Основные сведения по абразивному изнашиванию

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание в результате пластического оттеснения, микроскалывания или микрорезания поверхностного слоя при его пропахивании твердыми частицами среды или твердыми выступами контртела. Относится к катастрофическим видам изнашивания и может инициировать более грубую форму поверхностного разрушения - изнашивание при схватывании. Характерная скорость изнашивания: от 0,5 до 300 мкм/час. Частицы износа при абразивном изнашивании представляют собой микростружку, микроосколки поверхностного слоя или частицы, образованные из материала, выдавленного из пропаханных борозд. Различают следующие виды абразивного изнашивания:

· о закрепленный абразив (об абразивную прослойку);

· о незакрепленный абразив (газоабразивное, гидроабразивное);

· ударно-абразивное.

 И.В. Крагельский установил следующие критерии абразивного изнашивания

- условие микрорезания (число циклов до разрушения ): (сухое трение);  (при трении со смазкой);

- условие пластической деформации (число циклов до разрушения ):  (сухое трение);  (при трении со смазкой), где r – радиус вершины выступа, Н – глубина внедрения выступа, n – число циклов взаимодействия выступов с поверхностью.

Вид поверхности трения при абразивном изнашивании характеризуется наличием множества длинных параллельных борозд, вытянутых вдоль направления трения. Борозды в зависимости от условий трения могут иметь высоту от нескольких микрометров (различимых в только микроскоп) до нескольких сот микрометров (видимых невооруженным глазом и хорошо ощутимым на ощупь), но важным для правильной идентификации данного вида изнашивания является то, что все борозды имеют примерно равную высоту и шаг по всей поверхности трения. Наличие неравномерных борозд с «рваными» краями и следами наплывов  свидетельствует о начале схватывания и образовании задиров.

 

                    а                                                       б

Рис. 4.12. Борозды, сформированные на стальной поверхности в процессе изнашивания при схватывании (а) и на твердом сплаве при абразивном изнашивании (б).

 

Эпюра абразивного изнашивания (рис. 4.13) характеризуется высокими значениями и резкими скачками момента трения, а также относительно быстрым нагревом. Если не созданы условия для удаления микростружки, то амплитуда скачков момента трения увеличивается (рис. 4.13 а).       

 

                                              а                                                             б

Рис. 4.13. Эпюра абразивного изнашивания пары трения без промывки (а) и с промывкой маслом (б).

 

Если удалить абразивные частицы из зоны трения момент трения резко снижается (рис. 4.13 б), т.е. процесс является обратимым, в отличие от других видов катастрофического изнашивания. Эта обратимость очень важна, поскольку абразивные частицы периодически появляются при нормальной работе большинства узлов трения (в этом случае роль абразивных частиц играют частицы износа).

Абразивным действием обладают твердые частицы и твердые выступы, включая:

· механические частицы, попавшие в зону трения из загрязненного воздуха, неочищенных смазочных материалов и топлива;

· твердые частицы абразивных рабочих сред;

· продукты износа твердых тел;

· продукты разложения некоторых присадок к смазочным материалам;

· выступы макро- и микронеровностей более твердого тела;

· острые кромки или края раскрывшихся трещин на поверхности контртела;

· абразивные частицы, шаржированные в поверхностный слой после финишной абразивной обработки или твердые частицы среды, шаржированные в поверхность при эксплуатации;

· твердые составляющие контртела.

Характерные признаки абразивного изнашивания

· Повышение шума, температуры и силы трения.

· Самый явный признак – характерный профиль поверхности трения Повышение шероховатости с образованием длинных и параллельных борозд (рисок) на поверхности вдоль направления трения.

· Окисление поверхности (иногда с образованием цветов побежалости).

· Интенсивное изнашивание и малый технический ресурс узла трения.

· Быстрое окисление и загрязнение смазочного материала продуктами износа.

Основные закономерности и особенности

· Интенсивность изнашивания прямо пропорциональна приложенной нагрузке, работе силы трения и обратно пропорциональна твердости поверхностного слоя.

· Интенсивность изнашивания не чувствительна к остаточным напряжениям.

· Наибольший износ вызывают абразивные частицы размерами от десяти микрометров и более.

· Мелкодисперсные твердые частицы размерами несколько микрометров, сминая и срезая выступы шероховатостей, полируют поверхность трения.

· Ультрадисперсные твердые частицы с линейными размерами менее 0,1 микрометра не выпадают в осадок в смазочном материале и абразивным действием не обладают (более того, могут использоваться как противоизносные, противозадирные присадки).

Причины абразивного изнашивания

· Недостаточная твердость поверхностного слоя.

· Применение загрязненного смазочного материала.

· Применение загрязненных топлив.

· Работа в запыленном воздухе.

· Применение шлифования в качестве финишной обработки деталей пар трения.

· Высокая шероховатость твердого контртела.

· Загрязненные, или неправильно подобранные фильтры (воздушный, топливный, масляный).

· Рабочий процесс связан с применением абразивных сред.

· Механическая перегрузка узла трения.

· Не созданы условия для удаления частиц износа из зоны контакта.

· Образование и раскрытие краев микро- и макротрещин на поверхности трения контртела.

· Наличие острых кромок у поверхности трения контртела.

· Некачественная промывка деталей узла трения перед сборкой.

· Перегрев поверхности трения.

· Применение прямых пар трения.

· Наличие пластифицирующих сред на поверхности трения.

· Реализация граничного и сухого трения скольжения.

Характерные узлы трения

· Техника, работающая с твердыми неорганическими материалами: горные породы, руда, грунт, песок, почва и т.д. (сельскохозяйственная техника, камнедробильные машины и т.д.). 

· Техника, работающая с твердыми органическими материалами: зерно, волос, кости и т.д. (мельницы, ножницы и др.).

· Детали, соприкасающиеся с дорожным покрытием (шины и гусеницы транспортных средств, подошвы обуви и др.).   

· Техника, работающая в условиях сильных потоков жидких абразивных сред (корпуса шарошек буровых долот, гребные винты и др.).

· Детали узлов трения, работающих на «открытом» воздухе.

Способы уменьшения абразивного изнашивания

· Применение твердых трибоматериалов или твердых покрытий.

· Применение методов упрочнения поверхностного слоя.

· Применение безабразивных методов финишной обработки поверхностей трения.

· Качественная промывка деталей узлов трения перед сборкой.

· Своевременная замена смазочных материалов.

· Организация прокачки смазочного материала через зону контакта с последующей фильтрацией.

· Выполнение канавок для удаления частиц износа.

· Охлаждение узла трения.

· Снижение удельных механических нагрузок на зону контакта.

· Реализация жидкостных режимов трения.

· Создание обратных пар трения.

· Повышение чистоты обработки более твердой поверхности трения и удаление острых кромок.

· Применение трещиностойких твердых материалов и покрытий и замена деталей с поверхностными трещинами.

· Не применять пластичные материалы и покрытия, в которые могут шаржироваться твердые частицы, а также присадки, формирующие такие покрытия.

· Правильный подбор, своевременная очистка и замена фильтрующих элементов.

· По возможности не применять пластичную смазку с предпочтением смазочных масел.

· По возможности уменьшить абразивность внешней среды (уменьшить дисперсность, снизить твердость, округлить форму и т.п.).   

· По возможности заменить скольжение качением.