Изнашивания наплавленного металла закрепленным абразивом
Процессы изнашивания наплавленного металла полузакрепленным абразивом – трение металла по металлу с прослойкой абразива – исследуют на установке НК-М [45]. Установка имеет три медных дорожки трения, на которых в равных условиях с независимым нагружением одновременно можно испытывать шесть вращающихся образцов, при этом один из образцов является эталонным (рис. 2.6).
Рисунок 2.6 – Схема установки НК-М для исследования изнашивания наплавленного металла полузакрепленным абразивом
Условия испытания: размеры образцов – 6x16x16 мм; удельное дав-ление – 3 МПа; путь трения – 413 м; абразив – кварцевый песок с водой в соотношении 1:1; эталон – сталь 45 отожженная.
Для оценки износостойкости наплавленного металла в условиях уда-рного абразивного изнашивания в ИЭС им. Е. О. Патона разработана yста-новка ОБ-959. Схема установки показана на рис. 2.7 [45].
1 – вращающееся кольцо; 2 – нагревательный элемент; 3,4 – грузы;
5 – электромагниты; 6 – бункер; 7 – штанга; 8 – образцы; 9 – камера
Рисунок 2.7 – Схема установки ОБ-959 для исследования
Ударно-абразивного изнашивания наплавленного металла
Закрепленные в штангах 7 образцы 8истираются о вращающееся ко-льцо 1, которое установлено в камере 9с нагревательными элементами 2. На поверхность трения из бункеров 6подается абразив. Статическую нагрузку на образцы создают грузы 3. Для динамической (ударной) нагрузки используют грузы 4, которые удерживают на определенной высоте электромагниты 5. При отключении электромагнитов грузы 4 падают на штангу с образцами. Частоту ударов задают специальным устройством, и эту частоту можно плавно изменять в пределах 1…40 ударов в минуту. Одновременно в установке можно испытывать два образца, один из которых – эталонный. Нагревательная камера и подогрев абразива позволяют производить испытания при температурах до 400 °С.
Наиболее типичным способом является также испытание на износ вращающихся образцов в абразивной среде. Установка (рис. 2.8) для испы-тания этим способом содержит камеру с абразивным материалом [2].
1 – корпус; 2 – уровень воды; 3 – слой абразивной среды;
4 – образец; 5 – опора; 6 – электродвигатель
Рисунок 2.8 – Схема установки для испытания на износ образцов
вращением их в абразивной среде
Внутри камеры смонтирована вращающаяся крыльчатка с четырьмя опорами, в каждой из которых закрепляют испытуемый образец. При испытании образец перемещается внутри абразивной среды при вращении крыльчатки с частотой 68 об/мин.
Образцы устанавливают в опорах крыльчатки с наклоном на 30о, в камеру установки вместе с водой загружают абразивную среду в виде пес-ка с размером частиц 0,417 мм, предназначенного для формовочных смесей.
Данный способ испытаний выбран из расчета его применения для оценки износостойкости деталей трубопроводов для транспортирования грунта, шламовых насосов, бетономешалок и других машин, работающих в контакте с мокрым грунтом. Результаты испытаний показывают, что повы-шение твердости металла сопровождается увеличением его износостойкос-ти, а при одинаковой твердости износ в некоторой степени зависит от стру-ктуры металла.
При одной и той же твердости металл со структурой бейнита имеет меньший износ, чем металл со структурой мартенсита, а аустенитная коррозионностойкая сталь по износостойкости превосходит как мартенсит-ную, так и бейнитную.
Ударно-абразивное изнашивание
Абразивное изнашивание рабочих органов машин может осуществляться как при статических, так и при динамических нагрузках. В обоих случаях в металле происходят одни и те же явления, однако, характер протекания процессов разрушения для обоих видов изнашивания существенно отличаются.
При статической нагрузке происходит перераспределение напряже-ний и деформаций между участками тела. При динамических нагрузках напряжения и деформации могут существовать в одной части тела незави-симо от того, что происходит в его соседних участках. Это связано с лока-лизацией ударного импульса, малым промежутком его действия. Установ-лено, что чем выше скорость соударения, тем выше напряжение, при кото-ром происходит переход от упругой деформации металла к пластической.
В условиях ударно-абразивного изнашивания работает большинство узлов строительного и транспортного оборудования, множество деталей агрегатов, добывающих и измельчающих полезные ископаемые (зубья ков-шей экскаваторов, буровые долота, молотки, щеки и конуса дробилок, при-водные звездочки гусеничных машин и цепных элеваторов, транспортиру-ющие сыпучие грузы, брони шаровых мельниц и многие другие).
Испытания металла на ударно-абразивный износ проводились при использовании дробилки ИРК-1 [3], состоящей из ротора 1, на котором закреплены била 2, отражательной 4 и пропускной 5 плит (рис. 2.13).
Рисунок 2.13 – Схема дробилки ИРК-1
Дробимая масса по наклонному желобу 3 непрерывным потоком поступает к вращающемуся ротору 1. Набегающие била ударяют по углю и отбрасывают его на плиту 4. Таким образом, дробление угля происходит в несколько стадий: во-первых, за счет соударения с билом, затем при ударе
кусков по отражательной плите, и, наконец, при проходе угля в зазоре «а» и «в», у которых в наибольшей степени изнашивается кромка била.
Способность металла противостоять разрушению при ударно-аб-разивном изнашивании является функцией многих параметров: хими-ческого состава, структурного состояния сплава, чувствительности к структурным изменениям в поверхностном слое при взаимодействии с абразивными телами, условий изнашивания, включающих температу-ру, величину энергии удара, скорость соударения, состав и свойства измельченного материала.
Влияние микроструктуры сталей на их сопротивление разруша-ющему действию абразивных частиц наиболее полно проявляется в способности остаточного аустенита под воздействием абразивных зе-рен к превращению в мартенсит деформации, что приводит к сущест-венному упрочнению металла. Для сталей, работающих в динамичес-ком режиме нагружения, рекомендуемое количество остаточного аус-тенита составляет 12…13 %.
Ударно-абразивное изнашивание можно рассматривать как процесс превращения механической энергии, сообщаемой абразивами поверхност-ному слою металла, в энергию образования новых поверхностей раздела, представляющий собственно акт разрушения металла. Увеличение спо-собности сплава аккумулировать энергию без разрушения должно приво-дить к повышению его сопротивляемости изнашиванию. Чем больше энер-гии абразива расходуется на упругую и пластическую деформацию повер-хностного слоя детали, тем меньшая часть ее остается на разрушение ме-талла и тем должна быть выше его износостойкость.
Проведенными исследованиями [3] установлено, что износостойкость наплавленного металла в условиях ударно-абразивного изнашивания определяется твердостью упрочняющей фазы и количеством метастабильного аустенита, способного к превращениям в мартенсит под влиянием внешней нагрузки. Там же указывается, что наиболее предпочтительной системой легирования металла для данных условий изнашивания является система Fe – C – Cr – B. Влияние хрома на износостойкость более эффективно в том случае, когда он связан в бориды.
Выбор сплава определяется возможностями наплавки определенных изделий, их стоимостью, а также характером нагрузки, особенно при сов-местном абразивном изнашивании и ударами.
В табл. 2.5 приведены оптимальные типы сплавов в зависимости от условий работы деталей, а их свойства приведены в табл. 3.8...3.21.
Чем сильнее удары, тем большую долю структуры должен составлять аустенит. При максимальной ударной нагрузке используются аустенитные высокомарганцовистые стали.
Таблица 2.5 – Оптимальные типы сплавов в зависимости от