Енциклопедія трибології - абразивне зношування
Абразивним називається механічне зношування матеріалу в результаті в основному ріжучого або дряпає дії на нього абразивних частинок, що знаходяться у вільному або закріпленому стані. Абразивні частинки, володіючи більшою, ніж метал, твердістю, руйнують поверхню деталей і різко збільшують їх знос.
Абразивне зношування є одним з найбільш поширених видів зношування. Цьому виду зношування схильні деталі і вузли тертя більшості машин і устаткування, що застосовуються в гірничорудній промисловості, сільському господарстві, бурове обладнання та інструмент, робочі органи і ходова частина будівельно-дорожньої і транспортної техніки, дробильно-розмельні, змішувальні машини і обладнання переробних виробництв і т . Д.
Відмітною ознакою абразивного зношування є участь в процесі твердих частинок, що володіють різною структурою, формою, розмірами, твердістю, міцністю, незначною адгезію до поверхонь, що труться. Тертя в присутності абразивних частинок характеризується нестационарностью контактів твердих частинок з зношується поверхнею, широким спектром і високою концентрацією напружень, фізико-хімічної активацією поверхонь твердих тіл.
За характером силового впливу абразиву на деталі, що труться розрізняють (рис.1):
- а) ковзання деталі по монолітному абразиву;
- б) кочення деталі по абразиву;
- в) зіткнення з частинками абразиву;
- г) зіткнення деталі з монолітним абразивом;
- д) вплив потоку абразивних частинок на поверхню деталі (гідроабразивне і газоабразівное зношування);
- е) ковзання деталі в масі абразивних частинок;
- ж) взаємодія сполучених деталей в контакті з абразивними частинками.
Рис.1. Схеми силового взаємодії абразиву з деталлю.
Кожен вид взаємодії обумовлює властиве йому напружено-деформований стан, ступінь активізації і подальше руйнування поверхні деталі. Руйнування поверхні може бути результатом одноразового взаємодії абразиву з поверхнею (зрізання стружки) або багаторазового процесу деформування поверхні абразивними частинками. З огляду на розглянуті вище відмінності в механізмах руйнування поверхонь, класифікувати матеріали по їх здатності чинити опір абразивного зношування не представляється можливим.
Рішення задач спрямованого синтезу зносостійких матеріалів, вибору матеріалів у вузли тертя і прогнозування зносу вузлів зажадало знаходження кореляційної зв'язку між зносостійкість і іншими властивостями матеріалів, легко визначаються стандартними методами.
Дослідження зношування матеріалів по корундовому полотну, проведені М.М. Хрущовим, показали, що відносна зносостійкість чистих металів в ненаклепаного стані і сталей в відпаленого стані прямо пропорційна твердості матеріалу (рис.2, табл.1): ε
НВ. Для термооброблених сталей характерна залежність
де ε0 - відносна зносостійкість стали в відпаленого стані; α - коефіцієнт пропорційності; НВ0 - твердість сталі в відпаленого стані.
Рис.2. Залежність відносної зносостійкості ε від мікротвердості H металів.
Таблиця 1. Твердість і відносна зносостійкість по абразивному полотну різних матеріалів.
Процеси абразивного зношування залежать від форми і розмірів абразивних частинок, можливості їх закріплення в матеріалі (шаржування поверхні), співвідношення твердості матеріалу Hм і абразиву Hа. При Кт = Hм / Hа <0,5 возможно прямое разрушение материала; при Kт> 0,7 пряме одноразове руйнування матеріалу малоймовірно і процес переходить в багатоциклових.
Порівняльна твердість матеріалів за шкалою Мооса показана на рис.3. Міцність абразивних частинок зі зменшенням їх розмірів зростає, особливо інтенсивно починаючи з 100 мкм.
Рис.3. Твердість матеріалів за шкалою Мооса.
При роботі з абразивним зношуванням необхідно передбачити оптимальне співвідношення твердості изнашиваемого матеріалу і абразиву. Як видно з рис.4, абразивне зношування матеріалу починається лише після того, як твердість абразиву перевищить твердість матеріалу, в K1 раз (перехід із зони I в зону II).
Подальше збільшення твердість абразиву призводить до зростання інтенсивності зношування матеріалу (зона II) до тих пір, поки не буде досягнуто певне співвідношення твердості абразиву Hа і твердості матеріалу Hм. рівне K2. Починаючи з цього співвідношення, подальше збільшення твердості абразиву не впливає на інтенсивність зношування матеріалу і на його відносну зносостійкість (зона III).
Рис.4. Схема трьох областей залежності інтенсивності зношування Ih і відносної зносостійкості ε від відносини твердості абразиву H а й твердості матеріалу H м (по М.М. Хрущову)
При взаємодії маси зерен абразиву з поверхнею зношування металів носить в основному багатоциклових характер, що спостерігається навіть в таких важких умовах роботи, як взаємодія робочих органів будівельної техніки з грунтом.
Стійкість абразивного зношування залежить також від складу і структури поверхневих шарів металів. Оптимальна зносостійкість структури досягається при високому опорі матеріалу стиску, зсуву, значною силою молекулярно-механічного зчеплення структурних складових, поєднанню твердості і в'язкості при відсутності крихкості; високій теплопровідності; при невеликому розходженні температурних коефіцієнтів розширення фаз, високу насиченість і рівномірності мікрораспределенія легуючих елементів, стійкості проти корозії. Отримання даного, часом суперечливого, комплексу властивостей неможливо в однофазних матеріалі і здійснюється шляхом створення гетерогенних матеріалів.
Відносна зносостійкість різних структур сплавів на основі заліза приведена в табл.2. Вплив термообробки на зносостійкість металів представлено в табл.3. Підвищенню зносостійкості сприяють:
- насичення поверхневих шарів елементами, що утворюють високотверді з'єднання карбідів, нітридів, боридів металів;
- здатність більш м'яких структур (наприклад аустенит) утримувати високотверді кристалітів в поверхневому шарі;
- здатність матеріалу упрочняться в процесі деформування при терті (наприклад, сталь 110М13Л аустенітного класу) та інші властивості матеріалів.
Стійкість матеріалів при зношуванні при наявності абразиву істотно залежить від умов і режимів експлуатації.
Таблиця 2. Відносна зносостійкість структурних складових сплавів на залізній основі при терті по закріпленому зразком.
Підвищення твердості матеріалу деталі в тонких поверхневих шарах
Внесення абразивних частинок в область контакту деталей з мастильним матеріалом різко підвищує знос, що спостерігається в поршневих парах і підшипниках ковзання двигунів, гідромоторів, золотникових і розподільних пристроях, трансмісіях. Знос зростає зі збільшенням концентрації абразиву, його твердості, залежить від форми і розмірів частинок. Матеріалознавчі методи боротьби з такої зношеності шляхом вибору і створення нових матеріалів, технологічного їх зміцнення помітно вичерпали себе. Істотно більший ефект дають методи захисту від попадання абразиву в контакт: ущільнення, фільтри, відстійники і ін.
Зношування полімерів при наявності абразиву має специфічні особливості, пов'язані з їх деформаційно-міцнісними властивостями. Характерного впливу твердості на зносостійкість не простежується. Для полімерних матеріалів більш помітна зв'язок зносостійкості з модулем пружності, причому спостерігається тенденція до підвищення зносостійкості зі зменшенням модуля пружності. Істотний вплив на зношування полімерних матеріалів надають температурно-тимчасові чинники, що ще раз підтверджує термоактивационного характер процесу їх зношування.
Зношування деталей при ударних навантаженнях по абразиву має ряд особливостей. На зношування сталей при ударі по абразиву впливає шар абразиву, енергія удару, форма і площа контакту, розмір абразивних частинок, співвідношення твердості матеріалу і абразиву. При виборі матеріалів для деталей, що працюють в режимі ударно-абразивного зношування, використання однієї твердості в якості критерію зносостійкості недостатньо. Необхідний комплексний підхід з використанням таких властивостей матеріалу, як міцність, пластичність, ударна в'язкість, від яких залежить акумулювання енергії ударної дії частинок.
Фактори, що визначають специфіку зношування при ударі, складні і численні: ударна взаємодія деталі з абразивом, впровадження твердої частинки в метал, пружні і пластичні властивості поверхневого шару з подальшим розвитком в ньому температурних, фазових і структурних змін, втомні явища, зміна вихідного складу матеріалу в поверхневих шарах.
Залежно від властивостей матеріалу і енергії удару руйнування поверхні може мати різну фізичну природу: крихке руйнування зрізом, малоцікловую втома, в'язке руйнування. При крихкому руйнуванні зі збільшенням пластичності зносостійкість матеріалу збільшується. Малоциклова втому при ударно-абразивному зношуванні розвивається при підвищенні температури, самозміцнення і подальшому охрупчивание поверхневих шарів. При в'язкому руйнуванні твердість підвищує зносостійкість матеріалу.
З огляду на неоднозначного впливу твердості на інтенсивність зношування при різних видах силового впливу в якості простих критеріїв зносостійкості матеріалів застосовують комплексні показники, що враховують твердість, пластичність, втомні характеристики, енергоємність поверхневих шарів. Наприклад, з теорії втомного руйнування поверхневого шару при зношуванні слід.
де НВ - твердість; ε0 - деформація при руйнуванні; α і β - показники, пов'язані з рельєфом і втомну властивостями матеріалів.
Сайт створено в системі uCoz