Абразивное изнашивание. 
Основы трибологии

Абразивное изнашивание относится к наиболее интенсивным видам механического разрушения поверхности, возникающим в результате режущего или царапающего действия на нее твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Необходимым условием проявления абразивного изнашивания является меньшая твердость поверхностного слоя детали по сравнению с абразивом. Наиболее распространенным абразивом является обычный кварцевый песок, который входит в состав грунтов, почв и пыли и является основным агентом, вызывающим изнашивание деталей. Абразивными частицами могут быть окалина, руда, уголь, структурные составляющие одного из сопряженных тел, продукты износа.

Основным признаком проявления абразивного изнашивания поверхности трения является наличие на ней хорошо различимых рисок, мелких царапин и углублений различной протяженности, ориентированных в направлении движения. Образование рисок и углублений на поверхности трения имеет двоякое происхождение. Риски и углубления образуются в результате отделения материала в виде микростружки, когда материал достаточно твердый и малопластичный, или это след, образованный вытеснением материала в отвалы, когда микрорезание не происходит из-за его высокой пластичности. Вытеснение абразивной частицей материала в отвалы — первый этап разрушения поверхности. При движении последующих абразивных частиц вблизи ранее образованных отвалов на их боковых поверхностях происходит повторное передеформирование и переориентация материала отвалов в сторону риски или его отделение от поверхности изнашивания.

Многочисленными исследованиями установлено, что стойкость металлов к абразивному изнашиванию металлов зависит от вида кристаллической решетки и прочности межатомных связей в решетке. М. М. Хрущевым применительно к технически чистым металлам и сталям в отожженном состоянии получена зависимость для оценки объема абразивного износа, V:

где N — нормальная нагрузка; S — путь трения; Н — твердость истираемого материала; а — размер абразивного зерна; с — коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей поверхности, условий взаимодействия, контактирующих тел, кинематики движения и закрепления абразива, остроты ребер абразива.

Абразивное изнашивание наблюдается не только для металлов и сплавов, но и для неметаллических материалов, таких, как углеграфитовые, керамические, полимерные и композиционные. Полимерные материалы, у которых когезионная прочность существенно меньше, чем у большинства контактирующих с ними триботехнических материалов, в особенности подвергаются абразивному изнашиванию. Полимерным материалам, как и металлам и сплавам, свойственно увеличение интенсивности изнашивания с ростом размера абразивных частиц.

Абразивному изнашиванию в наибольшей мере подвергаются детали сельскохозяйственных, дорожно-строительных, горных, транспортных машин и транспортирующих устройств, узлы металлургического и дробильно-размольного оборудования, металлорежущих станков и т. д.

В реальных условиях эксплуатации оборудования при абразивном изнашивании реализуются различные схемы воздействия абразива. В зависимости от вида трения различают:

• · абразивное изнашивание при трении скольжения;
• · трении качения;
• · соударение материала с абразивом.

Особо выделяется взаимодействие материала с абразивом при движении деталей и инструмента в потоке частиц абразива, несомых воздухом или жидкостью.

Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание происходят в результате действия движущихся твердых частиц, увлекаемых потоком газа или жидкости. Износ в этих случаях зависит от скорости удара частиц и угла наклона вектора скорости к поверхности изнашиваемой детали — угла атаки. На величину износа влияет также концентрация абразивных частиц в потоке, их форма, механические характеристики частиц и изнашиваемых материалов, а также температура среды и ее кислотность.

Интенсивность изнашивания J_G для этих видов абразивного изнашивания связана со скоростью частиц v зависимостью:

(9.2).

где К — коэффициент, зависящий от угла атаки и свойств изнашиваемого и абразивного материала; m — показатель степени, зависящий от вида изнашиваемого материала. При скорости <100 м/с величина m составляет для стали Ст3 — 2,3; для закаленной стали 45- 2,5; для белого чугуна — 2,8; для базальта — 2,9.

Зависимость износостойкости от угла атаки в большинстве случаев выражается кривой с минимумом, соответствующим критическому углу атаки. Угол атаки для хрупких неметаллических материалов близок к 90⁰, а для металлических сплавов его значение уменьшается по мере повышения их пластичности и составляет для мягкой стали — 30⁰-40⁰, для закаленной — 50⁰-70⁰.

Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание наблюдается в рабочих колесах гидравлических турбин, лопатках газовых турбин, трубах водяных экономайзеров и паровых котлов, лопастях дымососов, трубах и насосах земснарядов, подшипниках гребных валов судов и т. п.