Абразивное изнашивание. 
Триботехника и основы надежности машин

Общие сведения Абразивным материалом называют материал естественного или искусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (царапания). Абразивное изнашивание — это разрушение поверхности детали в результате его взаимодействия с твердыми частицами при наличии относительной скорости.

К таким частицам относятся:

• а) неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной либо под небольшим углом атаки к поверхности детали (например, шаржирование посторонними твердыми частицами мягких антифрикционных материалов);
• б) незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали (например, насыпные грузы при их транспортировании соответствующими устройствами, абразивные частицы в почве при работе почвообрабатывающих машин и т. д.);
• в) свободные частицы в зазоре сопряженных деталей;
• г) свободные абразивные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.

Абразивное изнашивание вызывают почва, грунт, руда, уголь и порода, зола, пыль, попавшие на поверхность трения, металлическая стружка, окисные пленки, закрепленные на поверхности трения или разрушенные, нагар и продукты изнашивания, в особенности выкрошившиеся части твердых структурных составляющих.

Изнашивание поверхностей деталей твердыми абразивными частицами Абразивная частица вдавливается в поверхность детали, если она обладает большей твердостью, чем металлическое тело. Внедрившаяся частица при движении относительно поверхности может процарапать риску или срезать микроскопическую стружку.

При твердости металлической поверхности, превышающей 60% твердости абразива, износостойкость резко возрастает. Такое отношение твердостей можно назвать критическим.

Абразивное изнашивание при ударе Процесс разрушения детали при ударном взаимодействии между деталью и абразивом называют ударно-абразивным изнашиванием. Этому разрушению подвергаются детали буровых долот, камнеи рудомелющих агрегатов, породоразрушающий инструмент пневмои гидроударников, детали гусеничного хода машин и др.

Для ударно-абразивного изнашивания характерно образование на поверхности трения лунок в результате локальной пластической деформации металла.

Изнашивание от абразивных частиц в зазоре пары трения Попавшие в зазоры пар трения абразивные частицы под действием нагрузки могут, в зависимости от условий, впрессовываться в поверхности трения, дробиться на более мелкие фракции, скользить или перекатываться вдоль поверхности изнашивания, упруго и пластически деформируя ее.

Наибольшее изнашивающее воздействие оказывают частицы кварца, твердость которых достигает 11.12 ГПа. Эти частицы размером 1.30 мкм могут длительно находиться в воздухе при его движении.

Воздушные фильтры двигателей автомобилей и других машин могут задерживать только крупные частицы пыли; мелкие частицы проникают в двигатель вместе с засасываемым в цилиндры воздухом. Очищающая способность фильтров 98.99%, т. е. 1.2% пыли, содержащейся в воздухе, попадает в цилиндры двигателя. При эксплуатации автомобилей и тракторов запыленность воздуха обычно составляет 0,5. 1 г/м3, при этом с каждым кубометром воздуха в цилиндры засасывается 5.20 мг пыли.

Так, двигатель автомобиля, эксплуатируемого в песчаных районах, требует капитального ремонта после пробега в 15 тыс. км, тогда как в условиях незапыленного воздуха он проходит без ремонта 150 тыс. км и более.

Изнашивание от абразивных частиц в потоке жидкостей или газа При допущении, что среда неагрессивна к поверхности детали, следует различать два случая взаимодействия абразивных частиц с материалом.

Прямой удар (угол атаки, а = 90°). В зависимости от массы частиц, скорости их падения, свойств абразива и физико-механических свойств материала детали возникают упругая деформация, пластическая деформация, крупное разрушение, перенаклеп с отделением материала в виде чешуек.

Косой удар (0 < а < 90°). При углах атаки не больше угла трения на характер повреждений поверхности сильно влияют касательная составляющая импульса и сопротивление материала воздействию касательных сил на поверхность.

В некоторых случаях износостойкость резины в несколько раз выше, чем закаленной стали, в других случаях (при нулевом угле атаки) износостойкость резины ниже, чем стали, в связи с фрикционной природой усталостного повреждения поверхности.

Влияние влажности и агрессивности среды на абразивное изнашивание Влажность увеличивает интенсивность абразивного изнашивания, так же, как и агрессивность среды.

Абразивное изнашивание в коррозионно-активных средах Содержание водорода в поверхностном слое закаленной стали увеличивается в процессе трения в присутствии пресной и морской воды в 3.3,6 раза, у незакаленной стали — в 2,4.2,8 раза, а при трении в среде сока растения в 3,8 и 3,2 раза для закаленной и незакаленной стали соответственно.

Влияние мелких абразивных частей на износ Экспериментально установлено, что если размер частиц не превышает 5 мкм, то они, имея большую развитую поверхность, абсорбируют на себе продукты окисления масла, что может снизить интенсивность изнашивания детали.

Многие исследования показывают, что частицы с размерами менее 5 мкм уменьшают износ частицы, размером более 5 мкм — увеличивают износ.