Глава 5. Отливки из износостойких чугунов

5.1. Процессы абразивного изнашивания

Реальным условиям работы оборудования и инструмента при аб­разивном изнашивании соответствуют различные схемы внешнего си­лового нагружения. Все эти схемы можно систе­матизировать по характеру воздействия абразивной частицы на поверхность трения:

• царапание (микрорезание) кромками абразивных частиц поверхности материала с отделением микростружки;

• многократное пластическое оттеснение материала кром­ками абразивных частиц с образованием канавок и валиков оттесненного материала на поверхности трения, их охрупчиванием и усталостным разрушением;

• образование и распространение трещин на поверхности материала в результате воздействия абразивных частиц, хрупкое отделение (разрушение) материала;

• образование на поверхности трения материала оксидных и коррозионных плен, сопровождающее и усиливающее износ по первым трем схемам.

Интенсивность изнашивания материала зависит от того, какой из указанных процессов преобладает в конкретных условиях трения, поэтому и темп износа может колебаться в широких пределах: от 0,1 до 100 мкм/ч.

Наиболее часто абразивное изнашивание происходит при воздействии частиц кварцевого песка, имеющих твердость 800-1000 HV.

В ряде исследований показано, что интенсивность изнашивания существенно зависит от природы абразива, его физико-механических свойств, соотношения твёрдости абразива Н_а и испытуемого материала Н_м. В частности, Хрущов М. М., Бабичев М. А. установи­ли три области значений этого соотношения (рис. 5.1).

В области I при Н_а/Н_м < 1 разрушение металла абрази­вом путем микрорезания не происходит, поэтому его износо­стойкость стремится к бесконечности.

В области II при Н_а/Н_м =1,5 характерно снижение изно­состойкости материала до определенной величины.

В области III при Н_а/Н_м > 1,5 износостойкость не зависит от этого соотношения.

Рис. 5.1. Зависимость относительных износа (1/Ки) и износостойкости (Ки) материала от соотношения твердости абразива и материала

В числе факторов, оказывающих большое влияние на интенсивность изнашива­ния, кроме твердости абразива, следует назвать размер и форму частиц. С увеличением размера частиц, их остроугольности (с уменьшением радиусов выступов) интенсивность износа увеличивается. Помимо этого, условия изнашивания потоком абразивных частиц в жидкости или газе описываются концентрацией абразива в потоке, ско­ростью удара частиц и углом наклона вектора этой скорости к поверхности детали (угол атаки ).

По данным М. Е. Гарбера белые чугуны наиболее износостойки при малых углах атаки (10°) в отличие от пластичных сталей, которые более стойки при углах, близких к 90°. Если при малых углах атаки с увеличением содержания углеро­да и, следовательно, количества карбидной фазы износостой­кость сплавов растет, то при больших углах атаки (70°) изно­состойкость практически постоянна при всех содержаниях угле­рода.

Интенсивность износа в большой степени зависит от ско­рости перемещения абразивных частиц, которая определяет их кинетическую энергию к моменту встречи с изнашиваемой по­верхностью.

Зависимость износа  от скорости v абразивных частиц вы­ражается формулой

= а v ⁿ,

где а - коэффициент, равный величине износа при

v = 1 м/сек;

n - показатель, характеризующий чувствительность

изна­шиваемых материалов к изменению скорости.

3.М. Гамольской, В.М. Гутерман и С.П. Козырев изучали влияние скорости перемещения аб­разивных частиц на износостойкость чугуна при угле атаки близком к 90^о. Результаты исследований показали, что износостойкость белых чугунов при больших ско­ростях перемещения абразивных частиц резко снижается. Сни­жение износостойкости при повышении скорости наблюдается и при малых углах атаки (до 30°), что, по-видимому, связано с воздействием нормальной составляющей скорости абразивных частиц, которое при высоких скоростях и, следовательно, при больших энергиях удара, приводит к хрупкому разрушению материала.

Необходимо отметить, что при хрупком разрушении поверх­ностного слоя различие в износостойкости материалов умень­шается, и применение в данных условиях износа белых чугунов становится нерациональным. В таких случаях можно изменить конструкцию детали с тем, чтобы устранить или уменьшить воздействие абразивных частиц, приводящее к хрупкому разрушению.