Понятие об изнашивании и абразивном материале

 

Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала от поверхности твердого тела (или накопления его остаточной деформации) при трении, сопровождающийся постепенным изменением размеров (или формы). Из разнообразных видов изнашивания для мелиоративно-строительных машин наиболее характерно абразивное. Оно проис­ходит в результате режущего, царапающего и ударного действия на материал твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии /1/, /4/.

Износ — это результат изнашивания, определяемый в единицах дли­ны, массы и объема. Износ может быть предельным, соответствующим предельному состоянию изнашивающегося изделия или его составной части (детали), и допустимым, при котором изделие сохраняет свою работоспособность.

Скорость и интенсивность изнашивания — понятия, характеризующие этот процесс. Их определяют как отношение значения износа соответственно к интервалу времени, в течение которого он возник, и к пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы.

Скорость изнашивания рабочих органов зависит от их конструкции, абразивности перерабатываемых грунтов, динамичности нагрузок и колеблется от 10 до 2000 мкм/ч,

Основные изменения, происходящие с материалом рабочих органов мелиоративно-строительных машин в процессе абразивного изнашива­ния, заключаются в деформации поверхности в виде царапин и вырывов, а также в образовании поверхностного и глубинного наклепа. Наклеп прямо зависит от динамичности нагрузок и с увеличением износа рабо­чих органов растет до некоторого постоянного значения. Для каждого установившегося вида изнашивания эпюры износа и распределения на­клепа рабочих органов приобретают характерную форму.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Оно оценивается вели­чиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания.

Повышение износостойкости рабочих органов означает сохранение первоначальной их формы, обеспечивающей оптимальные по производительности и расходу энергии режимы работы машины. Поэтому ме­тод повышения износостойкости следует выбирать так, чтобы обеспечивалась не только высокая износостойкость новой детали, но и возмож­ность после достижения предельного износа восстановления ее первоначальной формы и размеров при сохранении противоизносных качеств.

Абразивным материалом именуют минерал естественного или искусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (скобления, царапа­ния). Абразивным изнашиванием называют разрушение поверхности детали в результате ее взаимодействия с твердыми частицами при наличии относительной скорости. В роли таких частиц высту­пают /3/:

а) неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной либо под небольшим углом атаки к поверхности детали (например, шаржирование посторонними твердыми части­цами мягких антифрикционных материалов);

б) незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхно­стью детали (например, насыпные грузы при их транспортировании соответствующими устройствами, абразивные частицы в почве при работе почвообрабатывающих машин и т. д.);

в) свободные частицы, пребывающие в зазоре сопряженных де­талей;

г) свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкос­тью или газом.

Абразивному изнашиванию подвергаются детали сельскохозяй­ственных, дорожно-строительных, горных, транспортных машин и транспортирующих устройств, узлы металлургического оборудова­ния, металлорежущих станков, шасси самолетов, рабочие колеса и направляющие аппараты гидравлических турбин, лопатки газовых турбин, трубы водяных экономайзеров и паровых котлов, лопасти дымососов, трубы и насосы земснарядов, бурильное оборудование нефтяной и газовой промышленности, подшипники валов гребных колес, подшипники гребных валов судов при плавании на мелководье и т. п.

На процесс абразивного изнашивания может влиять природа абразивных частиц, агрессивность среды, свойства изнашиваемых поверхностей, ударное взаимодействие, нагрев и другие факторы. Общим для абразивного изнашивания является механический харак­тер разрушения поверхности.

Абразивное изнашивание вызывает почва, грунт, руда, уголь и порода, зола, пыль, попавшие на поверхность трения, металличе­ская стружка, окисные пленки, закрепленные на поверхности трения пли разрушенные, нагар и продукты износа, в особенности выкро­шившиеся частицы твердых структурных составляющих.

Абразивные частицы могут иметь различную форму и быть са­мым различным образом ориентированы относительно сопряженной поверхности. Способность абразивного зерна вдавливаться в поверх­ность зависит не только от соотношения их твердостей, но и от геометрической формы зерна. Так, зерно выпуклой поверхностью или острым ребром может быть вдавлено, даже без повреждений, в плоскую поверхность более твердого тела. Это объясняет факт износа металла абразивными ча­стицами с твердостью, меньшей его твердости.

Иногда твердость окисных пленок больше твердости самих металлов (рисунок 1). Наибольшую твердость (9) имеет оксид алю­миния А1₂О₃, твердость самого алюминия невелика (~2). Вслед­ствие этого при трении алюминия по стали окисные пленки, а также продукты разрушения этих пленок могут вызвать сильный износ даже самых твердых сталей. - Мягкий окисел почти не оказывает абра­зивного действия на другую поверхность. Магний образует очень мягкий окисел Mg(OH)₂, по­этому износ магнием более твердых металлов невелик даже при благоприятных условиях образования окисла. Это обстоятельство частично объясняет, почему поршни из магнитных сплавов меньше царапают и задирают стенки цилин­дров, чем поршни из алюминиевых сплавов. Чисто абразивное изна­шивание окислами алюминия встречается в трущихся парах сталь, покрытая хромом, — алюминиевый сплав, применяемых в некото­рых узлах самолетных конструкций из-за неизменного стремле­ния к снижению массы.

Окислы железа участвуют в абразивном изнашивании узлов металлургического оборудования, работающих при высокой темпе­ратуре и недостаточном смазывании.