Абразивное изнашивание

Абразивное изнашивание – это разрушение поверхности детали в результате его взаимодействия с твердыми частицами (абразивом). Абразивным материалом называют материал естественного или искусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (царапания).

Такими частицами могут быть микровыступы, твердые частицы грунта, металлическая стружка, песок, оксидная пленка, нагар, продукты износа и т.д., попавшие в зону силового контакта сопряженных поверхностей. Твердые частицы могут находиться как в закрепленном состоянии (неподвижно закрепленные твердые зерна), так и в свободном.

Абразивному изнашиванию подвержены большое количество деталей машин, работающих в абразивной среде (ходовая часть гусеничных тракторов и дорожно-строительных машин, рабочие органы сельскохозяйственных машин и металлорежущих станков, узлы бурильного оборудования нефтяной и газовой промышленности и т.д.).

Поверхность детали может быть разрушена как в результате одноактного воздействия абразива, так и многоактного процесса деформирования поверхности абразивными частицами.

По характеру силового воздействия абразивных частиц на трущиеся поверхности детали различают (рис. 4.2):

а) скольжение детали по монолитному образцу;

б) качение детали по абразиву;

в) соударение с частицами абразива;

г) соударение детали с монолитным абразивом;

д) влияние потока абразивных частиц на поверхность детали;

е) скольжение детали в массе абразивных частиц;

ж) взаимодействие сопряженных деталей в контакте с абразивными частицами.

Рис. 4.2. Схемы взаимодействия абразивных частиц с деталью

На процесс абразивного изнашивания влияют различные факторы: природа абразивных частиц, их форма и размер, агрессивность среды, свойство изнашиваемых поверхностей, ударное взаимодействие, температура и т.п.

Рассмотрим влияние некоторых факторов.

Экспериментально установлено, что если размер частиц не превышает 5 мкм, то они, имея большую развитую поверхность, абсорбируют на себе продукты окисления масла, что может снизить интенсивность изнашивания детали. Многие исследования показывают, что частицы с размерами менее 5 мкм уменьшают износ частицы, размером более 5 мкм – увеличивают износ.

Прочность абразивных частиц с уменьшением их размеров возрастает, особенно интенсивно начиная со 100 мкм. Сравнительная твердость материалов показана на рисунке 4.3.

Рис. 4.3. Твердость материалов по шкале Мооса

Соотношение твердости материала Н _м и абразива Н _а оказывает влияние на процесс абразивного изнашивания.

При выполнении условия

К _т= Н _м/ Н _а<0,5, (4.4)

возможно прямое разрушение материала.

При К _т больше 0,7 происходит многоцикловое разрушение.

Стойкость абразивному изнашиванию также зависит от состава и структуры поверхностных слоев.

Повышению износостойкости способствуют:

- насыщение поверхностных слоев элементами, образующими высокотвердые соединения карбидов, нитридов, боридов металлов;

- способность более мягких структур удерживать высокотвердые кристаллы в поверхностном слое;

- способность материала упрочняться при деформировании;

- различные виды обработки поверхности (закалка, цементация, азотирование, борирование, обкатывание роликами, гидрополирование, напыление износостойких материалов, обработка лучом лазера, термохимические и физические методы и т.д.).

Стойкость материалов при абразивном изнашивании в большой степени зависит от условий и режимов эксплуатации. Так, двигатель автомобиля, эксплуатируемого в песчаных районах, требует капитального ремонта после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапыленного воздуха он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.

В таблице 4.2 приведены некоторые значения относительной износостойкости материалов от условий эксплуатации.

Помещение абразивных частиц в зону силового контакта деталей со смазочным материалом резко увеличивает износ. Это наблюдается в подшипниках скольжения двигателей, цилиндропоршневой группе, трансмиссиях и т.д. Концентрация абразивных частиц также способствует возрастанию износа. Эффективными методами защиты от попадания абразива в зону трения являются различные уплотнения, фильтры, отстойники и др.

Рассматривая процесс абразивного изнашивания необходимо отметить частные случаи его проявления: абразивное изнашивание при ударе; гидро- и газоабразивное изнашивание; изнашивание полимеров при наличии абразива.

Таблица 4.2

Относительная износостойкость материалов

при различных условиях эксплуатации

Условия эксплуатации	Материал	Относительная износостойкость
Нож бульдозера	Сталь 25Л Наплавочные материалы: ОЗН 400 Т-620 Релит (WC+W2C)	1,0   3.4 5,1 10.4
Зуб ковша экскаватора	Сталь 25Л Наплавочные материалы: ОЗН 400 Т-620 Релит	1,0   3,2 6,6 8,7
Лемех плуга	Сталь 55Л Наплавочные материалы: Т-620 Сталинит Релит	1,0   5,9 6,9 17,5

Процесс разрушения детали при ударном взаимодействии между деталью и абразивом называют ударно-абразивным изнашиванием. Этому разрушению подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелющих агрегатов, породоразрушающий инструмент пневмо- и гидроударников, детали гусеничного хода машин и др.

Изнашивание деталей при ударных нагрузках по абразиву имеет ряд особенностей. На этот вид изнашивания оказывает влияние слой абразива, энергия удара, форма и площадь контакта, размер частиц, соотношение твердости материала и абразива.

Выбор материалов для режима ударно-абразивного изнашивания необходимо основывать на следующих критериях: износостойкость, прочность, пластичность, ударная вязкость.

Изнашивание при ударе определяется различными факторами, такими как ударное воздействие детали, внедрение частиц в металл, упругие и пластические свойства поверхностного слоя, усталостные явления, структурные превращения.

В зависимости от свойств материала разрушение может иметь различную природу: хрупкое разрушение срезом, малоцикловую усталость, вязкое разрушении. Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на поверхности трения лунок в результате локальной пластической деформации металла.

Еще одной разновидностью абразивного изнашивания является гидроабразивное изнашивание. Гидро- и газоабразивное изнашивание возникает при действии на поверхность деталей потоков жидкости или газа, содержащих абразивные частицы. Абразивные частицы попадают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения при небрежной заправке, плохой фильтрации и очистке. Этому виду изнашивания подвержены детали водяных, масляных и топливных насосов, гидроусилителей, гидроприводов тормозных и других систем.

Изнашивание в потоке жидкости или газа может иметь различный характер в зависимости от скорости потока, условий обтекания и связанной с этим турбулентности и возможности возникновения кавитации, от угла атаки твердых частиц и поверхности металла.

При допущении, что среда неагрессивна к поверхности детали, следует различать два случая взаимодействия абразивных частиц с материалом.

1. Прямой удар (угол атаки α равен 90^o). В зависимости от массы частиц, скорости их падения, свойств абразива и физико-механических свойств материала детали возникают упругая деформация, пластическая деформация, крупное разрушение, перенаклеп с отделением материала в виде чешуек.

2. Косой удар – угол атаки α больше нуля и менее 90^o. При углах атаки не больше угла трения на характер повреждений поверхности сильно влияют касательная составляющая импульса и сопротивление материала воздействию касательных сил на поверхность.

При отсутствии абразивных частиц в струях жидкостей или газов наблюдается эрозионный износ.

Дата добавления: 2014-12-26