Характеристики износа и виды изнашивания

Износостойкость — свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание — процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ).

Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости ид или интенсивности J^ изнашивания. Скорость и интенсивность изнашивания представляют собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. Чем меньше значение скорости изнашивания при заданном износе Д/г, тем выше ресурс работы t узла трения:

* =Ah/v_h.

Скорость изнашивания и износ зависят от времени. Существуют три периода износа (рис. 11.1):

// — начальный, или период приработки, когда изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью;

// — период установившегося (нор
мального) износа, для которого харак-
///              терна небольшая и постоянная скорость

т      изнашивания;

Рис. 11.1. Изменение износа         ///    период катастрофического

Ah но времени (схема)             износа.

 

Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скоростей начального и установившегося изнашивания. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки. При выборе материала необходимо учитывать, что критерии его износостойкости зависят не только от свойств поверхностного слоя материала, но в сильной степени от условий его работы. Условия работы отличаются таким большим разнообразием, что не существует универсального износостойкого материала. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других. Износостойкость материала при заданных условиях трения, как правило, определяют экспериментальным путем.

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех групп факторов:

1) внутренних, определяемых свойствами материалов;

2) внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура);

3) рабочей среды и смазочного материала. Совокупность этих факторов обусловливает различные виды изнашивания (ГОСТ 23.002-78):

абразивное, адгезионное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро-и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, фреттинг-процесс при ме химическом способе воздействия;

окислительное, фреттинг-коррозия при коррозионно-механическом

воздействии.

Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т.п.), и детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т.п.).

Характерные виды изнашивания деталей первой группы — абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (например, истирание почвой), гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкости или газа), кавитационное (от гидравлических ударов

жидкости).

Различные виды изнашивания но закономерностям протекания весьма разнообразны.

Закономерности изнашивания деталей,

Образующих пары трения,

И пути уменьшения их износа

Причина изнашивания сопряженных деталей — работа сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др.

Сложность процессов, протекающих в зоне контакта, обусловила возникновение различных теорий внешнего трения. Наиболее полно силовое взаимодействие твердых тел объясняет молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория трения, которая исходит из дискретности контакта трущихся поверхностей. Из-за шероховатостей соприкосновение поверхностей возникает в отдельных пятнах касания, образующихся от взаимного внедрения микронеровностей или их пластического смятия. Взаимодействие скользящих поверхностей в этих пятнах согласно теории имеет двойственную природу — деформационную и адгезионную. Деформационное взаимодействие обусловлено многократным деформированием микрообъемов поверхностного слоя внедрившимися неровностями. Сопротивление этому деформированию называют деформационной составляющей силы трения F_a. Адгезионное взаимодействие связано с образованием на участках контакта адгезионных мостиков сварки. Сопротивление срезу этих мостиков и формирование новых определяет адгезионную составляющую силы трения F_afl. Таким образом, сила трения так же, как и другая важная фрикционная характеристика — коэффициент трения /, по определению равный отношению силы трения F к нормальной нагрузке N: f = F/N, определяются как сумма двух составляющих:

^ = ^д + ^_ад; / = /д + /_ад.

Деформационная составляющая трения растет пропорционально относительному внедрению неровностей h/R (h — глубина внедрения, R — радиус внедрившейся неровности). Отношение h/R и соответственно ^_д и /_д растут с увеличением шероховатости поверхности, нагрузки и снижаются с повышением твердости и модуля упругости материала. Различают три вида механического взаимодействия (рис. 11.2, а-в):

1) упругое контактирование;

2) пластическое деформирование;

3) микрорезание.

Рис. 11.2. Виды взаимодействия поверхностей трения:

а - упругое контактирование; б- пластическое деформирование; в - микрорезание; г - схватывание и разрушение поверхностных пленок; д - схватывание и глубинное вырывание

Интенсивность износа минимальна при упругом контактировании. При пластическом деформировании она увеличивается на несколько порядков. Это обусловлено тем, что участки поверхности под влиянием пластической деформации интенсивно упрочняются и по исчерпании запаса пластичности хрупко разрушаются. Этому же способствует и усилениеадгезионного взаимодействия. Микрорезание относится к недопустимым механизмам изнашивания, так как вызывает интенсивное разрушение поверхностного слоя. Микрорезание возможно не только внедрившимися неровностями, но и посторонними твердыми частицами. Такой вид разрушения поверхности называют абразивным изнашиванием.

Адгезионная составляющая трения пропорциональна безразмерному параметру го/НВ (то — прочность на срез адгезионной связи). Возможны два вида адгезионного взаимодействия (рис. 11.2, г, д):

1) схватывание и разрушение поверхностных пленок;

2) схватывание металлических поверхностей, сопровождающееся заеданием, т.е. глубинным вырыванием.

При первом виде взаимодействия срез адгезионных связей происходит ни оксидным или адсорбированным пленкам, которыми всегда покрыты 1|>ущиеся поверхности. Скорость образования оксидных пленок обычно высока, чему способствуют высокие температуры, развивающиеся на поверхностях трения. Разрушение поверхности путем среза оксидных пленок называется окислительным изнашиванием. Это наиболее благоприят и ый вид изнашивания, при котором процессы разрушения локализуются в юнчайших поверхностных слоях.

Схватывание металлических поверхностей возникает между чистыми от пленок (ювенильными) поверхностями трения, например, в условиях вакуума или при разрушении пленок пластической деформацией в местах контакта. В зависимости от условий трения, при которых пластическая деформация разрушает оксидные пленки, различают две разновидности

схватывания: холодное (I рода) и тепловое (II рода). Схватывание I рода развивается при малых скоростях скольжения и высоких давлениях, в условиях незначительного фрикционного нагрева поверхностей; схватывание II рода — при высоких скоростях скольжения и давлениях, вызывающих интенсивный разогрев и разупрочнение поверхностных слоев. Между очищенными участками образуются адгезионные связи, которые по прочности превосходят прочность одного из материалов пары трения. Срез происходит в менее прочном материале в глубине от места схватывания. На одной поверхности трения образуются углубления, на другой — вырванные частицы, которые повторно схватываются и бороздят трущиеся поверхности, вызывая их интенсивное разрушение, а иногда из-за большого тепловыделения и сваривание. Разрушение поверхностей трения при схватывании (заедании) называют адгезионным изнашиванием. Это наиболее опасный и быстротечный вид изнашивания, который служит главной причиной отказа в работе многих узлов трения.

Молекулярно-механическая теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости материала:

1) увеличение твердости трущейся поверхности;

2) снижение прочности адгезионной связи.

Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по возможности упругое деформирование участков контакта.

Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей трения жидким, твердым (иногда газовым) смазочным материалом. При использовании жидкостной смазки, когда поверхности деталей разделены несущим гидродинамическим слоем, коэффициент трения минимален (0,005 - 0,01), а износ практически отсутствует.

Твердая смазка обеспечивает более высокий коэффициент трения (0,02 - 0,15). Она незаменима для узлов трения, способных работать в вакууме, при высоких температурах и других экстремальных условиях. Из твердых смазочных материалов наиболее широко применяют графит, дисульфид молибдена M0S2, имеющие слоистое строение.

Использование смазочных материалов, однако, не гарантирует от схватывания. Твердые смазочные материалы постепенно изнашиваются. Условия жидкостной смазки нарушаются из-за неблагоприятных режимов работы механизмов (периоды приработки, а также пуска и остановок машин). В этих случаях возникает граничное трение, при котором поверхности разделяются лишь тонкой масляной пленкой. Контактные напряжения и нагрев способны разрушать эту пленку и вызывать схватывание. В

 

Рис. 11.3. Влияние нагрузки Р на интенсивность изнашивания Зн различных материалов (контакт из одноименных материалов):

/ окислительное изнашивание; //- схватывание I рода

> тих условиях решающее значение приобретает обеспечение совместимости трущейся пары. Под совместимостью понимают свойство материалов предотвращать схватывание при работе без смазочного материала или в условиях нарушения сплошности масляного слоя. Совместимость дости-i астся несколькими способами.

1. Использование защитных свойств оксидных пленок. Защитные пшйства оксидных пленок зависят от их состава, толщины, а также от свойств металлической подложки (увеличиваются с ростом ее твердости). Ксли оксид тверд и прочен, а нижележащий металл мягок, то пленка легко разрушается, и схватывание развивается при малой нагрузке.

Примером этому служат алюминий, свинец (рис. 11.3) и большинство пластичных металлов, в том числе и титан. Аномально высокие коэффициент трения и износ титана обусловлены не только разрушением пленки, но и ее способностью растворяться в металле. Если титан подвергнуть «локированию, то оксидная пленка формируется на твердой основе, кото-рам препятствует ее растворению. Титан становится износостойким.

Тонкие прочные пленки, способные деформироваться вместе с металлом при большой нагрузке, образуют хром, сталь, а также медь, хотя доим i имая нагрузка (Р < Р_Кр) Для нее и ее сплавов меньше, чем у первых iBvx металлов (см. рис. 11.3).

Стойкость к схватыванию закаленных сталей значительно выше, чем нормализованных и отожженных. По этой причине закаленные стали и 1 1али, упрочненные химико-термической обработкой, — основной материал для одной из сопряженных деталей пары трения. Стойкость к схва-i ы на и и ю таких сталей повышают сульфидированием и фосфатированием. После этих процессов формируется пленка, которая в начальный момент, .к-1 м> разрушаясь, улучшает прираПатываемость и снижает коэффициент i ренин, а в тяжелых условиях трения способна изменяться, образовывать и три ми ыо структуры сложного сопана и повышенной износостойкости.

В условиях теплового схватывания защитные свойства оксидных иле нок зависят от способности подложки сохранять высокую твердость при нагреве. В таких случаях следует применять теплостойкие материалы.

2. Подбор материалов пары трения. Схватывание особо опасно для
контакта двух твердых материалов. В случае разрушения защитных ок
сидных пленок оно приводит к значительному повреждению обеих поверх
ностей трения. При сочетании твердого и мягкого материалов схватыва
ние проявляется в менее опасной форме.

Для сталей и чугунов в условиях трения скольжения лучшим материалом сопряженной детали служат те цветные металлы и сплавы, которые имеют в структуре мягкую или легкоплавкую составляющую, способную проявлять защитную реакцию и предупреждать повреждение сопряженной поверхности. При усилении трения такая структурная составляющая допускает на отдельных участках контакта легкое пластическое течение либо размягчение, в результате чего снижаются местные давления и температура и тем самым исключается схватывание.

Сплавы с мягкой структурной составляющей применяют для червячных передач и подшипников скольжения. Для червячных передач характерны высокие скорости скольжения и неблагоприятные условия гидродинамической смазки. Для предупреждения схватывания червяк выполняют из стали с высокой твердостью поверхности (45 - 60 HRC), а червячное колесо — из оловянистой бронзы, имеющей в структуре мягкую составляющую.

Мягкой структурной составляющей в подшипниковых сплавах могут служить включения олова или свинца. Эти металлы схватываются со сталью, но адгезионные связи разрушаются по менее прочным цветным металлам, которые тонким (1-3 мкм) слоем «намазываются» на стальную поверхность, не повреждая ее. Тонкая пленка мягкого металла не только уменьшает силовое воздействие в местах контакта, но при тяжелых режимах трения из-за сильного размягчения может служить твердым смазочным материалом или плавиться и некоторое время выполнять роль жидкого смазочного материала.

Благодаря таким свойствам олово, свинец, а также медь используют в качестве тонкослойных покрытий одной из поверхностей трения. Их создают и в сопряжениях сталь — сталь, сталь — чугун, добавляя в жидкий смазочный материал присадки в виде порошков этих металлов или их солей. При определенных условиях трения присадки формируют на стальной поверхности пленку мягкого металла, которая защищает сталь от износа.

3. Разделение поверхностей трения пленками полимеров (фторопла
ста, полиамида и т.п.), которые отличаются низкой адгезией к металлам.

 

Рис. 11.4. Схема образования поверхностного выкрашивания (питтинга) на рабочей дорожке подшипника качения: А место зарождения усталостной трещины; 1, 2 - стадии ее развития; И ямка выкрашивания

Кроме того, под влиянием теплоты трения полимеры способны переходить в низкомолекулярное состояние и образовывать пленку с низким сопротивлением сдвигу. В силу этих особенностей полимеры имеют низкий коэффициент трения, слабо изменяющийся при применении смазочного

материала.

Работоспособность многих узлов трения зависит от скорости развития поверхностного усталостного выкрашивания (питтинга).

Поверхностное выкрашивание характерно для материалов, используемых в узлах трения качения (зубчатые передачи, шарико- и роликоподшипники), которые подвержены высоким циклическим контактным нагрузкам. Эти нагрузки, действующие на малых участках поверхности, обусловливают процессы зарождения в приповерхностном слое усталостных трещин, их развитие в глубь слоя и отделение частиц с образованием ямок выкрашивания (рис. 11.4).

Сопротивление материала поверхностному выкрашиванию называют контактной выносливостью. Она характеризуется пределом контактной выносливости егд, который, как и при объемной усталости, определяется жепериментально по кривой усталости.¹

Повышение контактной выносливости, как и при объемной устало-<1и, основано на увеличении сопротивления поверхностного слоя деталей развитию пластической деформации.

Места сопряжения деталей, находящиеся в очень малом относительном перемещении, подвержены особому виду изнашивания, называемому ijipiттинг-процессом или фреттинг-коррозией. Этот вид изнашивания развивается на поверхности валов в местах насадки шестерен, подшипников качения, а также в шлицевых, шпоночных и шарнирных соединениях, и проушинах и на поверхности рессор. Повреждения поверхности имеют вид ямок и язв, которые, как и питтинг, опасны тем, что существенно снижают сопротивление усталости деталей.

Предел контактной вынослиности поверхностного слоя зубьев колес, cooi не гс i ну «майи битному числу циклон напряжений, обозначаю! <тц\,_ть (ГОСТ 21354 87).

Единой теории, объясняющей механизм этого вида изнашивания, нет. Согласно одной теории, определяющим служит механическое взаимодействие контактирующих поверхностей. Предполагают, что оно вызывает разрушение оксидных пленок, частицы которых не удаляются за пределы контакта и действуют как абразив. По другой теории ведущим считают адгезионное взаимодействие в сочетании с коррозией. Вследствие адгезии частицы металла сначала отделяются от поверхности, затем окисляются кислородом среды и превращаются в абразив. Сторонники этой теории называют такой процесс фреттинг-коррозией.

Основные методы защиты от этого вида изнашивания — повышение твердости контактирующих поверхностей (цементацией, азотированием), применение смазочных материалов, лаков, пленочных покрытий из полимеров, затрудняющих металлический контакт поверхностей трения и доступ к нему кислорода.

В зависимости от механических и фрикционных свойств износостойкие материалы подразделяют на три группы: 1) материалы с высокой твердостью поверхности; 2) антифрикционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения скольжения; 3) фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения скольжения.

11.3. Материалы с высокой твердостью поверхности

Высокая твердость поверхности — необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостном видах изнашивания наиболее износостойки стали и сплавы с высокой исходной твердостью поверхности. При работе в условиях больших давлений и ударов наибольшей работоспособностью обладают аустенитные стали с низкой исходной твердостью, но способные из-за интенсивного деформационного упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях эксплуатации.

11.3.1. Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию

Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов (рис. 11.5) пропорциональна их твердости е — 6-НВ (е — относительная износостойкость, определяемая в сравнении с образцом-эталоном; Ь — коэффициент пропорциональности). В сплавах эта зависимость может не соблюдаться.

При абразивном изнашивании ведущими являются процессы многократного деформирования поверхности скользящими по ней частицами и

микрорезание. Степень развития этих процессов зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных частиц. Так как твердость последних велика, то наибольшей износостойкостью обладают материалы,

структура КОТОрЫХ СОСТОИТ ИЗ ЧаСТИЦ                        0   200 400 нв

твердой карбидной фазы и удерживаю-              р_ис. ц.$. Относитель-

шей их высокопрочной матрицы. Такую            ная износостойкость е

структуру имеет большая группа ста-                металлов с различной

лей и сплавов.                                                       твердостью

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Для наплавки на поверхность деталей используют прутки из этих сплавов, которые нагревают ацетиленокислородным пламенем или электродугой.

В промышленности используют более ста сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих эле ментов (Сг, W, Ti). В их структуре может быть до 50% специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом износостойкости.

Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или ни келя. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аустени гной.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сила вы с мартенситной структурой. К ним относятся сплавы типа 250X38, 320Х23Г2С2Т (первые три цифры показывают содержание углерода в со ил долях процента). Детали, работающие при значительных ударных nai рузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.), из i и говляют из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустени гно мартенситной (370Х7Г7С) или аустенитной (110Г13, 300Г34) матрицей.

Для деталей машин, работающих при средних условиях изнашивании, применяют твердые сплавы, структура которых состоит из специальных карбидов (WC, TiC, ТаС), связанных кобальтом, а также высоко \ i лсродис гые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 со структурой мартенсит i карбиды). Эти материалы относятся к инструментальным.

Низко- и среднеуглеродисгпые стали с различными видами поверх HI»с тою упрочнения и чугуны применяют для более легких условий изнашивания. В частности, для деталей, работающих в условиях граничной i мазки (гильзы цилиндров, коленчатые валы, поршневые кольца и пр.),

где абразивное изнашивание сопутствует другим его видам, например окислительному. Для сохранения работоспособности узлов трения материал детали должен хорошо противостоять истиранию частицами, являющимися продуктами изнашивания или попадающими в смазочный материал извне. Этим требованиям удовлетворяют низкоуглеродистые стали, упрочняемые цементацией, а также среднеуглеродистые стали, упрочняемые азотированием или поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ. В порядке возрастания износостойкости упрочненные поверхностные слои этих сталей располагаются в следующей последовательности: закаленные, цементованные, азотированные.

---

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 881; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!