1.1. Абразивне зношування і його основні закономірності

Під абразивним зношуванням розуміють процес механічного руйнування поверхонь деталей в результаті ріжучого або дряпає дії твердих тіл або частинок, що знаходяться в закріпленому, наполовину закріплених або вільному стані.

Цей процес в чистому вигляді зустрічається рідко, зазвичай він являє собою складову змішаного зношування, коли поєднується кілька процесів. Так, наприклад, в чистому вигляді процес абразивного зношування спостерігається при шліфуванні матеріалів, роботі плуга, ковша екскаватора і ін.

Необхідною умовою прояви абразивного зношування є підвищена твердість зношують частинок, в якості яких можуть служити частки різних мінералів природного або штучного походження.

Абразивні частинки проникають в зону тертя з повітрям, мастилом, горючими матеріалами, різними рідинними середовищами, при обробці абразивами і ін. Абразивне дію можуть надавати також тверді структурні складові сполучених поверхонь тертя. Згідно, внаслідок різноманітності геометричних і міцності абразиву, в поверхневому шарі матеріалу при терті реалізується спектр контактних напружень, параметри якого можуть змінюватися від рівня напружень і частоти їх повторень, на поверхні металу можуть протікати процеси прямого руйнування (вузького і крихкого) або багатоциклічного (в пружною або пластичної області деформування). Зміни в поверхневих шарах матеріалів, що відбуваються в результаті взаємодії з зернами абразиву, виражаються в зміні напруженого стану і ступеня пластичної деформації поверхонь тертя. Перекочується з проковзуванням по поверхні металу зерна абразиву піддають її циклічному навантаженню.

При класифікації видів зношування враховують ступінь закріпленості абразиву, а також характер його впливу на зношувану деталь. Розрізняють зношування жорстко закріпленим абразивом, не жорстко закріпленими абразивними частинками, гідро- або газоабразивне зношування (вільним абразивом), зношування при наявності абразивних частинок в контакті, що труться, ударно-абразивне зношування.

Рисунок 1.1 – Види зношування

У роботі [1], що містить відомості про класифікацію видів абразивного зношування використані різні класифікаційні ознаки: ступінь закріпленості і характер впливу абразиву на зношувану деталь, характер силового взаємодії абразиву з зношуються деталлю; форма прояву абразивних процесів та ін. За ознакою ступеня закріпленості і характером впливу абразиву на зношувану деталь автори [ 1] виділяють наступні види абразивного зношування: при терті про закріплений абразив; при терті про абразивну прошарок; при терті в абразивної маси; ударно-абразивну; в струмені абразивних частинок; газоабразивне; гідроабразивне.

Відповідно до класифікації абразивне зношування підрозділяється на наступні види: ковзання щодо м'якій поверхні по шорсткою твердої поверхні; переміщення твердого тіла по нерухомо закріпленим високо твердих мінеральним зернам; удар вільного абразивного зерна про руйнується поверхню під кутами від 0º до 90º; рух тіла в сипучої абразивної маси; переміщення рідини, що містить зважені абразивні частинки; дію абразивних частинок, стислих в зазорі між взаємно рухомими поверхнями, фрекинг-корозія; імпульсний вплив абразивних частинок при кавітації.

Згідно з дослідженнями [2] і щодо схеми контакту абразиву з зношуються деталлю розрізняють наступні види абразивного зношування: а) в масі абразивних частинок; б) контактно-абразивну; в) гідроабразивне; г) газоабразівное.

Залежно від способу контактної взаємодії абразиву з деталлю автори [1, 2] виділяють такі різновиди зношування в умовах абразиву: а) зношування при терті ковзання по моноліту абразиву, розташованими між поверхнями тертя ковзання; б) під час руху деталей в незакріпленої абразивної маси при коченні по моноліту і незакріплені абразиву; в) при ударі по різним видам абразиву; г) при впливі частинок абразиву, що рухаються в потоці повітря і рідини.

Характер впливу абразивних частинок на поверхневі шари деталей залежить від багатьох факторів, а саме: ступеня рухливості абразивних зерен, міцності і твердості частинок, їх розмірів, міцних властивостей деталей, структури їх поверхневих шарів, агресивності середовища та ін.

Механізм абразивного зношування і його інтенсивність визначаються співвідношенням фізико-механічних властивостей абразивних частинок і поверхневих шарів зношуваного матеріалу. При співвідношенні твердості металу Нм до твердості абразиву На більше 0,6 спостерігається механіко-хімічна форма зношування, а при К <0,6 - механічна форма пошкоджуваності [2].

Згідно з дослідженнями [2] при твердості металевої поверхні, що перевищує 60% твердості абразиву, зносостійкість різко зростає. Таке ставлення твердості називається критичним.

Аналізуючи можна зробити висновок, що в разі перевищення твердості металевої поверхні на 60-80% від твердості абразиву, настає механічна форма зношування, інтенсивність якої у багато разів менше, ніж механічної, що підтверджується висновками авторів [25-26].

При впливі абразиву можливі різні форми деформації поверхні матеріалу: пружне деформування, пластичне відтиснення і різання або викришування поверхні. При багаторазовому пружному деформуванні на поверхні матеріалу дряпання не відбувається. Значить, така деформація не може бути наслідком абразивного зношування.

Процес руйнування, пов'язаний з цим явищем, можна віднести до втомного або будь-якому іншому зношування. Абразивне зношування може бути наслідком тільки пластичного відтискування матеріалу переміщається абразивом або його ріжучої дії. При цьому більш інтенсивно відбувається процес зношування при різанні (сколюванні) і менш інтенсивно - при пластичній деформації.

Однак, часто зустрічаються випадки, коли сплави з меншою твердістю виявляються більш зносостійкими, ніж більш тверді. Тому окремі дослідники заперечували зв'язок між твердістю і опором зношування [1-3].

При цьому вони робили досить категоричні висновки: твердість не визначає зносостійкість. Однак, багато дослідників [4, 5] Не заперечують повністю вплив твердості на металевих деталей в абразивному середовищі. Вони вказують лише на відсутність однозначної залежності між зносостійкість сплавів і їх твердістю. У поєднанні з іншими характеристиками властивостей металів твердість визнається як фактор, який впливає на рівень опірності абразивного зношування. При цьому вказується, що зносостійкість не завжди може оцінюватися тільки за твердістю [2].

Характерно, що твердість сталі, придбана за рахунок вмісту вуглецю, сильніше позначається на зносостійкості, ніж твердість, отримана в результаті загартування, а підвищення твердості за рахунок наклепу не підвищує зносостійкість.

Істотний внесок в визначення залежності між твердістю і зносостійкість при абразивному зношуванні внесли автори [4-5]. Досліджуючи чисті метали і сталі, на установці Х4-Б вони встановили, що для кожної стали є своя лінійна залежність між зносостійкістю і твердістю. З підвищенням твердості зносостійкість чистих металів і сталей збільшується; при одній і тій же твердості стали різного хімічного складу відрізняється по зносостійкості. При цьому ілюструється нерівномірність впливу твердості сплаву, отриманої різними способами, на зносостійкість при абразивному зношуванні.

Велика кількість різних сталей, чавунів і наплавлень спеціального складу досліджував автор [5]. Він встановив, що механізм абразивного зношування включає в себе дві стадії, які безпосередньо пов'язані з твердістю, а саме: 1) впровадження абразивної частки в поверхню; 2) зрізання або пластичне деформування з утворенням канавки і валиків при її русі щодо деталі. Опірність металу абразивного впливу на цих двох стадіях зношування контролюється не тільки твердістю, але і іншими фізико-механічними властивостями.

Істотний вплив на зносостійкість в умовах абразивного зношування матеріалів крім твердості з фізико-механічних властивостей надають міцність і пластичність. При підвищенні міцності стали її зносостійкість збільшується, а при збільшенні пластичності - вона знижується.

На процеси абразивного зношування впливають не тільки фізико-механічні властивості взаємодіючих поверхонь, але їх структурні зміни, однак, не всякі структурні зміни відбиваються на абразивної зносостійкості металів.

Істотний вплив на опір залізовуглецевих сплавів абразивного зношування надає вміст вуглецю. З підвищенням вмісту вуглецю зносостійкість сталі зростає.

Інтенсивність розвитку процесів абразивного зношування залежить і від зовнішніх факторів і, зокрема, від навантаження. У більшості випадків зі збільшенням навантаження знос збільшується, при цьому відбувається дроблення абразивних зерен, що сприяє руйнуванню прямо пропорційній залежності між навантаженням і зносом.

При випробуванні стали в умовах закріпленого абразиву на кривій залежності зносу від питомого навантаження спостерігається три ділянки. Перша і третя ділянки відображають лінійну залежність, друга - характеризує сталість зносу в певному діапазоні питомих навантажень.

Вплив швидкості руху абразивних частинок на зносостійкість матеріалів неоднозначно. Так, згідно з дослідженнями [1], збільшення швидкості ковзання в межах 1,2-10,5 м /с інтенсивність зношування змінюється непомітно.

При цьому в інтервалі швидкостей ковзання 1,2 - 4,0 м / с відбувається абразивне зношування, а 4,5 - 10,5 м / с теплове. За інших постійних умовах величина зносу не залежить від швидкості ковзання. Інтенсивність зношування робочих елементів різального інструменту спочатку незначно залежить від швидкості ковзання, при досягненні деякої певної для даного експерименту швидкості інтенсивність зношування різко зростає.

Вплив розмірів абразивних частинок, що знаходяться в мастильному середовищі, на інтенсивність зношування, впливає неоднозначно. Мінімальний знос спостерігається при розмірі абразиву 1 - 5 мкм, максимальний 10-50 мкм. Знос сполучених поверхонь при наявності абразиву менше 1 мкм і від 5 до 10 мкм займає проміжне значення.

Знос зростає пропорційно збільшенню лінійного розміру абразивних частинок до деякого значення порядку 100-300 мкм, вище якого знос не підвищується.

Під впливом абразивних частинок відбувається безперервний, а в ряді випадків значний знос поверхні. Однак руйнується лише частина навантаженого обсягу, в той час як інша частина - пластично деформується. Співвідношення пластично деформованого і зруйнованого об'єктів залежить від глибини впровадження частинок, радіусу їх заокруглення, пластичності сплавів і ряду інших чинників. Оскільки абразивний знос - результат реалізації двох процесів - руйнування і деформування, то принцип зносостійкості повинен виходити з взаємозв'язку між ними.

Початковою стадією руйнування металів при зношуванні є утворення мікротріщин [3], які в процесі пластичної деформації, розвиваючись в макротріщини, призводять до відокремлення обсягу, що і становить елементарний акт зношування. Процес утворення тріщин, що відбувається при виникненні ковзання, тобто діяльність дислокацій, може здійснюватися за допомогою одного з механізмів, пропонованих дислокаційною теорією руйнування [4]. Створення умов, що ускладнюють зростання і особливо виникнення тріщин в металі при його взаємодії з абразивної середовищем, є однією з основних задач, які повинні вирішуватися при створенні зносостійких сплавів для деталей, що експлуатуються в умовах абразивного зношування.

Абразивний знос - це процес інтенсивного руйнування поверхні деталей машин, що виражається в місцевій пластичній деформації, мікроцарапини і мікрорізання абразивними частинками, при якому відбувається незворотні зміни мікрорельєфу, структури і міцності поверхневих шарів.

У загальному випадку контактне напруження залежить від умов зношування і властивостей металу. Причому в реальних умовах одночасно можуть мати місце різні механізми, і інтенсивність зношування визначається переважаючими процесами.

Таким чином, механізм абразивного зношування досить складний і складається з ряду взаємопов'язаних процесів, що включають вдавлення абразивного тіла в зношену поверхню, і подальше їх переміщення. При цьому освіту частинок зносу може здійснюватися в результаті одноразової дії абразивного тіла або багаторазового полидеформационного руйнування, малоциклова (пластичне деформування), багатоциклових (пружне деформування) або механічно-хімічним механізмом. Інтенсивність і повнота протікання кожної із складових частин цих процесів визначається як властивостями металу, так і умовами зношування [4].