14.01.2016

При трении сопряженных поверхностей происходит их износ, под которым понимают процесс отделения материала с поверхности твердого тела, постепенного изменения размеров и формы тела. Важной характеристикой, определяющей долговечность изделий, испытывающих контактное механическое воздействие в условиях трения или абразивного воздействия внешней среды, является износостойкость. Под этим свойством материала понимают сопротивление износу, оцениваемое величиной, обратной скорости износа. В результате износа изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, что приводит к выходу машин и механизмов из строя.
Известно, что износостойкость возрастает с повышением твердости сплавов при условии однородности структуры. Неоднородность состава, структуры, наличие дефектов в поверхностном слое сплава с высокой твердостью сопровождаются интенсивным разрушением (выкрашиванием) материала, приводят к падению износостойкости. Таким образом, повышение износостойкости, например быстрорежущих сталей, высоколегированных сплавов, возможно при условии высокой структурно-химической однородности.
Физико-химические процессы, сопутствующие износу, являются весьма сложными и нередко сопровождаются коррозией. При трении происходит дискретное касание шероховатых поверхностей контактирующих тел и, как следствие, возникают отдельные фрикционные связи, определяющие процесс износа. В общем случае износ может быть следствием фрикционной усталости, хрупкого и вязкого разрушения, микрорезания при начальном взаимодействии, разрушения (в том числе усталостного) оксидных пленок, глубинного вырывания металла и т. п.
При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трения F, препятствующая взаимному перемещению:
F = Pf,

где Р — нормальная составляющая внешней силы, действующей на контактную поверхность; f — коэффициент трения.
При постоянных условиях трения имеют место три стадии (периода) износа: первый — период приработки, когда происходит интенсивный износ, изменяется микрогеометрия поверхности и материал наклёпывается; второй — период установившегося износа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных условий трения; третий — период катастрофического износа.
Обычно между трущимися поверхностями имеется тонкая пленка оксидов, которая изолирует поверхности соприкасающихся металлов. Механизм изнашивания и величина износа зависят от свойств материала пар трения, характера их движения (трение скольжения, качения и т. д.), величины Р, скорости перемещения и физико-химического действия среды.
При коррозионно-механическом или окислительном износе основное влияние на поверхностное разрушение металла оказывает химическая реакция взаимодействия его с кислородом или окисляющей окружающей средой.
Процесс нормального окислительного износа характеризуется коэффициентом трения 0,01—0,1, а толщина разрушающегося слоя 10—100 мкм. Окислительный износ наблюдается в подшипниках скольжения, валах, втулках, поршневых кольцах и т. л.
Различают следующие виды износа: механический, коррозионно-механический и электроэрозионный (износ при действии электрического тока).
К механическому износу относят абразивный, гидроабразивный, газоабразивный, эрозионный, кавитационный, усталостный, износ при фреттинге и заедании.
Абразивный износ материала происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел или абразивных частиц. Эти частицы попадают между контактирующими поверхностями из внешней среды, а также могут появиться в результате развития других видов износа (схватывания, выкрашивания, окисления). При абразивном износе могут преобладать процессы окисления (окисление и последующее разрушение оксидных пленок), механического разрушения (внедрения абразивных частиц) и разрушения поверхности. При окислительной форме абразивного износа коэффициент трения составляет 0,05—0,3, а толщина разрушающегося слоя до 0,1 мм. Абразивный износ типичен для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы.
Износ, происходящий в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным износом. Он имеет место, например, в мешалках и пропеллерах реакторов, в колесах и корпусах насосов, в шнеках и т.п.
Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (например, в дымоходах и воздуходувках), то вызываемый ими износ называется газоабразивным износом.
Под кавитационным износом понимают износ поверхности при движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаждению, трубопроводы.
Усталостный износ (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений и разрушений поверхности под влиянием циклических контактных нагрузок, вызывающих выкрашивание, Усталостный износ наблюдается в основном при трении, качении, когда контакт деталей является сосредоточенным.
Контактную усталость можно наблюдать в тяжелонагруженных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения железнодорожного транспорта и т.п.
Износ при фреттинг-коррозии происходит в результате непрерывного разрушения защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта в соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей нефтепромыслового оборудования, находящихся в подвижном контакте. Для протекания фреттинг-коррозии достаточны даже малые относительные перемещения с амплитудой 0,025 мкм.
Износ при заедании происходит в случае, когда имеет место задир, приводящий к катастрофическому износу. При этом трущиеся детали выходят из строя.
Различают схватывание первого рода (холодный задир) и второго рода (горячий задир). Холодный задир происходит при трении с небольшими скоростями относительного перемещения (до 0,5 м/с) и удельными нагрузками, превышающими σт, при отсутствии смазочного материала и защитной пленки оксидов. Горячий задир, наоборот, имеет место при трении скольжения с большими скоростями (≥ 0,6 м/с) и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500—1500 °С). При схватывании первого рода коэффициент трения 0,5—4 и толщина разрушающегося слоя до 3—4 мм, а при схватывании второго рода значения этих параметров соответственно 0,1—1 и до 1 мм.
Электроэрозионный износ происходит в результате воздействия разрядов электрического тока.
Интенсивность линейного износа определяют выражением Jh = dh/dLт, где h — линейный износ; Lт — путь трения.
В зависимости от интенсивности износа в диапазоне значений от 10в-3 до 10в-13 введено 10 классов износостойкости от 0 до 9.
Классы 0—5 соответствуют упругому деформированию (Jh = 10в-13 + 10в-17), классы 6 и 7 — упруго-пластическому деформированию (Jh = 10в-7 + 10в-5), классы 8—9 — микрорезанию (Jh = 10в-5 + 10в-3).
Интенсивность износа гильз цилиндра, поршневых колеи, шатунных и коренных шеек коленчатых валов составляет 10в-11—10в-12, режущего инструмента — 10в-6—10в-8, зубьев ковшей экскаваторов - 10в-3—10в-4.
Чем меньше износ, коэффициент трения и разогрев за данный отрезок времени испытания при постоянном давлении, тем выше износостойкость материала, Противозадирные свойства определяют в условиях трения без смазочного материала. У материалов, обладающих более высокими противозадирными свойствами, в меньшей степени или совсем отсутствует перенос материала на сопряженную поверхность, в процессе испытания меньше возрастают коэффициент трения и температура.
Износостойкость имеет определяющее значение при эксплуатации нефтепромыслового оборудования, которое работает в наиболее тяжелых условиях: открытый воздух при температурах от - 50 до + 50 °С; повышенные вибрационные и динамические нагрузки; гидроабразивный износ, агрессивные среды, включая сероводород и кислоту; высокие давления до 105 МПа; ограниченные возможности для качественного профилактического обслуживания в промысловых условиях.
В связи с возможностью большого экономического и экологического ущерба при аварии перечисленные обстоятельства обусловливают требования повышенной надежности, долговечности и безопасности оборудования, которые должны обеспечиваться применением современных материалов и технологий изготовления, включая нанесение упрочняющих и защитных покрытий.