коррозионными процессами, причиной износа деталей деревоперерабатывающего оборудования и инструментов является насыщение функциональных поверхностных слоев такими газами, как водород, кислород, азот и др. Водород является самым агрессивным к металлам из газов, поэтому наводороживание представляет особую опасность[1].
Наводороживание металлических поверхностей при фрикционном воздействии древесины может происходить за счет действия ионов водорода, выделяющегося при диссоциации воды, кислот, газообразного водорода и других веществ или же в результате химических реакций, в которых принимают участие соединения, являющиеся продуктами разложения древесины (углеводороды, спирты, альдегиды и др.).
Адсорбирующиеся ионы водорода, образующиеся в результате диссоциации кислот и воды, скапливаются в местах выхода на поверхность дислокаций, межфазовых границ, неупорядоченных образований и т.п., тем самым уменьшая поверхностную энергию и способствуя разрушению. Находящийся в решетке металле водород снижает когезионную прочность, что приводит к снижению затрат энергии на разрыв связи поперек кристаллографической плоскости.
При достаточно большой концентрации водорода состояние насыщения решетки металла водородом достигается сравнительно быстро. Затем ионы водорода частично выходят из пересыщенной решетки стали в межзеренное пространство или на поверхности микротрещин, пустот, неметаллических включений, где при сравнительно невысокой температуре происходит молизация водорода (рис. 2). Вследствие этого в замкнутых местах выхода водорода создаются высокие давления, приводящие к образованию напряженного состояния в решетке, деформации, нарушению сплошности металла, образованию трещин и расслаиванию[2].
Рисунок -2 Схема наводороживания поверхностных слоев ножевого вала
Механическая составляющая износа во фрикционном контакте между древесным сырьем и металлическими поверхностями ножевого вала обусловлена следующими факторами.
Во-первых, попаданием в зону контакта частиц минеральных компонентов из состава почвы с недостаточно очищенной обрабатываемой древесиной. Попадающие частицы почвы обладают зачастую высокой твердостью (по шкале Мооса): глинозем (оксид алюминия) – 9 единиц Мооса, кремнезем (диоксид кремния) – 7 единиц Мооса, что превышает твердость поверхности металла ножевого [5].
Во-вторых, попаданием абразивных частиц в сопряжения станка из окружающей среды. Известно, что в 1м3 воздуха содержится от 0,04 до 5 г пыли, на 60.. .80 % состоящей из взвешенных частиц минералов - кварц, корунд, оксиды и диоксиды кремния, соединений алюминия, кальция и других элементов.
В-третьих, вовлечением диспергированных частиц износа в зону контакта. Частицы износа металлической поверхности ножевого вала в основном состоят из оксидов железа. При твердости функциональных поверхностей вала около 370 ΗV твердость вюстита составляет 320 HV, магнетита − 460 HV, гематита – 1030 HV[3].
В-четвертых, свой вклад вносят естественные минеральные компоненты древесины, в первую очередь кремнезем. Однако содержание неорганических включений (SiO2, K2O, Na2O, MgO, CaO и др.) в древесине пород умеренных широт, используемых для получения стружки, мало, и поэтому их вклад на суммарный абразивный изноc незначителен [8, 10].
Проведенный анализ закономерностей и механизмов изнашивания ножевых валов стружечных станков позволяет пересмотреть существующие подходы к технологическим методам упрочнения валов, сформулировать требования к выбору способа повышения износостойкости и теоретически обосновать структурно-фазовый состав и физико-химические свойства поверхностного слоя ножевых валов, что позволит существенно повысить долговечность деревообрабатывающего оборудования и инструмента.
Литература
1. Зотов, Г.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента / Г.А.Зотов, Е.А. Памфилов. –М. : Экология, 1991.- 304 с.
2. Касаткин, Г.Н. Водород в конструкционных сталях. / Г.Н. Касаткин - М: Интермет Инжиниринг, 2003. - 336 с: ил.
3. Машков, Ю.К. Трение и модифицирование материалов трибосистем./ Ю.К. Машков, К.Н. Полещенко, С.Н. Поворознюк, П.В. Орлов - М: Наука, 2000. - 280 с.
4. Моисеев, А.В. Износостойкость дереворежущего инструмента./А.В. Моисеев.- М.:Лесн.пром-сть, 1981.-112 с
5. Пенкин, Н.С. И др. Основы трибологии и триботехники: учеб.пособие./ Н.С.Пенкин, А.Н.Пенкин, В.М.Сербин - М:Машиностроение, 2008.-206 с.:ил.
6. Семенова, И.В. Коррозия и защита от коррозии / И.В. Семенова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов— М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.
7. Сорокин, Г.М. Коррозионно- механическое изнашивание сталей и сплавов./ Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов, Л.С. Саакян - М.: Нефть и газ, 2002 - 424 с.
8. Klamecki, B.E. A Review of Wood Cutting Tool Wear Literature / B.E. Klamecki [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springerlink.com/content/v120741328777300/
9. Krilov, A. Mechanism of sawblade corrosion by polyphenolic compounds./ A. Krilov, R.Gref [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// http://www.springerlink.com/content/n15418jl82377147/
10. Porankiewicz, B. Factors influencing steel tool wear when milling wood/ B. Porankiewicz, J. Sandak, and C. Tanaka - Wood Science & Technology, 2005 - № 39(3), p.225-234.
11. Zelinka, S. L.The effect of tannins and pH on the corrosion of steel in wood extracts./ S.L.Zelinka, D.S.Stone [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/maco.201005845