Абразивное изнашивание это: Абразивное изнашивание (износ)

Абразивное изнашивание (износ)

Абразивным называется механическое изнашивание материала в результате, в основном, режущего или царапающего действия на него абразивных частиц, находящихся в свободном или закреплённом состоянии.

Абразивные частицы, обладая большей, чем металл твёрдостью, разрушают поверхность деталей и резко увеличивают износ. Это наиболее распространённый вид изнашивания.

В технологических машинах более 60 % изнашивания имеют абразивный характер. Основным источником попадания абразивных частиц в сопряжения машин является окружающая среда. В 1 м³ воздуха содержится от 0,04 до 5 г. Пыли  на 60 % состоящей из взвешанных частиц имеющих размеры от 5 мкм до 120 мкм, т. е. соизмеримых с зазорами в сопряжении машин. Основные состовляющие пыли: окись железаFe₂O₃, двуокись кремния SiO₂, соединения Al, Ca, Mg, Na. Данные частицы обладают достаточно высокой твёрдостью. Для SiO₂ прочность достигает 10780 – 11700 МПа, окись алюминия от 20900 до 22900 МПа, что превышает, что превышает твердость рабочих поверхностей большинства деталей технологических машин.

Рисунок 1.2 Схемы деталей машин в условиях абразивного изнашивания

а) рабочие органы, б) режущие кромки РО, в) опорные катки, г) опоры скольжения, д) детали трубопроводов, пневмосистем, гидроприводов; 1-деталь; 2-абразив.

В роли абразива могут выступать так же продукты изнашивания из выпавших в осадок присадок масел.

Если твёрдость абразивных соизмерима с твёрдостью основного материала рабочей поверхности детали, то при работе сопряжения абразивная частица будет способствовать разрушению окисной плёнки (рис.1.3. а). В результате этого в металле под воздействием окружающей среды (кислорода, воздуха, влаги) активизируются коррозионные процессы и происходит коррозионно механическое изнашивание поверхности.

Если твёрдость абразивной частицы превышает твёрдость основного материала детали (Н

а≈1,7Н_а), то при взаимодействии рабочей поверхности с частицами наблюдается пластическое оттеснение материала (рис. 1.3. б).

Если частица внедряется острой гранью в поверхность детали, то пластическое оттеснение переходит в микрорезание (рис. 1.3. в).

Рисунок 1.3. Виды взаимодействия поверхности детали с абразивными частицами.

а-при коррозионно-механическом изнашивании; б-при пластическом изнашивании; в-при микрорезании.

Интенсивность абразивного износа прямо пропорциональна твёрдости Н_а абразивных частиц и обратно пропорциональна твёрдости Н_мет поверхности трения. Поверхности большей твёрдости обладают большей износостойкостью.

Рисунок 4. Зависимость износа поверхности от твёрдости абразивных частиц

Н_а‹Н_мет; II. Н_а≈Н_мет

; III. Н_а›Н_мет;

 

Абразивное изнашивание является одним из наиболее быстропротекающих процессов разрушения рабочих поверхностей деталей.

Детали ТТМ обладают следующими скоростями абразивного изнашивания, мм/ч.

Аустенитная марганцовая сталь:

Зубья ковша экскаватора	0,13 – 12,70
Ножи скрепера	0,13 – 2,54
Рабочие органы молотковых дробилок	0,13 – 25,40
Дробящие плиты щековых дробилок	0,05 – 0,5

 

Низколегированная высокоуглеродистая сталь

Дробильные шары шаровых мельниц -в мокрых кремниевых рудах -в мокром цементном тесте -в сером цементном клинкере	0,004 – 0,011 0,001 – 0,004 0,0011 – 0,004
Лопасти бетоносмесителей	0,003 – 0,127

 

Перлитный белый чугун

Крыльчатки смесителей

0,001 – 0,025

 

Для снижения абразивной составляющей изнашивания твердость рабочей поверхности детали должна быть в 1,3 раза больше твёрдости абразива. Но обычно твёрдость материала на такую величину не повышают в следствие низкого экономического эффекта. С повышением твёрдости поверхность становиться хрупкой и растрескивается под действием динамических нагрузок.

Для защиты от абразивного изнашивания обычно применяется:

-герметизация сопряжений с помощью уплотнительных элементов;

-обеспечение частоты применяемых в машинах топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей;

-фильтрация дизельных топлив перед заправкой машин.

Все эти мероприятия позволяют снизить интенсивность износа в 10 раз.

Абразивное изнашивание при ударе

Такому разрушению подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелющих агрегатов, породоразрушающий инструмент и др. Ударно-абразивное изнашивание поверхности происходит о монолитный или свободный абразив. Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на поверхности трения лунок в результате локальной или пластической деформации металла. Края лунок образуют те выступы, которые внедряются в сопряженную поверхность и имеют твердость, превышающую твердость металла или имеют наиболее благоприятное расположение своих граней к поверхности детали. При многократном взаимодействии абразива с поверхностью детали лунки углубляются и расширяются. В результате поверхность наклепывается и происходит отрыв от неё частиц. Обычно это происходит у пластичных материалов. Для изнашивания твердых материалов характерно хрупкое выкрашивание. На ударно-абразивное изнашивание влияет природа, геометрическая форма, твердость и хрупкость абразивных частиц, толщина слоя абразива, энергия удара, твердость испытываемого материала, наличие жидкости в зоне удара и др.

Изнашивание от абразивных частиц в потоке жидкости и газа

При допущении, что среда неагрессивная к поверхности, следует различать два случая взаимодействия абразива с материалом.

Удар прямой, угол атаки α = 90⁰. В зависимости от массы частиц, скорости их падения, свойств абразива и физико-механических свойств материала детали возникает упругая деформация, пластическая деформация, хрупкое разрушение, перенаклеп с отделением материала в виде чешуек. Наибольшей износостойкостью при изнашивании твердыми частицами кварца и более твердыми при скорости потока около 100 м/с обладает резина и спеченные материалы, малой износостойкостью – базальт и стекло. Износостойкость углеродистых и инструментальных сталей примерно одинакова и низка.

Косой удар. 0 < α < 90⁰. При углах атаки не выше угла трения на характер повреждения сильно влияет касательная составляющая импульса и сопротивления материала воздействию касательных сил на поверхность. У резины скорость изнашивания уменьшается при увеличении угла атаки до угла трения, а затем становиться постоянной; у других материалов скорость изнашивания может непрерывно возрастать или достигать максимума при некотором угле атаки, а затем убывать. Все зависит от свойств материала.

Изнашивание абразивными частицами в зазоре пары трения

Попавшие в зазоры пар трения абразивные частицы участвуют в восприятии приложенной нагрузки и могут впрессовываться в поверхность трения, раздавливаться на более мелкие фракции, скользить или перекатываться вдоль поверхности изнашивания, упруго и пластически деформирую её.

Абразивные частицы могут попасть в рабочие полости машины из воздуха вместе с горючим, смазочными материалами и др. путями. Из абразивных частиц, попадающих из воздуха, наибольшее изнашивающее действие оказывают частицы кварца, имеющие высокую твердость. Размер их колеблется от 1…30 мкм, и они могут долго находиться в воздухе при его движении. Воздушные фильтры машин задерживают крупные частицы, а мелкие частично попадают в цилиндры двигателей. Считается, что с каждым кубометром воздуха засасывается 5…20 мг пыли. Значительная часть поступивших частиц удаляется с отработанными газами, остальная часть осаждается на стенки цилиндров и проникает во все системы.

При этом изнашиваются все пары трения, особенно шейки коленчатых валов, цилиндры и поршневые кольца. Износ пар трения зависит от размеров абразивных частиц. Например, так выглядит зависимость износа газоуплотнительного кольца двигателя при нагрузке 45 л.с. и частоте вращения 2500 мин ^-1 (Рис 5.4). Из анализа этого графика видно, что если размер абразивной частицы меньше 2 мкм, то они не будут изнашивать детали. Предполагается, что это происходит из-за одинаковой величины толщины граничной пленки смазки и частицы. Абразивный износ может наблюдаться и из-за образования нагара, являющегося продуктами сгорания топлива и масел. При попадании частиц в подшипники с мягким антифрикционным слоем, они впрессовываются в этот слой и ускоряют износ сопряженного вала. Абразивные частицы не оказывают существенного влияния на резиновые подшипники. Податливость резины не позволяет попавшей в зазор частице создать высокое давление, при котором происходит шлифование вала, она может только полировать его. Подобно резине работает и поликапролактам. Для нормальной работы резиновые подшипники смазываются водой, а поликапралоктамовые и водой и маслом.

Рис 5.4 – Зависимость износа газоуплотнительного кольца двигателя от размера абразивных

частиц дорожной пыли

Абразивный износ — о трибологии

Содержание

Абразивный износ представляет собой тип механизма износа, который приводит к разрушению материала на поверхности из-за воздействия твердых частиц, находящихся в контакте с поверхностью. Это также происходит, когда твердая поверхность или частицы взаимодействуют или скользят по мягкой поверхности и вызывают потерю материала [1]. Это вид изнашивания, возникающий из-за нагружения твердой частицы на поверхность материала, имеющего равную или меньшую твердость по сравнению с нагруженной частицей [2].

Рис-1 Рисунок, иллюстрирующий абразивный износ сплава Ti-6Al-4V [3]

Абразивный износ может быть вызван любым состоянием поверхности при наличии твердых частиц. например, в случае взаимодействия поверхности автомобильной шины с дорожным покрытием очень легко изнашивается из-за взаимодействия более мягкого материала шины с меньшей твердостью по сравнению с дорожным покрытием. Канавки можно найти в следах абразивного износа, образующихся на границе раздела двух одинаковых металлов, испытывающих трение скольжения. При этом также происходит образование частиц износа или мусора, влияющих на дальнейший износ на поверхности материалов [4]. Причина образования частиц износа связана с наклепом, фазовым превращением или взаимодействием третьего тела на границе раздела [5].

Первоначально считалось, что механизмы абразивного износа вызываются резкой, инициируемой предметами с острыми краями или абразивными частицами. Однако при микроскопическом анализе обнаруживается, что существует много других косвенных механизмов, участвующих в инициировании абразивного износа. Это включает удаление частиц путем резки, разрушения, усталости и образования зерен. Эти четыре причины механизмов абразивного износа объясняются ниже.

Абразивный износ из-за микрорезания:  

Первым механизмом, представляющим классическую модель образования абразивного износа, является резание, при котором острые частицы или шероховатости вызывают порез на более мягкой поверхности материала, что приводит к износу [6]. Изношенный материал с поверхности более мягкого материала называется остатками износа. Этот механизм микрорезки показан на Рис-2.

Рис-2 Абразивный износ при резании [7].

Абразивный износ из-за разрушения:  

Износ, вызванный образованием хрупкого излома, вызванного трещиной, зародившейся в недрах. В основном существует три режима образования трещин, которые включают в себя вентиляционные трещины, которые распространяются под углом 30 градусов к поверхности, второй способ — через локализованную фрагментацию на поверхности и последний — глубокие срединные трещины [8]. Хрупкий излом образуется из-за высоких нагрузок, действующих на острые зерна, и из-за хрупкости на поверхности материалов. Этот механизм проиллюстрирован на рис. 3.

Рис-3 Абразивный износ при разрушении [7].

Абразивный износ вследствие усталости:  

Когда частицы на поверхности, вызывающие абразивный износ, вызывают повторяющиеся напряжения на поверхности металла, вызывающие усталость. Эти повторяющиеся деформации влияют на деформацию за счет бокового смещения материала, что впоследствии приводит к образованию частиц износа и вызывает абразивный износ [9]. Этот механизм показан на рис. 4.

Рис-4 Абразивный износ вследствие усталости [7].

Абразивный износ за счет вытягивания зерен:  

Вытягивание зерен представляет собой механизм абразивного износа, особенно характерный для керамических материалов. Вырыв зерен в керамических материалах происходит на поверхностях, где границы зерен на поверхности слабее и удаляются в виде продуктов износа [10]. Этот механизм проиллюстрирован на рис. 5.

Рис-5 Абразивный износ за счет вырывания зерна [7].

Основываясь на перемещении продуктов износа, образующихся во время абразивного износа, за пределы изнашиваемой поверхности, абразивный износ можно разделить на две группы, а именно абразивный износ на две части и абразивный износ на три части.

Двухчастный абразивный износ:   

В этом режиме износ происходит за счет удаления материалов с поверхности острыми абразивами или твердыми частицами. Этот режим можно просто объяснить на примере удаления материала наждачной бумагой на противоположной поверхности. Перемещение материала в этом режиме происходит за счет операций резания или вспашки [11]. Режим абразивного износа двух тел показан на рис. 6.

Рис-6 Абразивный износ в режиме двухтелового износа [7].

Абразивный износ трех тел:  

В этом режиме износ происходит очень медленно по сравнению с режимом двухкомпонентного износа из-за свободного движения зерен на границе раздела поверхности, вызывающей износ. Зерна свободно катятся и скользят по границе раздела, такие свойства, как твердость поверхности, которая прижимает частицы к поверхности, являются важной характеристикой, определяющей износ [12]. Абразивный износ трех тел показан на рис. 7.

Рис-7 Абразивный износ в режиме трехчастного износа [7].

GK Nathan et.al., [13] изучали различные факторы, влияющие на абразивный износ металлов, и такие условия, как приложенная нагрузка, длина абразивного пути, скорость абразивной поверхности, типы абразивных частиц, температура и абсолютная влажность. окружающей среды и т.д. являются влияющими параметрами абразивного износа. В исследовании поведения полимерных материалов при абразивном износе, проведенном H. Unal et.al. [14], было обнаружено, что скорость износа увеличивается линейно с увеличением продолжительности износа. Модель демонстрации стойкости многофазных материалов к абразивному износу была показана Н. Аксеном и др. [15], эта модель помогает прояснить роль матрицы и армирующей фазы в композите, сопротивляющемся износу многофазных материалов. материалы.

[1] Бхушан Б. Принципы и применение трибологии. Нью-Йорк: публикация Wiley-Interscience; 1999.

[2] Като К. Абразивный износ металлов. Международная трибология. 1997: 333-8.

[3] Редмор, Э., Ли, Х. и Донг, Х., 2019. Трибологические характеристики недорогого бета-титанового сплава с поверхностной инженерией. Одежда , 426 , стр.952-960.

[4] Ригни Д.А. Комментарии о нотах Износ металлов скольжением. 1997;30.

[5] Мур, Массачусетс. Обзор абразивного износа двух тел. 1974;27.

[6] Т. Каяба, Последние исследования износа с помощью микроскопических наблюдений, JSLE Transactions, Vol. 29, 1984, стр. 9-14.

[7] Stachowiak, G.W. и Batchelor, A.W., 2013. Инженерная трибология . Баттерворт-Хайнеманн.

[8] К. Филлипс, Исследование свободного абразивного шлифования стекла и плавленого кремнезема, доктор философии. Диссертация, Университет Сассекса, Соединенное Королевство, 1975 г.

[9] О. Вингсбо и С. Хогмарк, Износ сталей, Материаловедческий семинар ASM по основам трения и износа материалов, 4-5 октября 1980, Питтсбург, Пенсильвания, редактор: Д.А. Rigney, Metals Park, Ohio, Publ. ASM, 1981, стр. 373-408.

[10] М.В. Суэйн, Микроскопические наблюдения за абразивным износом поликристаллического оксида алюминия, Wear, Vol. 35, 1975, стр. 185-189.

[11] Н. Эмори, Т. Сасада и М. Ойке, Влияние комбинации материалов в трущихся деталях на абразивный износ трех тел, JSLE Transactions, Vol. 30, 1985, стр. 53-59.

[12] Т. Сасада, М. Ойке и Н. Эмори, Влияние размера абразивного зерна на переход между абразивным и адгезионным износом, Износ, Vol. 97, 1984, стр. 291-302.

[13] Натан Г.К. и Jones, WJD, 1966. Эмпирическая взаимосвязь между абразивным износом и применяемыми условиями. Одежда , 9 (4), стр. 300-309.

[14] Унал, Х., Сен, У. и Мимароглу, А., 2005. Поведение полимерных материалов при абразивном износе. Материалы и дизайн , 26 (8), стр. 705-710.

[15] Аксен, Н. и Якобсон, С., 1994. Модель сопротивления абразивному износу многофазных материалов. Одежда , 174 (1-2), стр. 187-199.

Манодж Раджанкунте Махадешвара

В настоящее время я работаю аспирантом в Университете Лидса. Ранее я закончила магистратуру по престижной совместной магистерской программе Erasmus Mundus (магистр трибологии). Я также получил степень бакалавра в области машиностроения в ВТУ, Белгаум, Индия. Я работаю менеджером по социальным сетям в Tribnet, а также у меня есть свой канал на YouTube Tribo Geek.

Что такое абразивный износ?

Последнее обновление: 22 июля 2020 г.

Что означает абразивный износ?

Износ в материаловедении просто означает эрозию или смещение материала из его первоначальной формы. Это может произойти само по себе или быть вызвано контактом с другой поверхностью. Абразивный износ возникает, когда шероховатая твердая поверхность скользит по относительно более мягкой поверхности.

Реклама

Corrosionpedia объясняет абразивный износ

Абразивный износ обычно классифицируется в зависимости от контактной среды и типа контакта. Тип контакта определяет режим абразивного износа. Как правило, существует два типа абразивного износа:

• Абразивный износ двух тел. Этот тип имеет место, когда твердые частицы или песок удаляют материал с противоположной поверхности. Лучше всего это можно описать, представив материал, смещаемый или удаляемый при вспахивании или резке.
• Тройной износ. Это происходит, когда частицы не связаны и могут скользить вниз и катиться по поверхности. Среда контакта определяет, относится ли классификация износа к закрытому или открытому типу. Среда открытого износа имеет место, когда поверхности достаточно смещены, чтобы освободиться друг от друга.

Существует несколько факторов, влияющих на возникновение абразивного износа и способ удаления материала. Для определения способа удаления материала используются различные механизмы. Три основных механизма, связанных с абразивным износом:

• Фрагментация. Это происходит, когда определенный материал отделяется от фасада в процессе резки. Это приводит к вдавливанию абразива, что может вызвать локальные разрушения в изнашиваемом материале. Трещины свободно распространяются по всему износу, что приводит к дальнейшему удалению материала.
• Резка. Это происходит, когда материал отделяется от поверхности в виде крошечных стружек или мусора с минимальным смещением или без смещения к обеим сторонам канавки. Это похоже на обычную обработку.
• Вспахивание — Это происходит, когда материал смещается в сторону, удаляясь от частиц износа. Это приводит к образованию канавки, которая не требует удаления материала. Смещенный материал создает гребни вдоль канавок, которые могут быть устранены при последующем прохождении абразивного материала.