WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН Попов С.Н.

ВВЕДЕНИЕ В современных тяжелых условиях, которые переживает народное хозяйство Украины, проблема срока службы деталей машин и агрегатов, их долговечности и надежности приобрела весьма большое значение. Сложности создаются ещё и тем, что практически все оборудование промышленных предприятий изношено до предела, а приобретение нового для его замены непосильно для большинства заводов. В связи с этим поиски износостойких материалов и технологий, обеспечивающих увеличение срока службы быстро изнашиваемых деталей машин, становится первостепенной научной задачей.

В книге рассматриваются некоторые общие закономерности изнашивания сталей и сплавов в различных условиях эксплуатации и приложение этих знаний к конкретным обстоятельствам износа оборудования.

Мы предприняли попытку оценить имеющиеся в литературе результаты исследования износостойкости сталей и сплавов, проведенные разными авторами, и сопоставить с нашими данными, полученными при поиске материалов, обладающих высокой способностью к сопротивлению разрушающему воздействию изнашивающих сред. Анализ большого числа публикаций по вопросам износостойкости подвигнул нас к необходимости разработать такие подходы, которые обеспечили бы наиболее полный учет всех взаимосвязанных факторов, влияющих одновременно на результат изнашивания: изнашивающая среда - материал детали - внешние условия изнашивания.

Проверка целесообразности и действенности такого обобщённого подхода к оценке процесса изнашивания производилась в сопоставлении с материалами, опубликованными в технической литературе и полученными при исследовании и разработке износостойких сталей и сплавов, в частности, для рабочих органов оборудования асфальтобетонных заводов, дорожном строительстве, производстве строительных материалов.

Применяемые в настоящее время на заводах по производству строительных материалов сплавы для изготовления деталей и технологические мероприятия по повышению их долговечности не обеспечивают необходимого срока их службы [1,2]. Поэтому задача повышения износостойкости рабочих органов строительного оборудования является актуальной и для своего решения потребовала проведения направленных исследований.

В настоящей работе представлены результаты комплексных исследований влияния изнашивающей среды и внешних условий изнашивания на увеличение срока службы в часности рабочих органов асфальтосмесителей.

Эти исследования включали изучение характера и механизма изнашивания, влияние типа металлической основы и количества упрочняющей фазы на способность материала сопротивляться изнашиванию в условиях эксплуатации лопаток [3,4,5]. С помощью методов математического планирования определен наплавочный сплав, наиболее приемлемый для работы в заданных условиях изнашивания [6,7,8].

Кроме этого, на основе анализа энергии разрушения абразивных частиц, в зависимости от внешних факторов, выработаны рекомендации по эксплуатации смесительной установки с минимальной интенсивностью изнашивания лопаток. Анализ внедрения результатов работы показал, что оптимальные служебные характеристики лопаток асфальтосмесителей (высокая износостойкость в сочетании с необходимой эксплуатационной приемлемостью) обеспечиваются при наплавке рабочей поверхности лопатки порошковыми проволоками и наплавочными электродами, содержащими в своём составе в определённых соотношениях углерод, хром, бор, кремний и ванадий. (А. С. 1307698, 1453768, 1459128, 1460869, 1487326, 1541937, 1587804, 1633659, 1676174, 1675105, 1731550).

Впервые предпринята попытка рассмотрения в комплексе единой системы: изнашивающая среда - условия изнашивания - изнашиваемый материал, отражающая характер взаимосвязи этих факторов.

Изучена взаимосвязь всех компонентов в этой системе, разработаны износостойкие наплавочные материалы и технология их наплавки на конкретные быстроизнашиваемые детали. Установлены закономерности изменения износостойкости сплавов и принципы создания износостойких материалов на основе единой трибосистемы, а также исследовано влияние легирующих элементов на способность сплавов к сопротивлению изнашиванию незакреплённым абразивом.

Процесс изнашивания охватывает совокупность сложных явлений, происходящих при взаимодействии поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в определенных условиях температуры и давления. Все компоненты этого процесса, включающие и металл, и изнашивающую среду, и внешние условия, при которых изнашивание осуществляется, взаимно связаны и каждый из них оказывает определенное влияние на конечный результат - процесс изнашивания и величину износа. Поэтому весьма важно найти пути оптимизации этих параметров, обеспечивающих применительно к процессу изнашивания получение наименьшей величины износа и, следовательно, увеличение срока службы, как отдельных деталей, так и машин и аппаратов в целом.

Публикуемые данные, справедливые только для ограниченных обстоятельств, оказываются часто противоречивыми. Одни и те же сплавы, проявляющие высокую износостойкость в одних условиях, оказывают слабую сопротивляемость изнашиванию в других. Многочисленные публикации производственно-технического порядка по износостойкости отдельных конкретных изделий ещё требуют дальнейшего анализа и обобщений.

Предпринимались неоднократные попытки оптимизации методами планирования эксперимента химического состава износостойкого металла. Однако при этом минералогический, гранулометрический, химический состав и прочностные характеристики изнашивающей среды, а также условия изнашивания (давление и температура) принимались постоянными и считались критериальными факторами, накладывающими определенные ограничения. Поэтому хотя целью поиска состава износостойкого материала, проведенного многими авторами, была максимальная износостойкость, химический состав, разработанный каждым из исследователей, получался существенно различным. При этом оптимизация проводилась вполне корректно в соответствии со всеми известными рекомендациями по планированию и обработке экспериментов [1,2]. Это вполне объяснимо, т.к. каждый из исследователей разрабатывал износостойкий материал для сугубо частных условий работы конкретной детали. Даже малейшие отклонения от одного из параметров этих частных случаев делает полученные рекомендации по химическому составу, свойствам сплава непригодными для использования их для других условий изнашивания и требуют нового цикла планирования эксперимента при тех же подходах к решению проблемы износостойкости. Поэтому задача получения оптимального состава износостойкого сплава имеет бесконечно большое количество решений, каждое из которых справедливо только для какой-либо одной детали из бесконечно большого количества реально существующих деталей, изнашиваемых в своих частных условиях при взаимодействии с конкретной изнашивающей средой.

К настоящему времени в отечественной и зарубежной научной литературе по износостойкости накоплен уже достаточно богатый экспериментальный материал, интересные и оригинальные научные разработки, которые могут служить базой для первых обобщений, и, по нашему мнению, могут быть полезными для специалистов, занимающихся как практическими, так и теоретическими проблемами износостойкости. Методология решения задачи износостойкости и прогнозирования ресурса износостойкости остается в сфере компетентности высококвалифицированных специалистов, работающих в этой предметной области, включающей сложную взаимосвязь различных факторов и явлений, учитываемых при постановке и решении такой задачи. Анализ большого числа работ в области износостойкости деталей машин показывает, что добытая авторами этих работ информация не является однозначно определенной, а вводимые критерии и ограничения могут быть точно не определены. Таким образом, необходима разработка четкого методического подхода к созданию модели оценки износостойкости на основе формализации некоторой базы накопленных знаний, позволяющих преодолеть барьер при обобщении знаний об износостойкости конкретных материалов в оговоренных условиях абразивного изнашивания.

Проработка предлагаемого подхода к изучению износостойкости возможна при комплексном системном подходе, включающего изучение общей трибосистемы по схеме: материал - условия изнашивания - изнашивающая среда.

Комплексное использование производственных и лабораторных методов изучения изнашивания, а также исследование изменений тонкой структуры металла в рабочем слое и аналитический расчет величины энергии, затрачиваемой на осуществление каждого из элементарных процессов в металле, составляющих акт изнашивания, помогут выявить те свойства сплава, которые в наибольшей мере контролирует его способность к сопротивлению разрушительной работы абразивов. Разработка модели изнашивания и количественная оценка каждого из явлений, предшествующих и сопровождающих разрушение поверхностного слоя металла, обусловливает более глубокое раскрытие природы сопротивления сплавов изнашиванию, позволит повысить эффективность упрочнения материалов для быстроизнашиваемых деталей и даст возможность полнее реализовать защитные силы металла и управлять его износостойкостью в заданных условиях эксплуатации.

Наиболее полно проблема изнашивания металлов и сплавов может быть решена при её использовании в комплексе, включающем:

1) Характеристику изнашивающей среды;

2) Внешние условия изнашивания давление, температура, характер силового и коррозионного воздействия;

3) Состав, структура и свойства изнашиваемого материала.

Попытки создать износостойкий материал без одновременного учёта всех параметров характеристики изнашивающей среды и внешних условий изнашивания в лучшем случае дают частное решение, пригодное только для одной конкретной детали. Это обстоятельство является причиной больших расхождений в оценке износостойкости практически одинаковых по составу и свойствам материалов, исследованных независимыми авторами, применительно к разным деталям.

Пока еще невозможно дать полное математическое описание физических закономерностей с учетом всех компонентов, определяющих износостойкость материалов в обобщенном виде с учетом множества различных факторов, которые необходимо принимать во внимание. Однако, данная концепция имеет самостоятельное значение, поскольку уточняет предметные представления об износостойкости и расширяет базу научных знаний трибологии, материаловедения и др. Поскольку в некоторых областях науки и техники, где требуется принятие решения на основе множества взаимосвязанных факторов, взаимное математическое описание влияния которых друг на друга отсутствует, допускают принятие решений, выраженное в нечеткой форме (нечеткие множества) [3 11].

Результаты исследования формирования состава, структуры и свойств износостойких сплавов, полученные с использованием современных методов, научного оборудования и оригинальных приборов, обеспечили достоверность приведенных в книге данных, подтвержденные при производственном использовании натурных деталей в течение длительной эксплуатации с года.

На основе научных результатов разработаны новые износостойкие сплавы, технология и режимы их нанесения, обеспечивающие более высокую работоспособность рабочих органов оборудования по сравнению со стандартными сплавами, ранее применявшимися для изготовления этих деталей.

Разработки существенно повышают эффективность, надёжность и ресурс работы оборудования.

Работа выполнялась на кафедрах "Оборудование и технология сварочного производства" и "Технологии металлов" Запорожского ордена "Знак Почета" машиностроительного института им.

В.Я. Чубаря, (ныне Запорожский государственный технический университет) и на Запорожском Областном Объединённом асфальтобетонном заводе.

Автор выражает свою благодарность д.т.н. профессору Брыкову Н.Н., к.т.н. доц. Гордиенко В.Н., к.т.н. доц. Шумилову А.А., д.т.н. проф. Волчку И.П., инж. Митяеву А.А. за помощь в организации проведения и внедрении результатов исследований.

Автор книги и ректорат Запорожского государственного технического университета выражают свою благодарность ОАО “Мотор - Січ” и лично геноральному директору д.т.н., проф. Богуслаеву Вячеславу Александровичу за помощь в организации ее издания.

1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ МАШИН Проблема повышения долговечности машин и оборудования является одной из актуальных народнохозяйственных задач. Борьба с преждевременным износом деталей оборудования имеет наибольшее значение в отраслях промышленности, добывающих и перерабатывающих минеральное сырьё.

Срок службы быстроизнашивающихся деталей определяет рентабельность многих дорогостоящих машин. Незапланированные остановки оборудования для замены изношенных деталей новыми, приводят к существенным потерям материалов, труда, финансовых ресурсов, связанных со снижением качества продукции, нарушением ритмичности процесса производства, необходимостью в специальном ремонтном персонале. Все это является причиной колоссальных непроизводственных затрат, которые снижают эффективность народного хозяйства.

Современные тенденции интенсификации производственных процессов, увеличения рабочих давлений, скоростей, температуры приводят к ускорению изнашивания деталей, и в сочетании с необходимостью автоматизации производства, делают проблему повышения долговечности быстроизнашиваемых узлов машин ещё более острой.

К сегодняшнему дню человек выплавил 20 млрд. тонн железа. Всего мировой металлофонд в сооружениях, машинах и механизмах составляет 6 млрд. тонн, таким образом 14 млрд. тонн деталей и машин в целом, изношены и "съедены" ржавчиной. Средняя продолжительность жизни стальных изделий, находящихся в употреблении, составляет 15 лет [9].

Поиски износостойких металлов и сплавов весьма широкая, специфичная и наукоёмкая область инженерной деятельности, требующая обширных знаний о процессах, происходящих в рабочей поверхности изнашиваемой детали под воздействием изнашивающих сред в условиях эксплуатации.

Только четкие представления о свойствах, контролирующих способность сталей и сплавов к сопротивлению их рабочего слоя разрушению в процессе изнашивания, помогут сформулировать требования к износостойким материалам и выработать конкретные меры, обеспечивающие работоспособность деталей и увеличение срока их службы.

По результатам исследования износостойкости материалов в технической литературе имеется много публикаций. В большинстве из них содержатся сведения о конкретных материалах, изучаемых в конкретных условиях эксплуатации. Поэтому публикуемые данные, справедливые только для ограниченных обстоятельств, оказываются часто противоречивы. Одни и те же сплавы, проявляющие высокую износостойкость в одних условиях, оказывают слабую сопротивляемость изнашиванию в других. Многочисленные публикации производственно-технического порядка по износостойкости отдельных конкретных изделий ещё требуют дальнейшего анализа и обобщений.

Комплексное использование производственных и лабораторных методов изучения изнашивания, а также исследование изменений тонкой структуры металла в рабочем слое и аналитический расчет величины энергии, затрачиваемой на осуществление каждого из элементарных процессов в металле, составляющих акт изнашивания, помогут выявить те свойства сплава, которые в наибольшей мере контролирует его способность к сопротивлению разрушительной работы абразивов. Разработка модели изнашивания и количественная оценка каждого из явлений, предшествующих и сопровождающих разрушение поверхностного слоя металла, обусловливает более глубокое раскрытие природы сопротивления сплавов изнашиванию, позволит повысить эффективность упрочнения материалов для быстроизнашиваемых деталей и даст возможность полнее реализовать защитные силы металла и управлять его износостойкостью в заданных условиях эксплуатации.

Наиболее полно проблема изнашивания металлов и сплавов может быть решена при её использовании в комплексе, включающем:

1) Характеристику изнашивающей среды;

2) Внешние условия изнашивания - давление, температура, характер силового и коррозионного воздействия;

3) Состав, структура и свойства изнашиваемого материала.

Попытки создать износостойкий материал без одновременного учёта всех параметров характеристики изнашивающей среды и внешних условий изнашивания в лучшем случае дают частное решение, пригодное только для одной конкретной детали. Это обстоятельство является причиной больших расхождений в оценке износостойкости практически одинаковых по составу и свойствам материалов, исследованных независимыми авторами, применительно к разным деталям.

2. ИЗНАШИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Повышение износостойкости деталей машин возможно на основе достоверной информации о механизме разрушения металлов абразивными телами, знания процессов, происходящих в изнашиваемом слое под воздействием абразивов.

Изучение характера этих процессов и оценка их удельного вклада в сопротивляемость изнашиванию позволяет определить те свойства сплава, которые в набольшей мере контролируют его способность противостоять разрушению при взаимодействии с абразивами и сформулировать требования к составу и структуре износостойкого материала.

Особенность абразивного изнашивания состоит в том, что прямое разрушение поверхностного слоя металла в каждый данный момент времени составляет незначительную часть от числа контактов абразивных тел с рабочей поверхностью детали. Результат взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью сопровождается сопутствующими процессами -выделением тепла, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое, структурными превращениями и т. п..

Сложность явлений, протекающих в зоне контакта абразивного тела и испытуемого материала в процессе каждого единичного акта изнашивания, обусловлена большим числом факторов, зависящих от условий испытания и комплекса свойств сплавов и абразивных частиц. Накопленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при любых видах изнашивания в металле происходят процессы, непосредственно связанные с упрочением и разупрочнением поверхностного слоя.

Для глубокого понимания сущности абразивного изнашивания необходимо всестороннее изучение большого числа факторов, определяющих интенсивность изнашивания и выбор наиболее рациональных путей повышения долговечности деталей машин, эксплуатирующихся в абразивной среде. Выявление влияния на износостойкость каждого из этих факторов возможно лишь при использовании смежных наук – триботехники, физико-химической механики материалов, физики твёрдого тела, металловедения и термической обработки, а также технологии производства и особенностей эксплуатации машин.

За последние годы знания о природе и особенностях механизма изнашивания материалов значительно расширились благодаря применению при исследовании совершенных методик и средств изучения изменений, происходящих в поверхностных слоях изнашиваемого материала, установлению связи между характером взаимодействия твердых тел в зоне контакта и реальным строением поверхностного слоя металла. В любом случае при всех условиях процесс изнашивания осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы, в частности законом сохранения энергии. Для того, чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро или макро объем нужно затратить энергию, по крайней мере, равную величине энергии, необходимой для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно величине энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле в виде скрытой энергии деформации при взаимодействии с изнашивающей средой. При этом происходит разрыв межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решётки от другой и образованию новых поверхностей. Эти явления требуют для своего осуществления определённых энергических затрат и могут осуществляться, если металлу сообщено необходимое её количество.

Если пренебречь расходом энергии на трение, тепловой эффект и процессы, происходящие в самом абразивном зерне, то разрушение станет возможно только тогда, когда рабочая поверхность будет насыщена энергией, достаточной для осуществления в рабочем слое указанных выше необратимых процессов, а также зарождения и развития трещин. Количество рабочих циклов изнашивания, необходимое для накопления в металле энергии, достаточной для разрушения, составит:

m = Ем/Еа (2.4) Количество энергии, поглощаемой рабочей поверхностью и в значительной степени определяющей способность к сопротивлению изнашиванию абразивными телами, зависит от энергоёмкости процессов, протекающих в металле при взаимодействии с абразивами.

2.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ Изнашивание - основной фактор, ограничивающий срок службы оборудования, работающего в самых различных условиях. Начиная с 1939 года, предложено несколько классификаций видов изнашивания, в каждой из которых абразивное изнашивание выделено в особый вид, имеющий чётко выраженные признаки. Классификация изнашивания может быть произведена по признакам, относящимся к условиям службы деталей или к результату изнашивания-износу или же к явлениям и закономерностям в процессе изнашивания. Типовые условия службы деталей машин, работающих на изнашивание, в классификации, предложенной М.М. Хрущевым, включают в себя:

1) вид тела, изнашивающего деталь;

2) вид трения;

3) вид изнашивания.

Стандартной терминологии в области трения и изнашивания пока нет. Хрущевым М.М. и Бабичевым М.А. в работе [10] предложены следующие определения:

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности материала и его остаточной деформации.

Износ - результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации металла.

Линейный износ - износ, определяемый по уменьшению размера по нормали к поверхности трения.

Скорость изнашивания - отношение величины износа ко времени, в течении которого он возник.

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объёму выполненной работы.

Относительная износостойкость - безразмерный показатель, характеризующий соотношение абсолютных величин износа двух материалов, из которых один принят за эталон.

Обычно вид изнашивания определяется условиями службы деталей. Однако в ряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатации могут соответствовать различные виды изнашивания.

По признаку основных явлений, обусловливающих эффект изнашивания, различные его виды можно объединить в следующие три главные группы: механический, молекулярно-механический и коррозионно-механический.

Основную группу механического вида изнашивания составляет абразивное изнашивания, т.е.

изнашивание поверхности детали в результате режущего или царапающего действия твёрдых частиц. Механизм этого вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо фрагментов металла выдавленного предварительно по сторонам пластически деформированной царапины, либо в виде дисперсных частиц, хрупко отделяющихся при однократном или многократном воздействии.

Абразивное изнашивание характерно для очень большого числа машин и механизмов, работающих в самых разнообразных условиях, когда рабочие органы оборудования непосредственно соприкасаются добываемыми, транспортируемыми и перерабатываемыми горными породами, режут грунт или почву, а также в случаях, когда твердые частицы, увлекаемые потоком воды, воздуха, газов со значительной скоростью ударяются о металлические детали.

Абразивный износ выделяется в самостоятельный вид и характеризуется как наиболее интенсивный процесс разрушения материалов. Следует отметить, что классификационные признаки пока твердо не установлены и эти классификации существенно отличаются друг от друга. В процессе абразивного изнашивания металл и поверхностные слои испытывают сложнонапряженное состояние. При этом воздействие абразивов, вдавливаемых в рабочую поверхность и затем перемещающихся относительно её, характеризуется неравномерностью распределения по поверхности и сосредоточенностью в местах контакта с абразивными телами. Площадь соприкосновения каждого абразива с деталью может быть соизмерима с величиной зерна металла.

В этих условиях механические и физические свойства структурных составляющих приобретают большее значение, чем общие свойства сплава, определяемые стандартными методами [10].

Для абразивного изнашивания при трении скольжения по монолитному абразиву характерно высокое внешнее силовое воздействие на поверхность металла. В этих условиях не все частицы абразива в виде выступов и неровностей способны разрушать металл путем микрорезания или многократного пластического деформирования: часть из них разрушается не поражая металла, но создавая предпосылки к ухудшению условий изнашивания рабочей поверхности деталей.

Интенсивность изнашивания металла при трении о монолитный абразив определяется соотношением их прочностных характеристик. Высокие значения твердости и прочности абразива определяют его способность внедряться в металл и разрушать его путем резания или сжатия при взаимном перемещении. Если металл более твердый и прочный - разрушается абразив.

В механизме абразивного изнашивание велика роль не только твердости и прочности, но и устойчивости исходных структур при нагреве.

Усталостное изнашивание осуществляется при повторных достаточно высоких напряжениях испытываемых одним и тем же объёмом материала поверхности, особенно при чередовании знака напряжения. В результате в нём возникают микротрещины, приводящие к местному поверхностному разрушению, выкрашиванию в виде ямок. Этот вид изнашивания проявляется только через некоторый период работы детали. К этому виду изнашивания приводит и малоцикловая усталость, возникающая при повторных пластических деформациях одних и тех же объёмов металла.

Основным видом молекулярно-механического изнашивания является адгезионное изнашивание, заключающееся в "схватывании" металлов при трении в результате переноса металла с одной на другую и вырывания частиц с поверхности одной детали и налипания или наволакивания их на сопряжённую. Это обычно приводит к появлению на поверхности рисок и задиров, заеданию сопряжённых деталей, сопровождаемому повреждением поверхности. В этих случаях проявляется молекулярное взаимодействие между тесно сближенными поверхностями деталей. Необходимое условие для схватывания - это приведение в непосредственное соприкосновение "ювелирных" поверхностей, которые возникают в процессе совместного пластического деформирования.

К разновидности такого вида изнашивания относят и схватывание при нагреве поверхностных участков трущихся тел, что происходит в процессе трения с большими скоростями и значительными удельными давлениями. При этом изнашивание осуществляется за счёт образования металлических связей между трущимися деталями, приведёнными в достаточно тесное соприкосновение до сферы действия межатомных сил. Для этого участки поверхности должны быть, как и в случае "чисто адгезионного" изнашивания, свободны от разного рода плёнок, оксидов и адсорбированных веществ.

Коррозионно-механическое изнашивание - это механическое изнашивание, осложнённое явлениями коррозии. Поверхность металла, вступая во взаимодействие с кислородом воздуха, образует оксидную плёнку, которая в силу её неметаллической природы не способна к схватыванию и в начальный момент изолирует поверхности сопряжённых деталей от тесного соприкосновения. При трении оксидные плёнки постепенно истираются или, отрываясь, удаляются с поверхности контакта. Затем такая плёнка образуется вновь, снова разрушается при трении и таким образом изнашивание представляет собой удаление непрерывно возобновляющихся оксидных плёнок.

Усиление изнашивания при трении происходит в случае наличия агрессивных сред.

Фреттинг - коррозия - особый вид изнашивания мест сопряжённых деталей, находящихся под нагрузкой, возникающей при очень малых повторных относительных перемещений (например, при продольных вибрациях).

Кавитационное изнашивание происходит в потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, в участках сильно пониженного давления, например, при обтекании препятствий, когда возникают при некоторых условиях местные разрывы сплошности с образованием каверн. Попадая с потоком в область более высокого давления, каверны захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с большой скоростью ударяется в стенку. Многократные повторные удары жидкости по одному и тому же участку металла (каверны возникают и захлопываются периодически, иногда с большой частотой) приводят через некоторое время к его местному разрушению, образованию углублений.

На практике редко встречаются случаи изнашивания по какому-либо одному из видов, или по другим вариантам классификации, известным из литературы [11,176]. Обычно изнашивание осуществляется в сложных реальных условиях и по любой из известных классификаций может быть отнесено к нескольким из выделенных видов 2.2 ИЗНАШИВАЮЩАЯ СРЕДА.

В общей схеме единой системы, определяющей процесс изнашивания: изнашивающая среда - условия изнашивания - изнашиваемый материал (сталь или сплав) нельзя выделять любой из этих трёх звеньев как наиболее важный. Влияние каждого из них одинаково существенно.

Поскольку результат совместного и одновременного участия всех этих трёх компонентов в общем процессе проявляется на стали или сплаве, из которых изготовлена деталь, естественно, исследователи при анализе изнашивания главное внимание уделяли рабочим органам машины или агрегата, вышедшим из строя по причине износа. Исходя из этого, основные усилия в области повышения износостойкости и срока службы машин были сосредоточены на поиске таких сталей и сплавов, которые обладали бы наибольшей способностью к сопротивлению изнашиванию. При этом подразумевалось, что другие два равноправных компонента процесса изнашивания:

изнашивающая среда и условия изнашивания, являются величинами постоянными.

Разработанные новые или подобранные, среди существующих при таком подходе, износостойкие материалы в иных условиях оказывались менее износостойкими или даже вообще не износостойкими. Литературные источники в области изнашивания содержат много сведений с весьма неоднозначными, а часто и противоречивыми оценками износостойкости одних и тех же материалов. Это явилось следствием подхода к исследованию изнашивания, ориентированного на одну конкретную деталь, а не вид изнашивания. Поэтому среди тех критериев, по которым выбирается химический и структурный состав стали или сплава для изнашиваемой детали и оценивается её износостойкость, обязательно должны учитываться количественно или хотя бы качественно все три компонента процесса изнашивания.

2.2.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗНАШИВАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Изнашивающая среда вне зависимости от её состава, формы и размеров - это в общем виде контртело или набор контртел, которые в процессе воздействия на рабочую поверхность детали приводят к её повреждению. При этом в поверхностных слоях стали или сплава происходят сложные многофакторные явления, включающие микро и макро деформации, происходит отделения микро и макрообъемов сплава в виде микростружки;

на поверхности появляются углубления в виде канавок и царапин, некоторая часть микрообъёмов выдавливается в более поверхностное положение по краям канавок с образованием "навалов", которые при последующих рабочих циклах удаляются с поверхности и эти процессы непрерывно возобновляются. Роль изнашивающей среды в этом процессе достаточно значительна. Это то, что изнашивает.

Механизм изнашивания может быть существенно различным в зависимости от характеристики изнашивающей среды - это монолит или закреплённый абразив либо незакреплённый абразив в составе перемешиваемой массы в наполнителе определённой вязкости. Большое значение имеет физико-механические свойства отдельных гранул абразива, особенно их твёрдость и прочность, форма и размер гранул [256-258].

Абразивная способность изнашивающей среды зависит от её состава и степени закреплённости в ней абразивных частиц, отражающей агрегатные состояние этой среды. Способность абразивного зерна создавать напряжения в месте контакта с рабочей поверхностью зависит как от микротвердости абразива, так и его прочности и величины нормальной нагрузки [177,189-191].

На высокопрочных скальных породах украинских месторождений гранитов (Gсж=32000 Н/см2) брони дробилок ЩДП 12?15 за 1 месяц работы полностью изнашиваются, выдерживая до ударов большой силы. За год эксплуатации на уральском месторождении известняка брони дробилок выдерживают более 109 циклов ударно-абразивных воздействий при 50% износе толщины брони [196].

Изнашивание в незакреплённой массе абразива довольно часто встречающееся явление при работе строительно-дорожной техники, агрегатов асфальтосмесителей и др.

Природа абразива, его химический состав, механические свойства в значительной мере определяют характер изнашивания и его интенсивность. Исследованию закономерностей, проявляющихся при взаимодействии металлов и сплавов с различными абразивными материалами, посвящено немало работ [181-184].

Качественная картина изнашивания отражает характер взаимодействия детали и абразива, величину и схему внешнего силового воздействия, соотношение прочностных свойств металла и абразива.

Высоким значением твердости и прочности абразива соответствует его высокая способность к внедрению в рабочую поверхность детали и разрушению металла при их взаимном перемещении.

Если металл более твёрдый и прочный, чем абразив - разрушится абразив и, следовательно, изнашивание за данный цикл не происходит.

Образование на рабочей поверхности детали царапин, канавок, локальных углублений свидетельствует о том, что твердость и прочность абразива превосходит соответствующие свойства металла и, как результат этого, происходит срез микрообъёмов металла, его деформирование, образование лунок и углублений и вытеснение в "навалы" по краям царапин на пути движения абразивной частицы.

Горные породы, в частности такие компоненты асфальтовых смесей как гранит, характеризуется ограниченной пластичностью - их способность к некоторой деформации проявляется лишь при всестороннем сжатии, которое в практических условиях изнашивания не наблюдается. При обычных для изнашивания в абразивной массе одноосном сжатии абразивных частиц при взаимодействии с рабочими органами машин большое значение имеют модуль упругости, предел прочности на сжатие. Поэтому изнашивающая среда в условиях изготовления асфальтовых смесей подвергалась подробному исследованию.

2.2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ И ЭНЕРГИИ ИХ РАЗРУШЕНИЯ Материалы, перемешиваемые в асфальтосмесительной установке, являются той абразивной средой, взаимодействие с которой приводит к изнашиванию рабочих органов машины. Интенсивность разрушения рабочей зоны лопатки и броневой футеровки смесителя зависит от положения частицы на поверхности трения в процессе их относительного перемещения, а также от размеров, формы и физико-механических свойств самой частицы в частности: твёрдости и прочности. В работах, посвященных исследованию свойств абразивных тел и зависимости от них изнашивания металлов [11,30,228,253-255] установлено, что величина удельного износа у стали со стабильной структурой возрастает с повышением размеров абразивных зерен (рис. 2.1). В тоже время для сплавов с метастабильным аустенитом эта зависимость существенно нарушается. При этом изменяется и характер зависимости и величина удельного износа.

Анализ характера изменения содержания аустенита и микротвердости изношенной поверхности в зависимости от размера зерен абразивных масс (см. рис. 2.1) показывает их четкую взаимосвязь - степень упрочнения рабочей поверхности метастабильных сплавов является следствием полноты превращений в процессе изнашивания и сопутствующих этим превращением глубоких изменений физико-химических свойств. Следовательно, для сплавов с метастабильным аустенитом уменьшение, постоянство или незначительное повышение интенсивности изнашивания с ростом размера абразивных частиц, (рис.2.2) является результатом того, что возрастающая абразивность масс с изменением зернового состава компенсируется более глубоким ?>? превращениями, приводящими к упрочнению поверхности и увеличению сопротивляемости изнашиванию.

При достаточно малых размерах абразивных зерен их способность производить микрорезание и пластическое деформирование снижается [252]. В поверхностных слоях возникают незначительные деформации и, как следствие, ?>? превращения протекают не полно, а упрчнение не достигает предельного значения.

С ростом величины зерен абразивной массы увеличиваются напряжения, возникающие в зоне контакта частиц и поверхности металла, и изнашивание происходит в основном за счет микрорезания и пластичного оттеснения. При этом происходит расширение зоны пластической деформации, повышается полнота мартенситных превращений и степень упрочнения изнашиваемой поверхности.

Таким образом, потенциальные возможности метастабильных сплавов наиболее полно реализуются при изнашивании деталей в абразивных массах с прочными частицами размером более 50 мкм, твердость которых ниже или равна твердости поверхности металла, упрочненной в процессе изнашивания [228].

Микротвёрдость абразивного материала является одним из основных факторов, определяющих характер и интенсивность изнашивания поверхности трения. Для возможности измерения микротвердости гранитных частиц их смешивали с мастикой АКР-7 и полученную смесь заливали в цилиндрические формы.

Рисунок 2.3- Микрошлиф для определения микротвердости гранитных зерен После 24-х часовой выдержки изготавливали микрошлиф таким образом, чтобы на его поверхности находилось достаточное количество гранитных частиц (рис. 2.3), микротвердость которых измерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н. Химический состав гранита. ЅiO-69...73%, Аl -16...18%, СаО-1,75...26%, Fе2O3 <3,4%, Р<0,10%, S<0,015%.

В работе Хрущёва М.М. и Бабичева М.А. [11] подробно исследовалось абразивное изнашивание в зависимости от соотношения твёрдости абразива и металла. Изнашивание происходит только тогда, когда твёрдость абразива выше твёрдости металла, причём эта зависимость имеет сложный характер (рис. 2.4). В области 1 при твёрдости абразива значительно ниже твёрдости металла изнашивание практически не происходит. В области 2 износостойкость металла существенно снижается до определённой величины и в области 3, где твёрдость абразива существенно выше твёрдости металла, его относительная износостойкость не зависит от этого соотношения. Таким образом величина отношения твёрдости контактирующих тел - абразива и металла определяет износостойкость последнего. При изменении твёрдости абразива существенно изменяется износостойкость.

В соответствии с анализом влияния соотношения твёрдостей абразива и металла на изнашивание, проведенном В. Н. Виноградовым и Г. М. Сорокиным [181], границы областей на рисунке 2.4.

характеризуют "критические" условия изнашивания. В первой области при На/Нм менее 0, относительная изнашивающая способность абразива равна нулю и явного разрушения поверхности металла не происходит. Во второй области, ограниченной пределами от 0,7 до 1,3... 2,2, заметно разрушение металла частицами абразива путём микрорезания, пластического деформирования в зависимости от схемы силового воздействия. В третьей области, охватывающей отношение твёрдостей абразива и металла Нн/НM выше 1,3... 2,2, изнашивающая способность абразива постоянна независимо от отношения На/НM.

Рисунок 2.4- Зависимость относительной износостойкости от отношения твердостей абразива и металла [11].

В более поздней работе этих авторов [229] приводятся уточненные данные (рис. 2.5) о зависимости износостойкости сталей от соотношения твердости абразива и металла.

Рисунок 2.5- Зависимость износостойкости от отношения твердостей абразива и металла [229] При твердости абразива меньше твердости металла изнашивание не происходит, так как абразив не внедряется в металл. Изнашивание начинается, когда твердость абразива примерно равна твердости металла. При отношении твёрдостей абразива и металла выше 5,5 повышение твердости абразива не сопровождается увеличением износа. Таким образом, абразив, твердость которого превышает твердость металла более чем в 5 раз, не влияет на величину износа.

Однако такая зависимость не всегда соблюдается. В этой же работе Хрущёва М.М. и Бабичева М.А.

приводятся данные о существенно различной износостойкости сталей различного химсостава при одинаковой твёрдости. Отношение твёрдостей абразива и металла имеет лишь ориентировочное значение, поскольку процесс изнашивания характеризуется огромным многообразием условий взаимодействия рабочей поверхности детали и изнашивающей среды, которые не воспроизводятся при стандартных испытаниях механических свойств. При изнашивании рабочих органов смесителей перемешивающих массу, содержащую щебень, происходит увеличение зазора между броневым листом и лопатками ротора. В этом зазоре защемляются абразивные частицы, которые при повороте вала с лопатками, должны либо повредить контактную поверхность, что и составляет акт изнашивания, либо разрушатся сами, следовательно, изнашивание за данный цикл не происходит.

В этих условиях существенную роль приобретает прочность абразивных зёрен. Экспериментальное определение прочностных свойств абразивных зёрен представляет значительные трудности в связи с тем, что они имеют неправильную геометрическую форму и различную остроту граней.

Основными компонентами асфальтобетонных смесей являются щебень, песок и битум. По гранулометрии (рис. 3.3) асфальтобетон подразделяют на крупнозернистый - наибольший размер зёрен до 40 мм;

среднезернистый - до 20-25мм;

мелкозернистый - до 10-15 мм;

песчаный - до 5 мм [12].

На износостойкость рабочих кромок лопаток, работающих в условиях абразивного изнашивания, прежде всего влияет абразивность щебня - форма, прочность и твёрдость его частиц.

Веллингер К. и Уэтс Н. показали, что разрушение материала абразивными частицами существенно зависит от их микротвёрдости и прочности [25]. В работах [26-28] отмечено, что при одинаковой твёрдости абразивность частицы определяется её прочностью. Влияние твёрдости абразива на износостойкость можно оценить, используя коэффициент Кт=На/НM [11,29,30], где На - твердость абразивных зёрен, а Н?- твёрдость металла.

В дорожном строительстве в зависимости от назначения асфальтобетонного покрытия используют прочные морозостойкие магматические, метаморфические и осадочные горные породы, а также медленно охлажденные металлургические шлаки. Прочность при сжатии используемых горных пород находится в пределах 10-14 ГПа, а осадочных карбонатных пород и металлургических шлаков-8-10 ГПа. Изверженные горные породы (гранит, диобазы, бальзаты и др.) обладают большой прочностью 10-35 ГПа и, как правило, имеют высокую твёрдость (5-7 баллов по шкале Мооса) [17]. Наибольшее применение для приготовления битумоминеральных смесей получили граниты (таб. 2.1) - глубинные породы с ярко выраженной зернистой кристаллической структурой, которые состоят из полевых шпатов, слюды и железисто-магнезиальных силикатов. При выборе щебня, используемого для изготовления асфальтобетона (см. рис. 2.6), стремятся, чтобы форма зёрен приближалась к тетраэдрной и кубовидной, что обеспечивает большую прочность и долговечность покрытия.

По данным исследований [19], в наибольшей степени на срок службы лопаток влияет прочность частиц. В работе показано, что эта зависимость может быть выражена уравнением регрессии 1-го порядка:

Тр.ср. = 78, 08-5,44 Gсж, (2.6) где Тр.ср. - средний ресурс лопатки в тыс. тонн выпущенной смеси;

Gсж - предел прочности на сжатие частиц гранита в ГПа.

Зависимость срока службы лопатки от диаметра абразивных частиц имеет следующий вид: Тр.ср. 38,84-1,11Dср, (2.7) где Dср - средний диаметр зёрен гранита, мм.

Анализ приведённых уравнений показал, что увеличение диаметра и прочности частиц вызывает снижение срока службы лопаток смесителя, что, с одной стороны, связано с повышением абразивности перемешиваемого материала, а, с другой, обусловлено ростом энергии разрушения зёрен при заклинивании их в зоне радиального зазора. Однако уравнения регрессии (2.6) и (2.7) построены без учёта влияния радиального зазора, размер которого в значительной степени определяет величину энергии, необходимой для дробления частиц, а, следовательно и срок службы лопаток асфальтосмесителей.

Битумы - являются одним из наиболее распространённых видов вяжущих материалов, применяемых при производстве дорожных покрытий.

Примерная массовая доля битума, %: масла - 40-60, смолы - 20-40, асфальтены - 10-25, карбоны и карбоиды - 1-3, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды -1.

Битумы являются органическими защитными плёнками [12] и применяются также для защиты металлов от коррозии. Химическое взаимодействие битумов с абразивными материалами приводит к образованию на границе раздела фаз новых химических соединений. Химоадсорбционные процессы возникают при объединении минеральных материалов из карбонатных и основных горных пород с битумами, содержащими поверхностно-активные вещества (нафгеновые, асфальтогеновые кислоты и т.д.). Между известняком и битумом происходит реакция с образованием кальциевых мыл:

CаСО3 + 2RСООН>Са(RСОО)2 + Н2СО3.

Образующаяся плёнка этого соединения не растворима в воде и обладает высокими коррозионно защитными свойствами. Таким образом, наличие битумной фазы не только не вызывает коррозию металла, а напротив защищает поверхность деталей от окисления. В тоже время, практически неизвестно какой вклад вносят битумы в механизм разрушения поверхности трения, как влияют на процесс деформационного упрочнения.

Исходя из этого мы не пытались хоть бы качественно оценить влияние жидких прослоек, в частности, битума на процесс изнашивания деталей асфальтосмесителя. Учитывая сложность всех обстоятельств взаимодействия изнашивающих сред с рабочей поверхностью детали через пограничный слой жидкости необходимы некоторые допущения и упрощения (абразивная частица принимается сферической формы, а контакт осуществляется на неподвижную поверхность под углом 90°).

Значение скорости сближения V ударяемой частицы с изнашиваемой поверхностью можно найти через начальную скорость удара, исходя из условий движения частицы:

т - масса ударяемой частицы;

Р - сила, возникающая в слое жидкости, которая тормозит частицу.

Для определения этой силы рассмотрим уравнение движения вязкой жидкости уравнение Навье - Стокса [261].

где: p- плотность жидкости;

-вязкость жидкости;

- вязкость 2-го рода;

Р - давление;

U - скорость движения.

Если жидкость несжимаема, то, а следовательно и последний член уравнения Навье - Стокса равен нулю.

В нашей задаче движение жидкости асимметрично, поэтому выбираем цилиндрическую систему координат. Если слой жидкости тонкий, то движение в основном радиально (2.7) После соответствующих преобразований получим выражение для величины силы, действующей на абразивную частицу радиусом R:

(2.8) где: h - толщина слоя жидкости между частицей и изнашиваемой поверхностью;

– вязкость жидкости.

Подставив величины для каждого из членов, входящих в формулу для определения силы Р, тормозящей движения абразивной частицы при внедрении в изнашиваемую поверхность для нашего случая изнашивания лопаток асфальтосмесителя:

U - скорость движения абразивной частицы в начальный момент соударения с поверхностью детали м/с;

- вязкость битума;

R - радиус абразивной частицы, (R?5мм);

h - толщины слоя жидкости между абразивной частицы и изнашиваемой поверхности (принимаем равной 2R);

h=10мм;

получим:

Влияние этой силы связано с эффектом торможения, которое возникает при прохождении абразивной частицы через пограничный слой битума и таким образом снижает рабочее давление абразива на изнашиваемую поверхность. Это явление в принципе должно способствовать снижению величины износа.

Однако абсолютное значение величины силы, тормозящей битумом движения абразивной частицы при ее внедрении в изнашиваемую поверхность, незначительно и по нашему мнению практически мало влияет на величину износа.

Микрорельеф рабочей кромки лопатки со следами деформации поверхностного слоя после эксплуатации (см. рис. 2.7) свидетельствует о том, что основной вклад в процесс разрушения металла вносит абразивное изнашивание. Кроме того, наличие большого количества рисок и царапин указывает на то, что в данных условиях главным образом происходит одноцикловый и малоцикловый характер разрушения металла [30], который определяет высокую интенсивность изнашивания лопатки.

Размер абразивных зёрен играет заметную роль в изнашивании сплавов, хотя это влияние размера неодинаково при разных схемах нагружения (трение скольжения по монолитному абразиву, удар по слою незакреплённого абразива, движение в абразивной массе), при достижении определенного размера абразивных частиц интенсивность изнашивания не изменяется [181].

При постоянной твёрдости металла твёрдость и размер абразивных частиц влияют на изнашивание только до определённого значения этих показателей и затем остаётся на одном уровне при всех схемах внешнего силового воздействия.

Таким образом, выявляется существование некоторого предельного уровня роста, интенсивности изнашивания сталей за счёт изменения твёрдости абразива (рис. 2.4). Однако при размере абразивных тел до этого предельного уровня их влияние на процесс изнашивания может сказываться весьма заметно.

Прочность абразивных частиц может колебаться в широких пределах в зависимости от их природы.

Например, прочность обычного кварца, входящего в состав большого числа сложных абразивных материалов, на раздавливание составляет 2100 Н/мм2 [198].

Эффект разрушения поверхности трения в значительной степени определяется прочностью абразивной частицы. При этом износ металла возможен в том случае, если до возникновения разрушающих напряжений в самой частице, она успевает деформировать некоторый объём материала или даже вызвать отделение его от поверхности.

Ранее разработанные методики определения прочности абразивных частиц [25,129] отличаются большой погрешностью при фиксировании момента разрушения зёрен (по треску). Прочность абразивных материалов по методике ВНИИАШ [128] определялась процентным отношением массы зёрен, сохранивших свой первоначальный размер после приложения нагрузки, к массе установленной исходной навески.

Для определения энергии разрушения гранитных частиц нами была разработана методика и усовершенствована установка [130], состоящая (рис. 2.8) из основания 1, на котором расположены две металлические стойки 4, поддерживающие качающийся на оси маятник 6. Регулировка радиального зазора осуществляется с помощью регулировочных пластин 2. Для проведения испытаний маятник массой Q с длиной L поднимают на высоту Н (угол отклонения от вертикали – ?1), закрепляют и устанавливают на циферблате 5 стрелку на нулевую отметку. В этом положении маятник обладает известным запасом потенциальной энергии Ат = Q-Н, где Н = L-cos 1. Затем маятник освобождают и он в свободном падении наносит удар по абразивной частице 3 и разрушает её. На это расходуется часть энергии. Другая ее часть поднимает маятник на некоторую высоту h. Угол ( 2 определяют по шкале 5).

Оставшаяся энергия А2 = Q-h, где h = L-cos Количество энергии, затраченное на разрушение абразивной частицы, вычислялось (в Дж) по формуле:

А=А1-А2=Q(Н-h);

А=QL(cos 2-cos 1) (1.7) Отбор зёрен для определения энергии разрушения проводили по методике [131]. Из общего количества зёрен отбирали только те, которые по параметрам (высота граней, угол заклинивания ?) подвержены заклиниванию и дроблению. При испытаниях каждое единичное зерно подвергалось ударному воздействию один раз.

Результаты этих испытаний показывают, что прочность абразивных зёрен в большей степени, чем твёрдость могут служить критерием для выбора износостойких сталей, предназначенных для работы в абразивной среде, соответствующей условием характеристики лопаток асфальтосмесителей.

1.3 УСЛОВИЯ ИЗНАШИВАНИЯ.

Понятие условия изнашивания охватывает характер, величину внешнего силового воздействия, температуру, при которой должна происходит изнашивание и степень коррозионности среды. При этом должна учитываться как рабочая температура нагрева по условиям эксплуатации оборудования, так и та температура, которая возникает в локальном объеме металла в результате единичного взаимодействия с абразивной частицей в месте их контакта. Условия абразивного изнашивания, естественно влияют как на собственно механизм, так и интенсивность изнашивания.

Это проблема изучалась в ряде работ [185-188]. Реальные условия изнашивания весьма многообразны и в работах по этой проблеме исследователи рассматривают очень важные, но частные факторы.

Одной из составляющих условий изнашивания является влажность изнашивающей среды, или наличие охлаждающих сред, которые могут существенно изменить износостойкость сталей, сплавов и упрочняющих покрытий [177]. Немаловажное значение может иметь химическая природа изнашивающей среды и изнашиваемого материала в месте их взаимодействия, которая может в значительной степени повлиять на начальный химический состав контактирующих металла и абразива за счет окружающей атмосферы и воздействия температуры, возникающей в зоне трения [184,192,193].

В процессе взаимодействия абразивных тел с поверхностью детали работа упругой деформации в местах каждого единичного контакта полностью переходит в теплоту. Хотя контактная температура в локальных объемах может достигать значительных величин, теплота быстро отводится в холодные объемы металла и изнашивающей среды в соответствии с их теплопроводностью.Температура нагрева рабочей поверхности оказывает весьма важное влияние на износостойкость металлов и сплавов. Так например, термическая обработка, закалка высокохромистых сталей типа Х12 с высоких температур, обуславливает получение в структуре большого количества остаточного аустенита (80%). Известно, что остаточный аустенит такого типа в сталях под воздействием внешней нагрузки может превращаться в мартенсит деформации [194].

Характер зависимости мартенсита деформации при изменении напряжений иллюстрируется (рис.1.9). При этом существует некоторая минимальная величина напряжений – Gm, с которой начинается образование мартенсита деформации. Изучение влияния температуры изнашиваемой детали на сопротивление сплавов воздействию изнашивающих сред посвящено достаточно много работ [158,228-236].

Рисунок 2.9- Мартенситная кривая характеризующие образование мартенсита деформации [194] Исследовались как случаи общего нагрева деталей до различных рабочих температур, при которых происходит изнашивание, так и локального нагрева в результате контактного взаимодействия изнашиваемой поверхности с отдельным абразивным зерном. Как показано в исследованиях [158,228] износ деталей при нагреве до температуры начала мартенситных превращений существенно различен. У сталей со стабильной структурой, не чувствительной к упрочнению в процессе изнашивания и сталей с нестабильной структурой, в которой происходят структурные превращения под воздействием абразивных тел.

Установлено, что упрочнение, полнота протекания превращений и износостойкость сплавов с остаточным метастабильным аустенитом в большей мере зависят от температуры испытаний (табл. 1.2). Так при увеличении температуры от комнатной до 250°С величина удельного износа возрастает в два раза (рис.1.10).

Максимальный уровень износостойкости метастабильных сплавов получен при испытании без подогрева, когда упрочнение стали происходит наиболее полно. Явление резкого снижения износостойкости сплавов со структурой остаточного аустенита при увеличении температуры очевидно связано со стабилизацией - фазы и снижением за счет этого упрочнения изнашиваемой поверхности (рис. 1.10, 1.11).

Для начала образования мартенсита необходимо разность свободных энергий, превышающая затраты на упругую деформацию Y и образование границ раздела S.

Пластическая деформация повышает температуру мартенситной точки за счет снижения разности свободных энергий и поэтому превращения могут протекать во время деформации при комнатной температуре [237-246,247]. С повышением температуры изнашивания разность свободных энергий снижается, а устойчивость аустенита возрастает [247]. Рост температуры рабочей поверхности, при неизменных других параметрах изнашивания, повышает устойчивость аустенита и только треть его претерпевает ?>? превращения.

Анализ изменений тонкой структуры изношенной поверхности, характеризуемых расширением дефракционных линий, показал, что наиболее высокие степени искажений кристаллической решетки и изменений блочной структуры нестабильного сплава соответствует испытанию без подогрева (рис. 1.12). С ростом температуры испытаний наблюдается уменьшение ширины линий 211-мартенсита и 311-аустенита, которое не может быть связано с релаксацией напряжений второго рода и ростом блоков при температурах до 250°С [238]. Следовательно, высокий уровень микротвердости и искажений решеток и фаз является следствием образования в поверхностных слоях мартенсита деформации, который не просто наследует дефекты деформации аустенита, но и оказывает существенное влияние на состояние тонкой структуры за счет фазового наклепа [248]. С повышением температуры изнашивания возрастает стабильность аустенита и снижается количество мартенсита деформации и как следствие, уменьшается ширина дифракционных линий. Отсутствие фазовых превращений у сплава со стабильной структурой в процессе изнашивания при комнатной температуре вызывает незначительные изменения микротвердости и расширение линии (211), которые не изменяются с повышением температуры изнашивания до 250°С, и его износостойкость остается постоянной при изнашивании в диапазоне температур от комнатной до 250°С.

Таким образом, степень упрочнения сплавов с метастабильным аустенитом и их износостойкость по сравнению со стабильными структурами максимальны при изнашивании без подогрева и снижаются с ростом температуры испытаний.

Авторами исследования [118] разработан метод измерения температуры в местах локальных микроконтактов рабочих поверхностей детали при мгновенном взаимодействии с изнашивающим контртелом (сталь, гранит).

Экспериментальные исследования тепловых процессов при единичном ударе, проведенные В.Н.

Виноградовым и Г.М.Сорокиным [229] показали, что на первом этапе удара, работа упругой и пластичной деформации полностью переходит в теплоту и на кривой температуры - время наблюдается резкий скачек. На втором этапе удара происходит упругое восстановление деформированных объемов и контактная температура резко снижается за счет теплоотвода в объемы соударяющихся тел (рис. 1.13). При одних и тех же режимах соударения контактная температура пары сталь-хромель-копель выше, чем пара гранит-хромель-капель. При ударе металла по горной породе на фактической площади контакта развиваются большие давления, т.к. твердость абразивных частиц выше твердости металла, отдельные абразивные зерна горной породы внедряются в металл, вызывая локальную пластическую деформацию. Большая часть теплового потока, генерируемая в результате пластической деформации микрообъемов, вследствие низкой теплопроводности абразива уходит в металл, меньшая - в гранит. Поэтому при одних и тех же режимах удара более высоким тепловым воздействием подвергается металл, соударяющийся с горной породой. Температура в месте контакта при ударе абразивного тела по поверхности детали обратно пропорциональны площади контакта.

Динамический характер пластического деформирования при изнашивании, в частности, лопаток асфальтосмесителей, при котором теплообмен в зоне соударения практически отсутствует, может вызвать на фактической площади контакта мгновенные скачки температуры. Такие вспышки температуры локализуются в слое толщиной несколько микрометров. В этом объеме металла могут происходить структурные превращения и изменения микротвердости. Поэтому одним из средств повышения износостойкости может служить выбор теплостойких материалов, у которых при рабочих температурных режимах не изменяются микроструктура и механические свойства. В асфальтосмесительных установках энергия соударения лопасти с абразивными частицами асфальтовой смеси равно величине не менее 2-4 Дж. Это соответствует (рис. 1.13) развитию нагрева поверхности лопасти в местах контакта с абразивным телом до температуры около 300°С, что превышает температуру начала мартенситных превращений в исследованных нами сталей. Этим объясняется факт отсутствия структурных превращений в стали Х12Ф1, испытанной в условиях работы лопаток асфальтосмесителей и, как следствие этого, отсутствия упрочнения рабочей поверхности деталей. Известны многократно подтвержденные факты существенного упрочнения и, следовательно, повышение износостойкости деталей из этой стали при работе в условиях эксплуатации при высоком давлении абразивных масс на рабочую поверхность при отсутствии ударов. Например, в прессформах для прессования огнеупоров, где отсутствует нагрев пластин прессформ выше температуры начала мартенситных превращений износостойкость пластин из стали Х12Ф1, закаленной на остаточный аустенит (НRС=45-50) повышается в 4-7 раз по сравнению с закаленным на мартенсит состоянием (НRС=60 62).

В соответствии с [10] процесс образования мартенсита деформации сопровождается выделением карбидов в поверхностном слое на глубине до 16 мкм, приростом плотности дислокаций на глубине до 50 мкм и образованием остаточных напряжений в поверхности слоя 40 мкм. Эти структурные изменения требуют для своего осуществления значительных затрат энергии.

Так как при деформации сталей с нестабильной структурой часть энергии внешнего воздействия расходуется на образование в рабочем слое детали новой высокопрочной мартенситной фазы то, следовательно, на развитие процессов разрушения поверхности приходится только часть энергии внешней нагрузки, уменьшенная на величину энергетических затрат на структурные превращения в стали в процессе взаимодействия с изнашивающей средой [195].

Одной из наиболее известных упрочняемых в процессе эксплуатации сталей является высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, которая нашла широкое применение в различного рода установках для дробления горных пород, строительно-дорожном оборудовании, в механизмах по подготовке шихты в металлургическом и литейном производствах [115].

Упрочнение рабочей поверхности деталей, изготовленных из стали 110Г13Л, в процессе взаимодействия с изнашивающей средой обуславливает значительное повышение износостойкости и срока службы таких деталей, особенно, если рабочие нагрузки являются ударными. Так например в рабочих слоях бронефутеровок шаровых мельниц изготовленных из нестабильной аустенитной стали образуется в процессе эксплуатации структура мартенсита деформации с твердостью НRС 50-60 на глубину до 2-3,5 мм при сохранении аустенитной структуры в основном сечении отливок.

Прочный поверхностный слой обеспечивает высокую износостойкость при абразивном изнашивании, в результате чего долговечность бронеплит увеличивается более чем в 2 раза [196].

Однако не при всех условиях эксплуатации сталь 110Г13Л проявляет способность к упрочнению.

Так известно, что сталь 110Г1ЗЛ не является износостойкой при нагреве в интервале температур 400-800°С. Например, в условиях ускоренного процесса производства цемента, применяемые футеровки и перегородки мельниц из стали 110Г13Л эксплуатирующиеся при температуре 180-450°С быстро выходят из строя.

Способность аустенита к превращению в мартенсит деформации зависит от его состава, характера и величины напряжений, создаваемых абразивными телами в локальных объемах поверхности при изнашивания. Мартенсит, в силу его строения и образования, характеризуется наличием большого числа микроскопических и субмикроскопических трещин, которые располагаются чаще всего в местах стыка мартенситных пластин [194].

а) б) Рисунок 2.15 – Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения в сталях с содержанием углерода 0,6 % (а) и 1,0 % (б) [194] В связи с этим сам мартенсит слабо сопротивляется разрушающему действию абразивных тел при изнашивании. Известно, что углерод снижает температуру начала превращения (рис.2.5). На положении мартенситных точек он влияет гораздо интенсивнее, чем остальные легирующие элементы (рис.2.14). Конец мартенситного превращения находится ниже 0?С уже при его содержании в стали выше 0,5-0,6 %. Повышение содержания углерода от 0,2% до 1,2% снижает точку начала мартенситных превращений с 400°С до 160°С, т.е. на 240°С. При введении 1%С, марганец на 45°С, Сr-35°С, V-30°С, Мо-25°С, Ni-26°С, W-10°С, Сu-7°С, Si-0°С, кобальт повышает мартенситную точку на 12°С, А1-18°С (рис.2.15) [194]. Чем больше содержание углерода в твердом растворе, тем эффективнее влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки, которое определяется составом аустенита. Карбиды не оказывают влияния на температуру мартенситного превращения и характер мартенситной реакции [194].

Количество образующего мартенсита деформации определяется кривой (рис.2.9) точка Gм которой характеризуют минимальную величину напряжений, вызывающих мартенситное превращения.

Образование мартенсита деформации зависит от отношения температур мартенситного интервала и деформации (изнашивание). Степень мартенситного превращения уменьшается с повышением температуры деформации и, при некоторой температуре, деформация аустенита уже не сопровождается образованием мартенсита [194].

Анализ влияния температуры нагрева металла и внешнего давления изнашивающей среды на рабочей поверхности детали показывает, что от этих факторов существенно зависит износостойкость, срок службы и работоспособность машин и агрегатов. Эти параметры изнашивания для разных материалов действуют не одинаково. Так, если износостойкий сплав имеет стабильную структуру, не способную к превращениям под действием абразивных тел, то их износостойкость обратно пропорциональна величине нагрева и давлению изнашивающей среды.

Степень этой пропорциональности при одном и том же ее характере, зависит от химического состава износостойкого материала, фазового состава и дисперсности упрочняющей фазы.

В случае, когда мы имеем дело с металлом, обладающим не стабильной структурой, способной к превращениям при изнашивании, то зависимость износостойкости от условий изнашивания (температуры и давления) будет значительно более сложной. Если рабочие температуры агрегата или локальная температура, возникающая в месте контакта в месте с абразивным зерном, ниже температуры мартенситных превращений (см. рис. 2.9 и 2.15), то в процессе эксплуатации под давлением абразивов возможны структурные превращения с образованием мартенсита деформации, приводящие к упрочнению рабочего слоя и износостойкость будет выше, чем у сплавов со стабильной структурой при таком же уровне легированности. Нагрев в процессе изнашивания сплава с нестабильной структурой до температуры выше температуры начала мартенситных превращений (см. рис. 2,14 и 2,15) приведет к обычным структурным превращениям аустенита в феррито-перлитную смесь, не сопровождающихся значительным упрочнением рабочего слоя. Износостойкость материала в этих условиях повышаться не будет.

Влияние давления изнашивающей среды на рабочую поверхность детали из материала нестабильной структуры имеет сложный характер [259,260]. Образование мартенсита деформации в таких материалах в процессе их взаимодействия с абразивами, начинается с давления, имеющего определённую величину Gm (см. рис. 2.9). По мере увеличения давления, превышающего Gm, количество мартенсита деформации растёт пропорционально величине давления. При этом рабочая поверхность детали значительно упрочняется и износостойкость детали возрастает.

Таким образом, если температура детали превышает температуру начала мартенситных превращений (Мн) (см. рис. 2.14 и 2.15), то при любом давлении изнашивающей среды мартенсит деформации образовываться не будет, упрочнение не произойдёт и износостойкость не увеличится.

В случае если температура нагрева детали в процессе эксплуатации ниже линии Мн, характеризующей начало мартенситных превращений (см. рис. 2.6) и давление ниже величины Gm (см. рис. 2.4), упрочнение также не произойдёт. Если же температура рабочей поверхности будет ниже линии мартенситных превращений Мн, а давление выше Gm (см. рис. 2.9) в процессе эксплуатации будет появляться мартенсит деформации и, следовательно, будет расти упрочнение материала и износостойкость. Пресс-формы для прессования огнеупоров, изготовленные из стали типа X12 после термической обработки, в результате которой в структура стали содержит достаточное количество остаточного нестабильного аустенита и в процессе прессования на рабочую поверхность оказывается большое давление происходит значительное упрочнение контактируемых слоев и износостойкость таких пластин возрастает в несколько раз.

Лопатки асфальтосмесителя работают в иных условиях температуры и давления. В результате на их рабочей поверхности упрочнения не происходит и износостойкость не увеличивается. В сплаве со стабильной структурой воздействие абразивных частиц при трении вызывает в тонких поверхностных слоях дробление и фрагментацию зерен, искажение кристаллической решетки и т.

д., что приводит к упрочнению. Отсутствие в сплавах со стабильной структурой фазовых превращений приводит к тому, что степень упрочнения только за счет деформационного воздействия не достигает высоких значений.

Величина давлений абразивной массы оказывает существенное влияние на интенсивность изнашивания сплавов (рис.2.16). В начале при давлении до 50 -100 ГПа удельный износ сплавов со стабильной структурой возрастает почти по линейному закону. При дальнейшем увеличении давления рост удельного износа уменьшается и, достигнув максимума, начинает снижаться.

Постепенное снижение скорости изнашивания с ростом контактной нагруженности является следствием упрочнения или изменения процесса изнашивания, обусловленного влиянием нагрузки на характер взаимодействия абразивных частиц с поверхностью сплава.

Существенное отличие износостойкости сплавов в стабильном и метастабильном состоянии (см.

рис. 2.16) объясняется различной их упрочняемостью в процессе изнашивания. Высокая микротвердость и износостойкость метастабильных аустенитных сплавов, в поверхностных слоях которых происходит глубокие деформационные превращения, являются следствием существенных изменений тонкой структуры, вызванных этими превращениями. С увеличением степени деформации аустенита происходит рост числа плоскостей скольжения, измельчение блоков и зерен. При этом полученные дефекты в процессе деформации аустенита переходят в мартенсит и существенно увеличивая его твердость. Кроме того, происходит дополнительное упрочнение и повышение плотности дислокаций за счет фазового наклепа [249,258].

При абразивном изнашивании степень пластической деформации определяется уровнем контактных напряжений, возникающих при взаимодействии абразивных частиц с металлом, которые зависят от механических свойств, радиуса контактной поверхности, нормальной нагрузки и степени закрепленности частицы в абразивной массе [251,252]. При возрастании давления абразивной массы увеличивается напряжения в микрообъемах, что способствует пластической деформации поверхностных слоев, при этом полнота превращений и упрочнения увеличиваются. Если при возрастании нагрузки происходит интенсивное дробление абразивных частиц, то величина контактных напряжений снижается, что уменьшает интенсивность фазовых превращений изнашиваемой поверхности.

Таким образом, как показано в работе [228], повышение давлений при абразивном изнашивании, с одной стороны, приводит к увеличению контактных напряжений, благодаря повышению нормальных нагрузок и степени закрепленности частиц в массе, с другой, - уменьшению напряжений за счет дробления абразивных частиц. Суммарный эффект этих процессов зависит от величины давлений и свойств абразивных материалов. Если процесс дробления зерен происходит постепенно (шамот, электрокорунд) и они разрушаются, образуют более мелкие фракции, способные еще производить значительное изнашивание, то резких перегибов на кривых зависимости q=f(уд.) не наблюдается (рис.2.16).

В связи с тем, что степень упрочнения сплавов в стабильном состоянии имеет прямолинейный, а метастабильных - сложный характер отношение их удельных износов в зависимости от давлений не является постоянной величиной. При малых удельных нагрузках, когда абразивные частицы слабо закреплены и могут перекатываться по поверхности, только малая часть их совершает микрорезание и пластическую деформацию металла. Таким образом, при изнашивании абразивными массами максимальная степень упрочнения метастабильных аустенитных сплавов и их высокая износостойкость реализуется в интервале давлений, обеспечивающих достаточную степень закрепленности частиц массы, однако не приводящих еще к их интенсивному дроблению.

2.4 ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И СРОКА СЛУЖБЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.

Различными отраслями промышленности и сельского хозяйства ежегодно расходуется сотни тысяч тонн металла на изготовление запасных частей и замену ими быстроизнашивающихся деталей:

различного рода штампов, рабочих органов дробильных механизмов, деталей землеройных машин, валков прокатных станов, почвообрабатывающих машин и других деталей. При этом затрачивается большое количество труда, увеличиваются простои агрегатов для замены изношенных деталей, снижается производительность машин и аппаратов. Поэтому повышение износостойкости и срока службы машин весьма важная задача науки и производства особенно в современных условиях, когда оборудование всех предприятий существенно изношено, а перспективы его замены в ближайшее время нет в связи с общим падением производства и отсутствием средств для оплаты заказов на изготовление или покупку новых машин и механизмов.

Повышение износостойкости и срока службы машин может быть достигнуто одним из следующих методов: рациональным конструированием, соответствующим выбором материала, термической или химико-термической обработкой, и износостойкой наплавкой.

Конструктор обычно пользуется соображениями наилучших способов обеспечения функциональных возможностей машины, выбирая материал детали и её размеры в соответствии с расчетом на прочность, её дизайном и не всегда принимает в расчёт особенности изнашивания и характеристики способности материала к сопротивлению изнашиванию, что обусловливает возможное увеличение срока службы быстроизнашиваемых деталей за счёт их рационального конструирования.

Износостойких материалов разработано много. Главные требования, которые закладывались их разработчиками, сводились к тому, чтобы обеспечить получение металла наибольшей твёрдости.

При этом в состав сплава вводились легирующие элементы в большом количестве. Общее содержание легирующих элементов в сплаве достигало до 60%. Естественно, что далеко не во всех случаях использовались большие потенциальные возможности, заложенные в сплав таким легированием.

2.4.1 ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

Изнашивается, как правило, поверхностная зона металла. В некоторых случаях, когда незначительные изменения геометрических размеров детали приводят к выходу из строя всего узла или машины, величина износа составляет всего лишь несколько микрометров. В связи с этим необходимо упрочнение только поверхностных слоев. Одним из способов, который может в некоторых случаях решить такую задачу, является термическая обработка поверхностных слоев методами Т.В.Ч. или химико-термическая обработка.

Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты достаточно распространенный метод упрочнения, при котором в поверхностном слое реализуется классическая схема закалки, основанная на превращении аустенита в мартенсит. Толщина упрочнённого слоя достигается регулированием глубины прогрева деталей при равном по всему объёму содержании углерода которое должно превышать 0,3%. Максимальная твёрдость на поверхности за счёт высокой скорости нагрева и кратковременной выдержки на 5-7 НRС выше твердости тех же сталей, закалённых при печном нагреве.

Закалка Т.В.Ч. повышает износостойкость упрочнённого слоя вследствие образования в поверхностном слое напряжений сжатия и незначительного повышения твёрдости. Это достаточно прогрессивный метод допускающий применение автоматизации и механизации производства.

Однако он не свободен от недостатков т.к. для его осуществления требуется специальное оборудование - высокочастотные генераторы, эксплуатация которых связана с и большим расходом электроэнергии.

Термическая обработка токами высокой частоты может производиться на плоских поверхностях или на деталях, имеющих форму тел вращения. При этом поверхность детали приобретает высокую твёрдость и существенную износостойкость, а сердцевина детали остаётся достаточно пластичной, способной воспринимать динамические и знакопеременные нагрузки. Применение закалки ТВЧ ограничивается тем, что этот процесс эффективен не для любых материалов.

Для повышения износостойкости деталей из сплавов не воспринимающих закалку наиболее эффективно применение химико-термической обработки: насыщение поверхностного слоя стали углеродом - цементация, азотом - азотирование, азотом и углеродом одновременно - цианирование, бором - борирование, с последующей термической обработкой по соответствующим режимам. При этом поверхность стали приобретает иной состав, содержащий очень твёрдые включения: карбиды, нитриды, бориды. Структура матрицы такого сплава после термической обработки становиться в поверхностном слое и сама достаточно твёрдой, и за счёт включений карбидов, нитридов, боридов, увеличивающих ещё более агрегатную твёрдость вследствие чего приобретает весьма высокую износостойкость, сохраняя в сердцевине необходимую пластичность и следовательно способность работать в различных условиях нагружения.

Цементацию обычно производят при 940-960°С. Глубина цементированного слоя в сталях с содержанием углерода 0,10...0,30 % достигает 2,5 мм. При этом содержание углерода у поверхности составляет 0,8... 1,0%. Закалка детали после насыщения с последующим низким отпуском при 160...180°С обеспечивает получение мартенситной структуры поверхностного слоя с твердостью на уровне 60...62 НRС. Сопротивляемость изнашиванию цементированой поверхности сопоставима с сопротивляемостью изнашиванию заэвтектоидных инструментальных сталей.

Азотирование осуществляется с использованием аммиака при температуре 550...650°С и длительности процесса 40...80 часов. По механизму структурообразования упрочнённого слоя, глубина которого около 0,5 мм, есть существенные отличия от цементации и закалки Т.В.Ч., так как упрочнение в этом случае происходит не за счёт мартенситного превращения, а благодаря образованию нитритов Fe2N, Fе4М, AlN, Сr2N и др. При этом в последующей закалке нет необходимости, т.к. она не может повлиять на твёрдость поверхности детали.

Азотированный слой обладает высокой устойчивостью к тепловому воздействию при эксплуатации. Разупрочнение мартенсита закалки и, следовательно, снижение твердости в сталях перлитного класса начинается при температурах 200...250°С, в то время как азотированный слой сохраняет свои свойства даже при 500...600°С, что и предопределяет его высокую износостойкость.

Окончательную механическую обработку деталей, производят только до азотирования. После азотирования возможно выполнение только шлифования, что обуславливается малой толщиной и высокой твердостью азотированного слоя. Насыщение поверхности детали бором в твердых, жидких и газовых средах производят при температуре 1000...1100°С. Упрочнённый слой твёрдостью 1600...2000 НV. Характеризуется наличием столбчатых кристаллов с ромбическими тетрагональными боридами, которые очень устойчивы к тепловому воздействию и сохраняют твёрдость до 800°С. Недостатком борированного слоя является его хрупкость. В условиях абразивного изнашивания, особенно с ударами борирование менее эффективно, т.к. упрочнённый слой небольшой толщины (0,1...0,3 мм) продавливается абразивными частицами, растрескивается и отслаивается.

Титанирование производится в порошковых смесях, расплавах солей электролизным, безэлектролизным способом, в паровой фазе и с использованием вакуума, в газовых смесях, а также с местным с нагревом Т.В.Ч. Титанирование при 1100... 1250°С, обеспечивает получение высокой микротвердости и толщины слоя в пределах 0,3...0,5 мм.

Недостатками всех приведенных выше методов, кроме цементации и закалки Т.В.Ч. являются небольшая толщина упрочненного слоя и плохая его связь со структурой базового металла. При форсированных режимах эксплуатации упрочнённый слой быстро срывается с поверхности детали.

В частности, борирование пытались применять для упрочнения пластин пресформ и шарошек буровых долот, но безуспешно, т.к. слой в процессе работы растрескивался и отслаивался [17].

Некоторые из приведенных выше методов упрочнения не технологичны, производственный цикл имеет достаточно длительный период, культура производства приведенных технологий требует модернизацию, механизация труда рабочих ограничена.

2.4.2 ИЗНОСОСТОЙКАЯ НАПЛАВКА.

Наплавка является мощным средством экономии затрат живого и овеществлённого труда в деле повышения долговечности быстроизнашиваемых деталей и узлов оборудования, машин и механизмов.

Наиболее универсальным, экономичным и широко применяемым в народном хозяйстве средством восстановления и изготовления деталей машин и механизмов, придания им специальных качеств, способствующих росту износостойкости, является наплавка. Этот процесс представляет собой нанесение на специально подготовленную поверхность изготовляемых или ремонтируемых деталей расплавленного присадочного металла, образующего с поверхностными слоями основного металла сплав с высокими механическими и служебными свойствами.

Потребность в наплавочных материалах в качестве покрытий рабочих поверхностей быстроизнашиваемых деталей при их изготовлении, восстановлении и ремонте нарастает с каждым годом во всех областях промышленности.

Наплавка стала наиболее важным и эффективным способом борьбы с износом. Особенно широко наплавка применяется при ремонте и упрочнении новых деталей металлургического оборудования (засыпные аппараты доменных печей, катки мостовых кранов, рабочие органы дробилок, пескометов, валки горячей прокатки, штампы и др.) сельскохозяйственной техники (лемеха плугов, диски борон, лапы культиваторов), дорожных и строительных машин (зубья и ковши экскаваторов, деталей бульдозеров, грейдеров, лопатки и брони асфальтосмесителей и др.) в кирпичном, стекольном, керамическом производствах, изготовление огнеупорных изделий (прессформы, рабочие детали брикетных прессов), рудомелющие агрегаты, на железнодорожном транспорте (колесные пары электровозов и тяговых агрегатов, автосцепок и др.), лесопильной промышленности (зубья рамных пил, коросниматели, машины для приготовления щепы), рабочие поверхности ходовой части машин гусеничного хода, в автомобильном транспорте (клапаны двигателей внутреннего сгорания), в буровой технике (узлы и детали бурильного оборудования и инструмента, шарошки буровых долот, поршневые буровые насосы, трубные системы, по которым прокачивают жидкость или газ с абразивом) и многое другое в иных отраслях народного хозяйства [177].

Масса сплава, наносимого в процессе наплавки, обычно невелика и составляет 2-6 % массы самой детали, что определяет высокую экономическую эффективность наплавки. Наплавка позволяет повысить износостойкость детали в зависимости от наплавочного сплава и условий эксплуатации в 2-10 раз, а в некоторых случаях и более, сэкономить тысячи тонн стали (часто высоколегированной) снизить трудовые затраты и простои при ремонте оборудования. Задача повышения износостойкости и срока службы деталей машин методом наплавки износостойких покрытий стала насущной для современной техники [178].

Чаще всего наплавку применяют как восстановительную операцию начальных формы и размеров детали. Наплавочным материалом может быть как материал упрочняемой детали, так и иной с более высокими механическими и физико-химическими характеристиками. Развитие этого метода упрочнения сводится к поиску более износостойких материалов, чем материал упрочняемой детали.

В качестве наплавочных материалов обычно используют легированную сталь. Главные факторы, регламентирующие износостойкость: химический состав наплавленного материала, возможность последующего дополнительного упрочнения, структурная устойчивость наплавленного слоя в условиях температурного воздействия при изнашивании.

Обычно наплавочные материалы различают по составу и свойствам. В США [100] наплавочные материалы разделяют в зависимости от химического состава на четыре группы: 1) малолегированные на железной основе (от 2 до 12 % легирующих элементов);

2) высоколегированные на железной основе (от 12 до 50 % легирующих элементов);

3) материалы на основе никеля и кобальта;

4) материалы, содержащие в основном карбиды вольфрама (75 % и выше).

Наиболее распространённые износостойкие наплавочные материалы включают в себя: аустенитные высокомарганцовистые стали, хромистые стали, карбидные стали класса быстрорежущих, высокохромистые чугуны;

хромовольфрамовые теплостойкие стали, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом, никелевые сплавы с хромом и бором, никелевые сплавы с молибденом, карбидные спечённые сплавы и т.д. [66,177]. Система легирования наплавочных материалов охватывает большой перечень сочетаний: Fе-С-Сr;

Fе-С-Мn;

Fе-С-W;

Fе-С-Сr-Мn;

Fе-С-Сr-В;

Fе-С-Сr-Ni;

Fе-С Мо;

Fе-С-Сr-Мо;

Fе-С-Сr-W;

Fе-С-Сr-W-V;

Fе-С-Сr-W-В и т.д. Основные структурные составляющие таких сплавов после наплавки: мартенсит (58...60 НRС);

аустенит (35...40 НRС);

перлит (50 НRС);

аустенит и ледебурит (40...50 НRС);

ледебурит и карбиды (60... 63 НRС);

сорбит (50... 52 НRС) и т.д. Количество углерода и легирующих элементов в наплавочных сплавах обычно колеблется в широких пределах: С- от 0,3 до 4,8 %;

Сr - от 2 до 30 %;

Мn - от 0,5 до 15 %;

W - от до 18 % ;

В - от 0,1 до 6 %.

Износостойкость наплавочных материалов существенным образом зависит от типа и количества карбидной фазы в сплавах. Карбиды способствуют также сохранению устойчивости начальной структуры сплава при эксплуатации, осложненной повышенной температурой. Чаще всего упрочняющая фаза в наплавочных сплавах содержит карбиды: Fе3С;

Мn3С;

Сr7С3;

W2С;

WС;

VС;

ТiС;

В4С, Мо2С, и др., а также карбобориды, нитриды, железа и легирующих элементов.

В дорожном строительстве для приготовления битумоминеральных смесей широко используются двухвалковые смесители периодического действия. К одной из наиболее быстроизнашивающихся деталей смесителя относятся лопатки роторов. Исследования [225] показали, что большей износостойкостью в условиях работы лопаток асфальтосмесителей обладают сплавы, имеющие упрочняющую фазу в виде боридных игл. При этом в ряде работ указывается, что максимальный эффект увеличения способности сплава к сопротивлению абразивному разрушению достигается когда боридные иглы расположены перпендикулярно плоскости изнашивания. Ориентация боридной иглы в матрице сплава зависит от направления теплоотвода и совпадает с ее большой осью. Таким образом, при разработке технологии наплавки лопаток асфальтосмесителей необходимо подходить с позиций максимального использования такого важного резерва, как направленная кристаллизация сплава, позволяющая полнее реализовать потенциальные возможности, заложенные в данных износостойких материалах.

Потеря массы при испытании в условиях малых давлений абразивной среды незначительно зависит от содержания первичных карбидов и эвтектики особенно когда содержание углерода выше 4,2 % [210].

В работе [211] отмечается существование корреляции между количеством больших первичных карбидов и величиной износа при больших давлениях абразивных тел. Наличие большого количества карбидов VС и NвС, вторичных карбидов МеС, МеС3, а также карбидов, находящихся в вязкой матрице, которая препятствует их выкрашиванию, обеспечивает высокую износостойкость наплавленного металла. Оптимизация наплавленного металла системы Fе-С-Мn-Сr-V-Nb-В при наплавке шнеков шлаковых центрифуг обеспечила увеличение износостойкости в 5-6 раз по сравнению с электродами марки Т-590 и в 2-3 раза по сравнению с наплавками порошковой проволокой ПП-АН170 [215].

Величина износа возрастает по мере уменьшения размеров первичных карбидов и увеличения расстояния между ними [215]. Микролегирование и модифицирование при электрошлаковой наплавке обеспечило высокие механические свойства, горячую твёрдость, износостойкость и термическую выносливость металла типа 100ХНМ и 100СХНМ [216].

Существенным недостатком высоколегированного наплавленного металла является появление трещин, как в самом процессе наплавки, так и при последующей эксплуатации детали. Образование трещин в тонком поверхностном слое связано с увеличением напряжений в результате фазовых превращений и разрушении карбидной эвтектики.

Для стабилизации твёрдого раствора и изменения карбидной эвтектики наплавленный металл модифицировали феррониобием ФН-1. Структура металла приобрела мелкозернистое строение с мелко раздробленной карбидной эвтектикой, что исключило появление трещин в наплавленном металле [221].

Для восстановления износостойкой наплавки зубьев ковшей экскаваторов австралийские исследователи рекомендуют сложные сплавы на основе железа, содержащие 5 % С;

22 % Сr;

7 % Nb и 1,0% В, или 5% С;

6 % Сr;

7 % Тi;

, а также карбиды вольфрама в матрице на основе никеля.

Объём карбидной фазы в таких сплавах достигает 80%. Однако при этом, как сообщается в работе [213], была достигнута сопротивляемость абразивному изнашиванию с сочетании с высокой пластичностью и хорошей способностью противостоять ударным нагрузкам.

При производстве строительных материалов, в дорожном строительстве, а также при выполнении земляных работ широко используется оборудование оснащенное элеваторами ковшевого типа, осуществляющим транспортировку сыпучих материалов на определенные расстояния. Надежность работы данных механизмов определяется главным образом сроком службы ковшей элеваторов, которые в процессе эксплуатации подвергаются изнашиванию высокоабразивными смесями песка, щебня, отсева и т.п., что приводит к быстрому разрушению захватывающей рабочей кромки ковша, уменьшению его емкости и, как следствие, к снижению производительности и увеличению энергозатрат.

Недостаточный срок службы ковшей элеватора ведет к необходимости их частой замены, а следовательно, к остановке технологического цикла, что вызывает значительное снижение рентабельности производства за счет увеличения затрат связанных с ремонтом и простоями оборудования.

Исходя из этого, авторами [223] была поставлена задача - разработать на основе системы легирования Fе-С-Сr-В-Si, не содержащей дорогих легирующих элементов, сплав для защиты ковшей элеваторов. В процессе работы было проведено большое количество лабораторных испытаний различных сплавов (табл.2.3). В качестве абразивной массы использовали кварцевый песок Часов - Ярского (Украина) месторождения, физические и механические свойства которого представлены в таблице 2.4 Промышленные испытания проводились на натурных образцах деталей. Для надежной сходимости результатов испытаний изготавливали пять натуральных образцов, упрочненных одним составом.

Производственные испытания проводили на элеваторе установки типа АСУ Д-597 при транспортировке смеси кварцевого песка (фракции до 1 мм) и 20-40% крошки гранита (фракции 0,5-2,5 мм), при температуре смеси 5-10°С и относительной влажности 25-30% в течение 360 часов машинного времени (что составляет в среднем 45-50 смен работы оборудования).

Относительную износостойкость определяли как отношение:

где L0 - линейный износ образца, мм;

Lэm - линейный износ эталона, мм;

Линейный износ L0, Lэm определяли как среднее арифметическое значение, полученное из 8- измерений на рабочей кромке каждого натурного образца. В качестве эталона использовался ковш, изготовленный из стали 45 в отожженном состоянии.

В результате математического планирования и оптимизации полученных уравнений регрессии влияния химического состава на свойства твердых покрытий, разработан новый оптимально - легированный сплав ЭН-240Х13С5Р2 (А.С.1731150 СССР) и технология изготовления ковшей элеваторов повышенной износостойкости, срок службы которых в 6,5 раза больше стандартных деталей.

Кроме этого, новый наплавочный материал может быть использован для увеличения срока службы не только ковшей элеваторов, но и других деталей, подверженных интенсивному абразивному изнашиванию без значительных ударных нагрузок (детали песковых насосов, лопатки дробеметных аппаратов, транспортировочные желоба, грохота и др.).

Для сплавов (Тi,W) С-WС-Со износостойкость при резании зависит от соотношения в размерах зерен карбидных фаз. При прочих равных условиях чем выше контраст в размерах зёрен С и WС, тем лучше режущие свойства сплавов [219].

Наплавленный металл, как правило, макронеоднороден, что проявляется в неравномерности его изнашивания в процессе эксплуатации. Исследованию макронеоднородности наплавленного металла посвящалось много работ, в которых использовались спектральный анализ (фактографический и фотоэлектрический), микрорентгеноспектральный, химический и другие методы анализа металлов [201-205]. Установлено, что конструкция порошковых лент их сварочно технологических свойств, и техника наплавки оказывают заметное влияние на степень неоднородности распределения легирующих элементов по сечению наплавки [206,207].

Износ поверхностного слоя происходит неравномерно. Причиной этого служит наличие участков наплавленного металла с различной структурой и твёрдостью. Существенно снизить степень неоднородности наплавленного слоя по твёрдости можно посредством предварительного подогрева до температуры, близкой (или несколько превышающей температуру начала мартенситного превращения). В этом случае аустенитная структура сохраняется практически во всём наплавленном слое и последующее превращение происходит более замедленно, что способствует и более равномерному структурообразованию и распределению твёрдости [220].

Неравномерность химического состава наплавленного металла несколько усиливает избирательность процесса изнашивания особенно при взаимодействии с незакреплёнными абразивами, например в условиях работы асфальтосмесителей.

Для условий эксплуатации нефтепромыслового оборудования наиболее пригодны стали аустенитно-мартенситного класса с метастабильным аустенитом. Мартенситное превращение в процессе пластической деформации метастабильного аустенита вызывает дополнительное упрочнение металла [214].

Наиболее широкое применение в промышленности находят электроды, системы легирования углерод-хром-бор обеспечивающие получение в структуре наплавленного металла значительное количество упрочняющей фазы, содержащий бор в карбидах или боридах [66]: Т 590 с 1,5...4,0% углерода, 18,0... 27,0% хрома и 0,5... 1,5% бора;

структура наплавленного ими металла, состоит из ледебурита и остаточного аустенита упрочнённых первичными карбидами Ме7С3 и боридами Сr2(В;

С).

Электроды Т-620, позволяющие получить металл состава: углерод 3,0...3,5%;

хром 20..33%, бор 1,0..-1,6%, что обеспечивает получение первичных карбидов в ледебурите и остаточном аустените.

Электроды БХ-2 с 0,55% углерода, 30...35% хрома, 7,6...8,0% бора, что обусловливает в структуре металла образование крупных первичных карбидов в ледебурите.

Электроды ХР-19 с 3,0...4,8% углерода, 23...37% хрома, 1,0...1,6% бора и получение в структуре первичных карбидов Ме7С3, боридов Сr(С;

В) в ледебурите и остаточном аустените.

Электроды КБХ-45 с 2,5...3,6% углерода, 23...27% хрома, 0,95...2,8% бора, наплавленный металл характеризуется ледебуритной структурой с равномерно распределёнными в ней первичными карбидами. Высокая активность бора по отношению к железу превышает преимущества боридов хрома [180].

В безборидных сплавах наиболее эффективны карбиды титана ТiС и вольфрама W2C.

Для деталей, работающих в условиях абразивного износа при нормальных температурах рекомендуется наплавленный материал следующего состава: С 2,25...4,5%;

Si 0,2...0,4%;

Мn 0,50...6,0%;

Сr 24,0...35,0%, обладающий твёрдостью от 48 до 60 НRС и использующийся для наплавки деталей сельскохозяйственных машин, транспортёров, дробильно-размольного оборудования, бункеров, труб и пневмотранспорта, фрез глинофрезерных машин, валков углеогибочных станов.

Для деталей, эксплуатирующихся в условиях абразивного износа при повышенных температурах используется наплавленный металл состава в зависимости от рабочей температуры.

Высокоуглеродистые и высокохромистые сплавы применяются для наплавки деталей, работающих при температуре до 500°С.

Для работы при температурах до 600°С рекомендуется [209] высокоуглеродистый и хромовольфрамовый сплав типа Х10В14, содержащий 3,5...4,0% С;

9...10% Сr;

около 14% W.

Механическая обработка такого сплава очень затруднена. Поэтому для работы при этой температуре детали, подлежащие механической обработке рекомендуется изготавливать из стали типа 3Х2В8 и Р18 [208].

Детали, подверженные абразивному износу при температурах до 800°С рекомендуется наплавлять твёрдыми сплавами типа стеллитов на основе кобальта (35...55%), содержащие углерод (1...4%), хром (15...45%), вольфрам (10..25%). Аустенитная структура таких сплавов упрочнена карбидами [115]. Стеллиты обладают значительной износостойкостью и прочностью, хорошим сопротивлением коррозии, эрозии и окалино-образованию при значительных температурах.

В композиционных материалах для наплавки деталей узлов трения, работающих на воздухе при температуре 20...1000°С целесообразно применение карбидов Cr2C2 и ТiС [179].

В карбидах Сr3С2 растворятся 2...2,5% титана, что не снижает их микротвёрдость. Карбид Сr3С содержит углерода 39..40% ат (12,9... 13,3 мас.%). При увеличении углерода в карбидной составляющей с 12,4 до 13,2% мас.% происходит качественное изменение состава карбидов Сr2С2 и Сr7С3 до смеси Сr3С2 и графита [180].

Существенно отметить, что карбид титана ТiС - сильно затрудняет рост зерна в сплаве, дополнительно способствует увеличению сопротивляемости разрушению рабочей поверхности детали при абразивном воздействии.

Сопротивление изнашиванию зависит от отношения в карбиде содержания легирующего элемента к углероду. Износостойкость тем выше, чем больше это соотношение [66].

При одновременном легировании износостойких наплавочных сплавов несколькими карбидообразующими элементами важно знать степень химического сродства этих элементов к углероду, и следовательно приоритетное образование одних карбидов перед другими при определённых температурных условиях. О величине этих сил можно судить по свободной энергии образования карбидов. При температуре в районе средней температуры сварочной ванны в процессе дуговой наплавки наибольшей силой химического средства к углероду обладает титан (табл. 2.5), затем V, Cr, B, W, Mo, Fe.

При отношении титана к углероду ТiС =4 весь титан и углерод связаны в карбид ТiС, который не переходит в твёрдьй раствор;

при ТiС >4 избыток титана переходит в раствор, при этом количество карбидов меньше и твёрдость сплава после закалки меньше, чем в первом случае. При ТiС <4, избыток углерода переходит в раствор, а при закалке при температуре выше 1200°С и часть карбида титана также может переходить в раствор.

Для однотипных условий изнашивания иногда применяют различные наплавочные материалы, поскольку достаточно обоснованных критериев их выбора пока нет [177]. Поэтому наплавочные сплавы выбирают не под определённый вид изнашивания, а под конкретную деталь конкретной машины или оборудования. Большой перечень химического состава наплавочных сплавов свидетельствуют о том, что, как указывают Виноградов В. Н. и Сорокин Г.М. [177] нужны систематические исследования, учитывающие результаты изучения износостойкости сплавов разных структурных классов в условиях, максимально приближённых к реальным по всем параметрам характеристик этих условий.

В промышленности, строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве применяются практически все известные способы и разновидности наплавки. Непрерывно совершенствуются и внедряются в производство прогрессивные способы наплавки: порошковыми проволоками и лентами, электрошлаковый, индукционный, плазменный и др. На износостойкую и простую восстановительную наплавку расходуется более 5% всех электродов, 11% сварочной проволоки сплошного сечения и почти половину всей порошковой проволоки. В результате увеличения производства наплавочных работ достигается большая экономия металла, как за счёт восстановительной наплавки, так и за счёт повышения износостойкости.

Применение наплавочных процессов позволяет многократно восстанавливать изношенные детали оборудования, металлорежущий и штамповый инструмент, а также создавать новые биметаллические конструкции с требуемыми технологическими и эксплутационными свойствами, которые во много раз повышают ресурс работы изделий, значительно сокращают расход конструкционных и легированных инструментальных сталей и снижают трудоёмкость их изготовления.

Благодаря этому удаётся достичь многократной экономии материальных, сырьевых, трудовых, топливно-энергетических и финансовых ресурсов за счёт существенного увеличения долговечности быстроизнашиваемых деталей, сокращения расходов на закупку запасных частей и "омертвления" по этой причине части оборотных средств [199].

Процесс износостойкой наплавки может осуществляться различными способами.

Постановка задачи наплавки, определяющая выбор способа осуществления этого процесса, начинается с чёткого формулирования задачи, которую необходимо решать и цели проведения этой работы - т.е. представления ожидаемого результата.

Эта работа не является тривиальной, т.к. необходимо обдумать всю программу планируемой работы [14].

Например:

Задача № 1 - решить поставленную проблему износа.

Цель - вернуть машину в работоспособное состояние.

Задача № 2- Предотвратить возникновение известной проблемы износа в новых условиях.

Цель - Обеспечить требуемую работоспособность машины.

Задача № 3 - Классифицировать материалы или виды обработки по износостойкости.

Цель - Дать исходные данные для выбора материала вида обработки, обеспечивающих оптимальную работоспособность.

Задача № 4 - Исследовать механизм изнашивания.

Цель - Создать материалы, стойкие против изнашивания в заданных условиях.

Задача № 5 - Разработать износостойкие материалы или виды обработки, повышающие износостойкость.

Цель - Извлечь прибыли при продаже материалов и технологии, или по до перестроечной технологии получить экономический эффект.

Руководствуясь такими подходами, мы строили свою работу по анализу износостойкости существующих материалов, полученных как из литературных источников, так и собственного опыта по исследованию сопротивляемости стали и сплавов абразивному воздействию в экспериментальных условиях.

Тщательное изучение большого числа результатов исследований, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе показало, что поиски состава износостойких материалов в большинстве данных по оценке влияния отдельных легирующих элементов и их комбинаций на износостойкость производились без учёта того, что процесс изнашивания включает действующие одновременно следующих три взаимосвязанных аспекта: изнашивающая среда, условия изнашивания и изнашиваемый материал.

Разработка аналитической зависимости, учитывающей вклад каждой из этих составляющих единого процесса, задача весьма сложная, но и решение ее может обеспечить получение более полного представления о существе процесса изнашивания, химическом и структурном составе металла наиболее соответствующих оптимальному. Результаты теоретического анализа литературных данных проверялись в сопоставлении с экспериментальными исследованиями и производственным апробированием конкретного оборудования.

Износостойкие наплавочные материалы обычно являются высокоуглеродистыми. Введение в такой сплав легирующих элементов оказывают двойное действие. С одной стороны карбидообразующие элементы участвуют в образовании карбидной фазы, боридов, карбоборидов и т.д. С другой - легирующие элементы определяют строение и свойства матрицы, влияют на образование перлита, мартиниста, аустенита стабильного или нестабильного.

Известно, что формирование структуры легированного металла зависит от содержания аустенито и ферритообразующих элементов, что иллюстрируется диаграммой Шеффлера. Однако эта диаграмма справедлива только для низкоуглеродистой легированной стали с содержанием углерода до 0,2% и в ней не учитывается наличие карбидов и при расчете эквивалента хрома феритообразования отсутствует ряд карбидообразующих элементов, таких, например, как V, W, Тi часто используемых в наплавочных сплавах. В работе [222] рекомендуется эквивалент хрома феритообразования рассчитывать по следующему соотношению:

Сrэкв= Сr + Мо + 0,75W+ 5V + 1,75Nb + 1,5Si.

Образование карбида данного элемента возможно, когда отношение количества карбидообразующего элемента к углероду равно некоторому критическому значению, определенному по стехиометрическому соотношению атомов в карбиде [115]. Так для Сr7С критическое значение 70X0,83=65,1%;

для W2С=66,66X3,23=215,33 %;

для Мо2С=66,66X1,27=114,67 %;

для VС=50X0,11 - 45,5 %;

для NbС=50 X 1,67=83,5 %.

Авторы работы [222] разработали структурную диаграмму высокоуглеродистых наплавочных сплавов, учитывающую совместное воздействие всех карбидообразующих элементов по условному эквиваленту карбида хрома – Сr7С3 рис. 2.7. Ими предложен следующий хромовый эквивалент:

Сrкарб.экв =Сr + 1,76Мо + 3,3 W+ 0,71 V + 1,28Nb.

Из общего количества хрома в сплаве на образование карбидов затрачивается 60% [115]. Исходя из этого, определялось общее количество карбидов по следующей схеме [222].

1. Хромовый эквивалент, связаный в карбиде;

Сrэкв. в карб =60% Сrэкв.;

2. Углерод, связанный в карбиде;

Скарб=Сrэкв. в карб. X 1,07 X 30% X 0,22/70%;

3. Количества карбидной фазы. Ккарб=Сrэкв в карб +Скарб При совмещении структурной диаграммы матрицы и диаграммы карбидообразования анализ сплавов с разным содержанием Сr и С позволил нанести на диаграмму структурообразования матрицы линию критических значений количества карбидов (линия 1. рис. 2.17) Положение начала линии 1 - точки А. Структурная диаграмма высоколегированных сплавов представляет собой группу диаграмм, каждая из которых объединяет сплавы с определённым содержанием Ni и Мn.

Естественно такая структурная диаграмма полезна для анализа износостойких сплавов, в том числе и для наплавляемых на лопатки асфальтосмесителей, однако необходимо учитывать то обстоятельство, что как диаграмма Шеффлера, так и предлагаемая авторами работы [222] справедлива только для равновесного состояния, которое не всегда достигается в условиях наплавки. Влияние легирующих элементов на износостойкость в результате изменения природы карбидов связано с изменением их твёрдости и сопротивления разрушению. Чем выше твёрдость карбида, тем сильнее они будут противодействовать влиянию абразивных тел и соответственно на рабочей поверхности детали будут появляться при их взаимодействии менее глубокие царапины.

Твёрдость карбидов и их температура плавления представлены в таблице 2.6. Твёрдость и температура плавления упрочняющей фазы износостойких наплавочных материалов.

Как видно из данных таблицы твёрдость карбида железа соизмерима с твердостью кварца (SiO2=10-11ГПа) абразивного материала наиболее часто встречающегося компонента изнашивающей среды и поэтому не может (Просмотреть) Таблица 2.5 – Свободная энергия образования карбидов некоторых износостойких сплавов [110] оказать активного сопротивления абразивному воздействию. Наиболее эффективно должно быть легирования бором в высокоуглеродистых наплавочных материалах, если оно приведёт к образованию карбида В4С. При малом содержании углерода легирования бором менее эффективно, т.к. в этом случае могут образовываться бориды легирующих элементов, которые обладают менее высокой твёрдостью.

Таблица 2.6 - Твердость и температура плавления упрочняющей фазы износостойких наплавочных материалов.

Упрочняющая Fe3C Cr3C2 WC W2C VC Mo2C TiC NbC CrB2 W2B5 VB2 NbB2 TiB2 B4C фаза Твёрдость 110500 112500 17500 30000 25000 16000 32000 20500 18000 26600 20800 25500 33700 Мпа Температура 1923 2126 2998 31000 3450 3753 плавления, °С Свободная энергия -3200 -25600 -5400 -39400 - образования -25850 - 1900°K 1600°K 1100°K 1800°K 1500°K F при Т=2000°K 3. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И СРОК СЛУЖБЫ БЫСТРОИЗНАШИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.

В дорожном строительстве для производства битумоминеральных смесей широко используются двухвалковые смесители периодического действия [12,18,15,16]. К одним из наиболее быстроизнашиваемых деталей смесителя относятся лопатки роторов, которые в процессе эксплуатации подвержены интенсивному абразивному изнашиванию перемешиваемыми частицами гранитного щебня, микротвёрдость которых составляет 13,9-16,8 ГПа, а прочность 10-14 ГПа [17,18]. Высокая интенсивность изнашивания лопаток вызывает увеличение радиального зазора между её торцом и броней смесителя, что приводит к снижению качества приготовляемой смеси.

Несмотря на значительное количество исследований по увеличению срока службы лопаток [19-23] проблема повышения их износостойкости остаётся актуальной вследствие того, что их приходится менять в 2-3 раза чаще, чем другие детали смесителя. Это значительно снижает производительность и технико-экономические показатели производства асфальтобетона. Так, по статистическим данным [12,15,19] в строительстве задействован парк машин общей стоимостью 18 млрд. рублей (в ценах 1991 г.), а расходы на техническое обслуживание и ремонт составляет 22,2% от стоимости основных фондов и равняются 4-м млрд. (в ценах 1991 г.), из которых около 5% приходится на затраты, связанные с заменой лопаток асфальтосмесителей.

3.1 КОНСТРУКЦИЯ, УСЛОВИЯ И МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ Асфальтосмесительная установка ДС-117-2Е (рис. 3.1) представляет собой комплект технологического оборудования, предназначенного для приготовления различных асфальтобетонных и битумоминеральных смесей, основным технологическим процессом которого является смешивание гранитных частиц с органическим вяжущим битумом. Перемешивание осуществляется в лопастных смесителях периодического действия (рис.3.2) [20,21].

Технические характеристики двухвального смесителя периодического действия установки ДС-117 2Е:

Производительность, т/ч Частота вращения вала, с-1 Количество лопаток, шт. Мощность электродвигателя, кВт Окружная скорость на рабочей кромке лопатки, м/с 2, Угол между плоскостью лопасти и осью вала 45° Начальный радиальный зазор между лопаткой и броней смесителя, 5-10 мм.

Минимальный допустимый износ лопатки в радиальном направлении, 5 мм.

Рисунок 3.1- Схема асфальтосмесительной установки ДС-117-2Е Рисунок 3.2- Двухвальный лопастной смеситель периодического действия Корпус смесителя 1 (см. рис. 3.2) представляет собой ёмкость, внутренняя поверхность которой облицована сменными футерованными листами 9. С торцов корпус ограничен вертикальными стенками 8, а в днище находится разгрузочное отверстие, закрытое затвором 10. Лопатку 6 крепят к стойке 7 под углом 45° к оси вала и болтами 13 с потайной головкой. Стойки крепят на вал попарно и соединяют двумя болтами 16. Установленные таким образом лопатки образуют прерывистую винтовую поверхность, что обеспечивает смещение составляющих асфальтобетонной смеси как по направлению своего вращения, так и по продольной оси смесителя. В результате движения валов в противоположных направлениях происходит сложное движение смешиваемой массы, которая перемещается по днищу от стенок к центральной части корпуса, поднимается, перебрасывается из одной половины смесителя в другую и обратно, что способствует качественному перемешиванию.

Одной из основных технологических задач при производстве асфальтобетонных смесей является сохранение допустимого радиального зазора (см. рис.3.2) между лопаткой и корпусом смесителя.

Однако, находясь в непосредственном контакте со смешиваемой массой, лопатка подвержена изнашиванию, в результате чего изменяются её геометрические размеры, что приводит к постепенному увеличению радиального зазора. Изнашивание различных участков лопатки не одинаково (рис. 3.3, а) из-за различных удельных давлений и скоростей скольжения абразивных частиц по поверхности трения [15,19]. Максимальная величина износа наблюдается на рабочей кромке лопатки, обращённой к днищу корпуса смесителя. Высокая интенсивность изнашивания в радиальном направлении приводит к снижению производительности и ухудшению качества выпускаемой продукции, поскольку на днище смесителя остаётся слой не перемешенной смеси. По этому, в соответствии с техническими требованиями по эксплуатации срок службы лопаток определяется допустимым значением износа её в радиальном направлении и составляет 5 мм.

Однако обычно при производстве асфальтобетона реальное увеличение величины допустимого износа рабочей кромки находится в пределах 10-15 мм [15,19,24].

В связи с противоречивостью сведений о величине допустимого радиального зазора были проведены направленные исследования по определению допустимой величины износа лопаток в радиальном направлении с учётом условий начала заклинивания и дробления гранитных частиц, которое в значительной степени интенсифицирует процесс изнашивания поверхности трения и увеличивает нагрузки на валы и привод смесителя.

Многочисленными исследованиями, проведёнными отечественными и зарубежными учёными [29 43], установлены некоторые характеристики механизма абразивного изнашивания материалов.

Однако особенности разрушения сталей и сплавов в условиях эксплуатации рабочих органов асфальтосмесителей этими характеристиками не охватывается. По данным [19] изнашивание лопаток, броней, стоек происходит вследствие режущего и царапающего действия гранитных частиц.

а) б) Рисунок 3.3- Величина износа лопатки (а) и поверхность рабочей кромки после эксплуатации (б):

(чугун 250Х5С2ГАТ, а.с. 429130)[19] В других исследованиях [15,58] отмечается, что в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей возможно наличие двух механизмов изнашивания - трения о полузакреплённый абразив и ударно-абразивное изнашивание, которое возникает в результате заклинивания и дробления абразивных частиц в зазоре между лопаткой и сектором брони смесителя. В то же время в литературе нет сведений о влиянии на характер разрушения поверхности трения жидкой битумной прослойки, образующейся между металлом и абразивными частицами, которая создаёт специфические особенности абразивного изнашивания в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей. Поскольку взаимодействие абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью может сопровождаться различными сопутствующими процессами - выделением тепла, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое, структурными превращениями, то незнание особенностей протекания данных процессов в конкретных условиях эксплуатации не позволяет определить основные требования к повышению износостойкости сплавов.

Таким образом, разрозненность и недостаточность сведений о механизме изнашивания лопаток вынуждают, при выборе оптимального сплава для лопаток, основываться на данных других работ о механизме абразивного изнашивания в условиях, близких к эксплуатации лопаток асфальтосмесителей и результатах собственных направленных исследований.

Сложность явлений, протекающих в зоне взаимодействия металла с абразивным телом, обусловлена большим числом факторов, зависящих от свойств сплавов, характеристик абразивных частиц (твёрдость, прочность, форма и размер режущих граней, степень закреплённости), а также, условий нагружения и представляет собой совокупность различных элементарных процессов, непосредственно связанных с упрочнением и разупрочнением поверхностного слоя. Скорость их развития зависит от скорости ведущего процесса изнашивания, для протекания которого сложились наиболее благоприятные условия [30]. Специалисты в области изнашивания выдвигают различные гипотезы о механизме этого сложного процесса.

Так, например, Хрущёв М.М. и Бабичев М.А. [11,29] показали, что механизм абразивного изнашивания состоит из совокупности микрорезания и пластического деформирования. В то же время указывалось, что не все абразивные частицы способны производить микрорезание металла.

Большинство зёрен оставляет на поверхности трения след в виде пластически выдавленных рисок и канавок.

Исследуя механизм изнашивания материалов о закреплённый абразив, Крагельский И.В.

предложил считать главной причиной разрушения не микрорезание, а усталостное "передеформирование" одних и тех же микрообъёмов металла [31-33].

В работах Львова Н.Н. [34], при изучении разрушения рабочей поверхности строительных и дорожных машин, показано, что зарождение и развитие микротрещин в "навалах" выдавленной канавки является причиной сравнительно лёгкого отделения металла при повторном пластическом деформировании поверхности трения абразивными частицами.

Тененбаум М.М. [30] предложил комплексный механизм абразивного изнашивания, показав, что интенсивность изнашивания является функцией уровня контактных напряжений (Gк), величина которых главным образом зависит от нагрузки, свойств металла и абразивных частиц. Если величина контактных напряжений превышает предел прочности металла (Gв), то преимущественным механизмом будет прямое разрушение путём резания и царапания поверхности трения, обусловливающие наиболее интенсивный процесс изнашивания. Интенсивность полидеформационного разрушения на порядок ниже прямого и происходит когда величина контактных напряжений лежит между пределами текучести и прочности металла (Gу

Если величина контактных напряжений меньше предела текучести, но больше предела упругости (Gу) (Gу

По мнению Костецкого Б.И. [35,36], абразивное изнашивание материалов вызывает необратимые изменения микрорельефа, структуры, прочностных характеристик, в результате которых формируется своеобразное остаточное состояние поверхностных слоев после снятия нагрузки.

Износостойкость определяется не только исходными свойствами металла, но и состоянием поверхностного слоя, образующегося в процессе изнашивания.

В работах [37,38] предложен энергетический анализ зависимости износостойкости, которая может оцениваться величиной расхода энергии, сообщённой металлу абразивным телом. Механизм абразивного разрушения представляется состоящим из двух элементарным актов:

1) внедрения абразивной частицы в поверхность металла;

2) срез микростружки и пластическое деформирование с образованием канавки и валиков при относительном перемещении абразива и детали.

Зная пути расхода энергии, можно оценить вклад каждого процесса в общий баланс энергетических затрат, что даёт возможность выбирать наиболее эффективные методы борьбы с разрушением.

Механизм абразивного изнашивания в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей представляет собой сложный, процесс, охватывающий комплекс явлений разрушения поверхности трения в результате механического воздействия абразивных частиц, обладающих высокой твёрдостью и прочностью. Определение наиболее существенных факторов, в значительной степени влияющих на характер взаимодействия в конкретных условиях изнашивания, невозможен без детального изучения самого процесса разрушения, исследования микрорельефа изношенных поверхностей, влияния структурного состояния и свойств сплавов на их способность к сопротивлению абразивному изнашиванию.

3.2 ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ СТАЛЕЙИ СПЛАВОВ НА ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ.

Несмотря на значительное количество попыток добиться увеличения ресурса работы лопаток асфальтосмесителей [18,58], проблема повышения их срока службы продолжает оставаться актуальной. В основном на асфальтобетонных заводах используют стандартные лопатки [19], выполненные из комплексно легированного белого чугуна 250Х5С2ГАТ (А.С.429130), средний ресурс которых до замены, при радиальном износе рабочей кромки 15 мм, не превышает тыс.тонн выпускаемой смеси или 850 часов машинного времени, что составляет примерно, учитывая работу в две смены по 8 часов, 2-2,5 месяца [19,44,58]. Микроструктура данного чугуна после термической обработки (t закалки=880-900°С), вследствие отклонения в технологическом процессе [44,58] может быть различной - мартенситной, троостомартенситной либо трооститной.

Карбидная фаза представляет собой хромистый цементит, расположенный по границам зёрен.

Поверхностная твёрдость составляет 60-62 НRС, а сердцевины, в связи с недостаточной прокаливаемостью, - 50-52 НRС.

Отдельные заводы применяют лопатки, изготовленные из серого чугуна, модифицированного теллуром (с массовой долей 0,03% - 0,05%), твердостью 420-480 НВ. Однако срок службы лопаток, изготовленных из такого чугуна по данным [22,23] составляет 7,5 месяца, что соответствует выпуску 90 тыс. тонн смеси (около 3600 часов машинного времени). При этом износ кромки не превышал 5 мм.

Противоположные данные получены на ПО " Дормашина " г. Кременчуг после проведения испытаний лопаток отлитых из низколегированного серого чугуна СЧ 20 ГОСТ 1412-79, модифицированного теллуром. При агрегатной твёрдости 45 НRС износ лопаток был на 20 % меньше, чем серийных [58].

Низкой износостойкостью обладают лопатки, отлитые из стали 35Л, недостаточная твёрдость которой вызывает необходимость их замены через 8-10 смен, что составляет примерно 2500- тонн выпущенной смеси [22].

В работах [19,20] приведены данные, свидетельствующие о крайне противоположных рекомендациях по выбору материала для изготовления лопаток. Так, предлагается использовать аустенитную сталь 110Г13Л с твёрдостью 196 НВ и мартенситный никель хромистый чугун (нихард), имеющий агрегатную твёрдость 63-65 НRС. Значительное расхождение этих материалов по структурному состоянию и механическим свойствам вызывает серьёзные противоречия при определении требований, предъявляемых к сплавам для работы в условиях рабочих органов асфальтосмесителей.

Для увеличения срока службы лопаток на ПО "Дормашина" [58] был рекомендован боромарганцовистый чугун со следующей массовой долей, %:

С = 3,2-3,6;

Si = 1,3-1,5;

Мn = 3,6-4,0;

Сr = 0,6-1,0;

Сu = 0,1-0,4;

Ni > 0,12;

Тi= 0,03-0,08;

В = 0,025 0,03;

Р < 0,2;

S< 0,12.

Твёрдость деталей, отлитых из предложенного материала, составляет 47-53 НRС, а износостойкость 1,5 раза выше, чем у серийно изготовляемых лопаток по СТП-564-71.

Для восстановления и упрочнения лопаток асфальтосмесителей на Ростовском асфальтобетонном была осуществлена попытка применения наплавки рабочих поверхностей сплавом типа "Сормайт", имеющем агрегатную твёрдость 45-54 НRС и 60% карбидных включений в ледебуритной основе [16].

ВКТИ СТРОЙДОРМАШ была предложена опытная технология наплавки рабочей кромки лопаток из стали 45 и серого чугуна стандартной порошковой проволокой ПП-АН 125. Однако проведённые испытания показали, что из-за износа по толщине незащищённых участков рабочей поверхности, упрочнённые таким способом лопатки, имеют срок службы всего 145 часов машинного времени (3227 тонн выпущенной смеси) [45].

В литературе по увеличению износостойкости лопаток имеются отрывочные сведения об использовании в США карбида вольфрама [46], в Германии твердосплавных пластин [47] и в Украине наплавки порошковой проволокой ПП - АН 170 [44].

Таким образом, анализ литературных данных о материалах для изготовления рабочих органов асфальтосмесителей показал, что имеются немногочисленные крайне противоречивые рекомендации, касающиеся небольшого количества сплавов, которые существенно отличаются по степени легированности, исходной твёрдости и структурному – фазовому состоянию. Отсутствие обоснованных сведений относительно необходимых свойств материалов, а также наличие расхождений в оценке износостойкости одинаковых сплавов свидетельствует о бессистемном подходе при выборе металла для работы в условиях эксплуатации лопаток. Представленные данные отражают частные попытки в применении тех или иных материалов, по результатам испытаний которых невозможно определить связь между сопротивляемостью сплавов изнашиванию в указанных условиях эксплуатации и их химическим составом, структурой, физико-механическими свойствами.

3.2.1 СВЯЗЬ МЕЖДУ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ.

В процессе исследования сопротивляемости металлов и сплавов абразивному изнашиванию многие исследователи пытались установить взаимосвязь между износостойкостью и отдельными физико механическими свойствами материалов [11,30,38,48-57,59-64]. Большое количество работ посвящено выявлению закономерностей между твёрдостью и износостойкостью материалов, работающих в абразивной среде [11,30,31,38,41,43,48,50]. Твёрдость при быстрых и доступных испытаниях для её определения позволяет судить о способности металла оказывать сопротивление пластической деформацией (реже хрупкому разрушению) при местных контактных воздействиях в поверхностном слое.

Для чистых металлов, а также сталей в отожжённом состоянии Хрущёв М.М. и Бабичев М.А.

установили прямо пропорциональное увеличение износостойкости от повышения их твёрдости [11]. Однако после термообработки при одинаковой твёрдости сплавы с разным химическим составом отличаются по износостойкости [30,38,50].

Ткачёв В.Н. [51] предпринял попытку связать анатомически твёрдость и износостойкость испытуемого материала, предложив использовать выражение:

(3.1) где - износостойкость материала;

В - коэффициент, зависящий от интенсивности изнашивания;

Н - микротвёрдость сплава;

n - показатель, зависящих от соотношения твёрдости материала и абразивных частиц.

В соответствии с (3.1) зависимость износостойкости сплава может принимать нелинейный характер.

В сплавах с остаточным метастабильным аустенитом, упрочняющихся в процессе взаимодействия с абразивом, отмечена зависимость не от исходной твёрдости, а от твёрдости поверхности трения при установившемся процессе изнашивания [38].

В многочисленных исследованиях других авторов указывалось на связь износостойкости с некоторыми физико-механическими свойствами сталей и сплавов.

Так, для чистых металлов и сталей в отожжённом состоянии отмечалось наличие пропорциональной зависимости между износостойкостью и модулем упругости [11,52]. Ткачёв В.

А. [51], изучавший интенсивность разрушения металла в почве, установил связь износостойкости с модулем сдвига (G) и показал, что эта зависимость справедлива во всех случаях, когда значение модуля возрастает пропорционально увеличению микротвёрдости сплава.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.