Изнашивание поверхностей деталей твердыми зернами

 

При трении скольжения частицы входят в контакт с поверх­ностью металлической детали по касательной. Механизм изнашива­ния в этом случае представляется таким. Абразивные частицы (зерна) упруго деформируют металл, оставаясь целыми или разрушаясь; в зависимости от структуры абразивного материала и среды зерна могут вдавиться в эту среду, повернуться или даже выйти из зоны контакта, как, например, частицы кварца в почве под давлением ножа грейдера. Абразивная частица вдавливается в металл детали, если она обладает большей твердостью, чем металлическое зерно, и прочностью, достаточной для воспринятая нагрузки, необходимой для вдавливания в металл, и если ее достаточно поддерживает основа. Внедрившаяся частица при движении относительно поверхности может процарапать риску или срезать микроскопическую стружку. Резание может начаться только при определенном отношении глу­бины проникновения абразива к радиусу скругления внедрившейся кромки/II/. Так, для стали СтЗ это отношение должно быть больше 0,16 при сферической кромке. Если бы микрорезание было ведущим процессом разрушения поверхности при абразивном изнашивании или даже сопутствующим, то интенсивность изнашивания была бы настолько высокой, что рабочие органы (например, строительных и дорожных машин) выходили бы из строя после весьма малого вре­мени работы, исчисляемого несколькими часами.

Частота внедрения абразивных частиц мала, а основное количе­ство внедряющихся частиц производит царапающее действие с от­теснением материала в стороны. По пути царапания свободная частица может повернуться и прекратить выдавливание материала; она может дойти до твердой структурной составляющей сплава, «перешагнуть» через нее и вновь начать царапание. Ее выступ мо­жет вырвать твердую составляющую, обломиться, частица может раздробиться. Если зерно закреплено, например зерно кварца в камне, и повернуться не может, то в этом случае канавки будут наиболее глубокими (0,001...0,02 мм) при небольшой длине (0,05...0,5 мм).

Дно канавки наклепывается. Когда вся рабочая поверхность наклепается, сопротивление вне­дрению повысится. Если внедре­ние полностью не исключается, то после многократной пласти­ческой деформации наступит охрупчивание материала.

Результаты обширных лабора­торных исследований по изучению износостойкости чистых металлов, структурно-неоднородных цвет­ных сплавов и сталей при трении о твердые зерна, неподвижно за­крепленные на сопряженной по­верхности при отсутствии нагрева и агрессивной среды, приведены в работе /10/. Изнашивание про­изводилось о шлифовальную шкур­ку, свойства которой все время оставались постоянными. Резуль­таты приведены на рисунок 3 за относительную износостойкость Е принято отношение износостойкостей испытуемого материала и эталона.

Установлено, что относительная износостойкость чистых метал­лов находится в линейной зависимости от микротвердости. Опытные точки располагаются на прямой, проходящей через начало коорди­нат. Испытания баббитов на оловянной, свинцовой и оловянно-свинцовой основах и свинцовистой бронзы с различной микротвер­достью разных структурных элементов не установили определенной зависимости между износостойкостью и микротвердостью. Тем не менее, во всех случаях износостойкость сплавов оказалась меньше, чем чистых металлов той же твердости. Для сталей в термически необработанном состоянии зависимость износостойкости от твердости такая же, как и для чистых металлов. Износостойкость сталей после их закалки и отпуска возрастает с увеличением твердости по линей­ному закону, но менее интенсивно, чем у чистых металлов и терми­чески необработанных сталей. Испытания показали, что предвари­тельный наклеп не повышает износостойкость чистых металлов и сталей.

Выводы по влиянию твердости абразива на износ металлов та­ковы: если твердость абразивных зерен значительно превышает твердость металла, то износ не зависит от разности твердостей абра­зива и металла; если твердость абразивных зерен ниже, чем твер­дость металла, то износ зависит от разницы твердостей и быстро уменьшается с увеличением этой разницы.

По данным М.М.Тененбаума, при твердости металлической по­верхности, превышающей 60 % твердости абразива, износостойкость резко возрастает. Такое отношение твердостей можно назвать кри­тическим /12/.

До сих пор предполагалось безударное взаимодействие абразив­ной частицы с поверхностью, фактор скорости вообще не учитывался. При большой относительной скорости рабочей поверхности и абра­зива длительность взаимодействия с абразивной частицей мала, и выделившаяся теплота вследствие пластического деформирования не успевает распространиться в глубь материала. Местный высокий нагрев изменит механические свойства материала, что повлечет изменение интенсивности изнашивания.

Не исключаются также структурные превращения. Удары абразивных частиц о выступающие зерна металлической поверх­ности расшатывают их связи с основой и способствуют разру­шению.

Некоторые элементы конструкции работают при повышенной температуре, при которой возможно понижение механических свойств материала. В таких случаях можно ожидать усиления абразивного действия частиц.

Агрессивная среда, вызывая электрохимические процессы на поверхности детали, интенсифицирует изнашивание, превращая его в коррозионно-механическое.

Механизм абразивного изнашивания полимерных материалов определяется степенью их эластичности. В высокоэластичный мате­риал—резину, вулкаллан, полиуретановый вулканизат и другие абра­зивные частицы легко вдаливаются, не вызывая пластической дефор­мации даже при глубоком внедрении. Абразивное зерно, переме­щаясь по поверхности, прилагает к ней силы трения. Не касаясь сложной картины напряженного состояния в материале, нетрудно представить себе, что силы трения впереди зерна вызовут сжатие, а сзади него — растяжение. Под действием многократных растяги­вающих напряжений происходят микроразрывы, часть материала с поверхности уносится с образованием волнообразного рельефа из выступов и впадин в направлении, перпендикулярном движению абразива /2/, /11/, /13/. Такая текстура наблюдалась рядом исследова­телей, например Ш.М. Биликом.

В дальнейшем под влиянием переменных растягивающих напря­жений срабатываются первичные выступы неровностей, но волновой рельеф поверхности сохраняется.

Если в высокоэластичных полимерах изнашивание по своей природе является фрикционным (повреждение обусловлено силами трения), то изнашивание более жестких и хрупких полимеров про­исходит в основном в результате микрорезания. На интенсивность изнашивания сильно влияет структура материала. При трении с граничной смазкой преобладание кристаллических областей в по­лимере над аморфными обеспечивает более высокую его твердость и износостойкость. Между тем увеличение степени кристаллизации ухудшает стойкость при абразивном изнашивании. Дело в том, что даже при повышении твердости за счет увеличения кристаллических областей она остается в несколько раз ниже твердости абразива, поэтому фактор повышения твердости оказывается неэффективным. Уменьшение эластичности полимера, по мнению А.М. Когана и Д.Я. Соболева, создает более благоприятные условия для начала срезания абразивными частицами микрообъемов материала, при срезе отделяются большие объемы, чем при фрикционной природе разрушения поверхности.

Сопротивление срезу недостаточно для характеристики стой­кости полимера абразивному изнашиванию. Полиметилметакрилат, более прочный на срез в сравнении с капроном и полиамидом П-68, оказывается менее износостойким. Помимо сопротивления срезу износостойкость полимера определяется вероятностью начала среза вдавившимся в поверхность абразивом. Эта вероятность уменьшается с повышением эластичности и численно характеризуется показа­телями упругости материала.

М.А. Коган и Д.Я. Соболев при исследовании изнашивания пластмасс незакрепленным абразивом крупностью 0,075...1,6 мм на упругой подкладке установили:

1. Абразивные частицы размером 0,075 мм практически не вы­зывают износа. Относительно эластичные полимеры, такие, как полиамиды, мало изнашиваются при размере зерна 0,015 мм. При увеличении размера абразивных частиц более 0,1 мм интенсивность изнашивания всех полимеров уменьшается.

2. При трении пластмасс по шлифовальной шкурке, когда износ оказался прямо пропорциональным давлению, прямая пропорцио­нальность сохраняется только до определенного предела; в дальней­шем интенсивность изнашивания с ростом давления не увеличи­вается.

3. Увеличение скорости скольжения до 0,5 м/с не влияет на интенсивность изнашивания. С увеличением скорости интенсивность изнашивания падает, а затем возрастает, по-видимому, вследствие большого тепловыделения.