Абразивную износостойкость

Как показывают результаты испытаний при абразивном изнашивании, а также при трении с малыми давлениями, без смазочного материала показатель т близок к единице; при трении без смазочного материала со значительными давлениями т=1...2, в среднем 1,5; при полужид-костной смазке т около 3.

К важным требованиям к свойствам материалов пары трения относятся твердость и микротвердость материала. При абразивном изнашивании эти характеристики определяют износостойкость пары трения. Твердость материала прямо влияет на величину внедрения микронеровностей сопряженной поверхности, т.е. на величину деформации при контактном взаимодействии, а следовательно и на вид деформации (упругая или пластическая). В то же время величина деформации зависит от модуля упругости (Е) - важнейшей характеристики упругих свойств металлов. Большинство деталей машин, в том числе детали узлов трения (подшипников качения и скольжения, зубчатых зацеплений и т.д.), работают при циклически действующей нагрузке. Циклическое нагружение испытывают поверхностные слои трущихся деталей вследствие дискретности контактного взаимодействия микронеровностей поверхностей. В условиях циклического нагружения каждый материал разрушается после определенного числа циклов нагружения при действующих напряжениях ниже предела текучести. В материаловедении это явление называется "усталостью", а в качестве характеристики материала, работающего в условиях циклического нагружения, используется предел выносливости - максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после произвольно большого числа циклов нагружения. К материалам деталей узлов трения, рассчитываемых на большой ресурс работы,

Исследования, проведенные в морской и пресной воде, показали аналогичные результаты. Износостойкость образцов при абразивном изнашивании в морской и пресной воде оказалась практически одинаковой. При этом содержание водорода в поверхностном слое стали в процессе трения в воде увеличивается в обоих случаях в 3 раза. С увеличением давления степень влияния среды в результате на-водороживания уменьшается, и определяющим фактором износостойкости стали при абразивном изнашивании становится твердость.

Значительному изнашиванию абразивными частицами подвергаются и детали подшипников. При абразивном изнашивании чугунных

Изнашивание более жестких и хрупких полимерных материалов происходит в основном в результате микрорезания. На интенсивность изнашивания сильно влияет характер надмолекулярной структуры материала. При трении с граничной смазкой преобладание кристаллических областей в структуре полимера над аморфными обеспечивает его более высокую твердость и износостойкость. Между тем увеличение степени кристалличности снижает износостойкость полимера при абразивном изнашивании. Это объясняется тем, что даже при повышении твердости полимера за счет увеличения кристаллических областей она остается в несколько раз ниже твердости абразива, поэтому повышение твердости оказывается неэффективным. Уменьшение эластичности полимера создает более благоприятные условия для начала срезания абразивными частицами микрообъемов материала; при срезе опреде-

Абразивное изнашивание возникает в результате режущего или царапающего действия твердых абразивных частиц — песок, пыль, грязь, продукты изнашивания (срезанные неровности, мелкая стружка, частицы контактирующих поверхностей, отделяющиеся в результате усталостного выкрашивания и др.), которые в процессе работы попадают в зону контакта поверхностей трения. При абразивном изнашивании износостойкость растет с увеличением твердости поверхностей.

Разработаны методики и спроектированы установки для испытаний при ударе: по незакрепленному слою абразива определенной толщины, расположенному на металлическом основании; по абразиву, закрепленному на тканевом основании; но монолитному абразиву; по образивиой массе; по металлическим поверхностям без абразива. Схемы и описания установок даны в [183, 184]. Для всех методов испытаний был выбран единый цилиндрический образец. В работах Г. М. Сорокина показано, что механизм разрушения при ударно-абразивном изнашивании определяется большим количеством факторов: энергией удара, физико-механическими характеристиками абразива, составом и свойствами испытуемого материала, степенью закрепленности абразивных частиц и т. д. [183—185]. Общепринятые характеристики прочности и пластичности (предел текучести, предел прочности, твердость, относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) неоднозначно влияют на износостойкость при ударно-абразивном изнашивании. Повышение прочности или пластичности сказывается благоприятно только до определенного порогового уровня. Дальнейшее увеличение этих характеристик приводцт к возрастанию износа, но причины понижения износостойкости различны. Если рост прочности сопровождается повышением вязкохрупкого перехода, то износ увеличивается за счет интенсификации хрупкого выкрашивания. Значительное повышение пластич-, ности приводит к падению износостойкости из-за активного пластического течения и сопутствующего наклепа. По-видимому, максимальной износостойкостью обладают сплавы, находящиеся йа границе хрупкого и вязкого разрушения.

Традиционные методы поверхностного упрочнения стали (цементация и азотирование) оказываются неприемлемыми для деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. Тонкие поверхностные упрочненные слои, обладающие высокой хрупкостью/ интенсивно выкрашиваются под действием ударных нагрузок. Причем трещины зарождаются не только на поверхности, но и на границе, отделяющей упрочненный слой от основного металла. Не выявлены преимущества твердых сплавов, хорошо зарекомендовавших себя при абразивном изнашивании. При определенных условиях нагруже-ния их износостойкость оказалась ниже, чем у стали 45 [185].

лий, работающих в экстремальных условиях (например, при —50°С), при форсированных режимах динамического, статического и циклического нагружений, при наложении абразивного изнашивания, при воздействии агрессивных сред и т. д. Поэтому наряду с традиционными испытаниями необходимо комплексно использовать такие методы исследования, как акустическая эмиссия, количественный анализ продуктов изнашивания, непрерывная регистрация структурных изменений в зоне контакта металла с покрытием при работе в паре трения с учетом воздействия окружающей среды на разрушение. Для изучения структуры композиции «покрытие — основной металл» следует шире привлекать стереологию, рентгено-спектральный микроанализ, ядерный гамма-резонанс, радиоспектроскопию. Принципы механики разрушения должны применяться не только для оценки трещиностойкости, но и для вычисления величины износа при абразивном изнашивании, а также учитываться при расчетах при теоретическом прогнозировании прочности соединения покрытия с основным металлом.

193. Тененбаум М. М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании.— М.: Машиностроение, 1966.— 331 с.

В свою очередь, анализ сущности изнашивания при ударе с позиции металловедения и современных представлений о прочности металла дал основание полагать, что в условиях удара износостойкость чистых металлов, закаленных сталей, а также упрочняющих наплавок и покрытий не всегда однозначно связана с твердостью (как при абразивном изнашивании в условиях скольжения). Учитывая все многообразие и сложность возможных условий изнашивания при ударе, нельзя ожидать аналогии между закономерностями изнашивания при ударе и скольжении.

Влияние покрытий — наплавок системы Fe—С—Cr—W—Ti на ударно-абразивную износостойкость исследовали при энергиях удара 5—10 Дж [183]. На торцы цилиндрических образцов наносили твердые-сплавы толщиной 7—8 мм с твердостью от 35 до Q2HRC, В качестве абразива использовали карбид кремния зернистостью 63, Износостойкость покрытия оценивали по весовому методу с учетом различных значений плотности испытуемых материалов.

Донбассэнерго и Институтом проблем литья АН Украины проведены работы по изучению возможности и эффективности легирования стали 110Г13Л ванадием. Легирование стали 110Г13Л ванадием значительно влияет на ее свойства за счет измельчения структуры стали, образования большого количества дисперсных карбидов, повышения концентрации фосфора по границам зерен, что и обеспечивает более высокое упрочнение и абразивную износостойкость в условиях интенсивного износа без значительных ударных нагрузок.

45. Сорокин Г. М. Влияние механических характеристик стали на ее абразивную износостойкость. — Вестник машиностроения,. 1975, № 5, с. 35—38.

Изменение изнашивающей способности абразивной .поверхности, как показано Хрущевым и Бабичевым [114], наблюдается даже в пределах одного листа шкурки. Поэтому и при понижении температуры испытаний ее (изнашивающая способность может измениться. В этих же условиях существенно изменяются физико-механические свойства материалов, которые определяют их излооостойкость. Таким образом, одновременно будут меняться свойства изнашивающего и изнашиваемого материалов. В этом случае выявить действительное 'Влияние низких температур на абразивную износостойкость сложно. Только введение эталонного материала, который не изменяет своей износостойкости при всех температурах испытаний позволяет учесть изменение изнашивающей способности абразивной поверхности. Если ранее доказано, что изнашивающая способность абразива не может измениться, то введения эталона не требуется.

примесей (степенью чистоты). Поэтому для испытаний «а изнашивание при низких температурах была выбрана группа отожженных технически чистых металлов (табл. 22) с различной структурой (рис. 53) и ^механическими свойствами (табл. 23) .в широком диапазоне их изменения. Это позволило выяснить влияние разных факторов на абразивную износостойкость металлов.

По разработанной методике исследовались еще многие марки и типы сталей [146—148]. В большинстве случаев установлено ухудшающее влияние низкой температуры на абразивную износостойкость этих материалов при двух схемах взаимодействия металлов с абразивной поверхностью (трение и удар). Значительный интерес представляют другие схемы взаимодействия материала с абразивом. Поэтому были проведены испытания на изнашивание стали 45 в крупнокусковой и мелкодисперсной абразивной массе. В первом случае в качестве абразива использовался гравий, а во втором— карбид кремния. Испытания в крупнокусковой абразивной массе проводились на установке ЧП-I барабанного типа [149, 150], а в мелкодисперсной — на установке, схема которой предложена Н. М. Серпиком [151]. Методика выполнения этих исследований подробно изложена в работах [149—151], а основные результаты сравнительной износостойкости стали 45 при разных схемах изнашивания приведены на рис. 61. Испытания показали, что схема взаимодействия материала с абразивом — один из главных факторов,

Для проверки того, как влияют различные грунтовые условия на абразивную износостойкость деталей ходовой части тракторов, были проведены специальные сравнительные испытания башмаков трактора Т-100МГП в г. Апатиты (Мурманская обл.) и в Красноярске. При этом сравнивались серийные и термоулучшенные башмаки из стали 45. Эта сталь была выбрана по двум причинам. Во-первых, из нее изготавливаются до 75% поступающих в эксплуатационные организации башмаков в виде запасных частей, во-вторых, износостойкость этой стали исследована при разных схемах взаимодействия с абразивом в условиях низких температур. Кроме того, сталь 45ГР, которая применяется Челябинским тракторным заводом для изготовления башмаков тракторов типа Т-ЮОМГП и Т-130, также подвергается термоулучшению по тому же режиму термообработки, что и сталь 45'.

абразивную износостойкость материала. Положительный эффект, полученный при натурных испытаниях башмаков трактора, подсказывает провести дальнейшие исследования в этом направлении. Следует испытать самые различные виды термического, термомеханического улучшения и другие способы обработки деталей и узлов, подверженных в условиях низких температур изнашиванию и действию динамических нагрузок. Нет сомнения, что будут найдены высокоэффективные пути повышения работоспособности машин, предназначенных для разработки мерзлых грунтов.

Повышая температуру закалки ванадиевых сталей и тем самым переводя .часть карбидов и карбонитридов ванадия в аустенит, 'удается повысить износостойкость мартенсита.. Карбиды титана менее растворимы, чем карбиды ванадия и поэтому эффект повышения температуры закалки практически не обнаруживается. Влияние металлической матрицы. Значительное влияние на абразивную износостойкость сталей карбидного, ледебуритного н других классов оказывает структура металлической основы. Ранее считалось, что оптимальной^труктуррй стали, «работающей» в условиях' абразивного изнашивания, .является мартенсит или мартенсит ? равномерно распределенными в нем карбидами. Наличие в структуре аустенита ^не допускалось.

Покрытия методом наплавки можно применять для повышения износостойкости деталей, работающих не только при обычной, но и повышенной и высокой температурах, а также в агрессивной среде и при сочетании повышенной температуры с агрессивной средой. В соответствии с практическим опытом, подтверждающим общую тенденцию материалов повышать абразивную износостойкость с увеличением твердости, такие наплавки получили у нас условное название «твердые наплавки».

хромомолибденовые чугуны имеют наибольшую износостойкость при содержании 14—16% Сг и 1,2—1,3% Мо. Дальнейшее увеличение концентрации этих элементов не повышает износостойкость. Кремний не оказывает заметного влияния на абразивную износостойкость сплавов. Титан в пределах 0,1—-0,2 и 0,8—-2,0 %i немного повышает износостойкость хромомолибдеиовых чугунов.