Абразивный износ

Абразивный износ — это процесс разрушения поверхности твёрдого тела в результате механического воздействия твёрдых частиц или выступов, находящихся в контакте с этой поверхностью и движущихся относительно неё. Абразивный износ является одним из основных видов механического изнашивания материалов и деталей машин, приводя к потере массы, изменению геометрии и ухудшению эксплуатационных свойств.

Механизм и виды абразивного износа

Механизм абразивного износа основан на микрорезании, царапании, выкрашивании и усталостном разрушении поверхностного слоя материала. Твёрдые частицы (абразив) внедряются в поверхность и при относительном движении срезают микростружку, оставляют борозды и канавки, либо вызывают многократные пластические деформации, приводящие к отрыву частиц материала.

Различают несколько основных видов абразивного износа в зависимости от условий контакта:

Износ при трении скольжения о закреплённые абразивные частицы (например, о наждачную бумагу, шлифовальный круг). Абразивные зёрна жёстко закреплены на подложке.
Износ при трении о свободные абразивные частицы (газоабразивный, гидроабразивный). Частицы движутся в потоке газа или жидкости и ударяются о поверхность.
Износ при трении в абразивной массе (например, в грунте, песке, руде). Деталь движется в среде, содержащей абразивные частицы.
Износ при трении о нежёстко закреплённые частицы (например, в подшипниках скольжения при попадании загрязнений).

Факторы, влияющие на интенсивность абразивного износа

Интенсивность абразивного износа зависит от комплекса факторов, которые можно разделить на три группы: свойства абразива, свойства изнашиваемого материала и условия эксплуатации.

Свойства абразива

Твёрдость: чем выше твёрдость абразивных частиц по сравнению с твёрдостью изнашиваемого материала, тем интенсивнее износ. Наибольшее влияние оказывают частицы, твёрдость которых превышает твёрдость материала в 1,3–1,7 раза.
Форма и размер: остроугольные частицы вызывают более интенсивный износ, чем округлые. С увеличением размера частиц до определённого предела (обычно 100–200 мкм) износ растёт, затем стабилизируется.
Прочность: частицы, склонные к дроблению, могут образовывать новые режущие кромки, усиливая износ.

Свойства изнашиваемого материала

Твёрдость: в общем случае, чем выше твёрдость материала, тем выше его износостойкость. Однако корреляция не всегда линейна, особенно для гетерогенных структур.
Микроструктура: наличие карбидов, боридов, нитридов и других твёрдых фаз в матрице может значительно повышать износостойкость. Важна их форма, размер, распределение и прочность связи с матрицей.
Вязкость: для материалов, работающих в условиях ударно-абразивного износа, высокая вязкость необходима для предотвращения выкрашивания и сколов.
Химический состав: легирование хромом, марганцем, молибденом, вольфрамом и другими элементами способствует образованию твёрдых фаз и повышению износостойкости.

Условия эксплуатации

Скорость относительного движения: с ростом скорости износ обычно увеличивается, особенно для газоабразивного износа.
Угол атаки: при газоабразивном и гидроабразивном износе максимальный износ для пластичных материалов наблюдается при углах атаки 20–40°, для хрупких — при 90°.
Нагрузка (давление): увеличение нормальной нагрузки приводит к росту глубины внедрения абразивных частиц и, следовательно, к увеличению износа.
Температура: при высоких температурах может происходить разупрочнение материала, снижение твёрдости и ускорение износа.
Наличие коррозионной среды: в агрессивных средах абразивный износ может сочетаться с коррозионным, что приводит к синергетическому эффекту — абразивно-коррозионному износу.

Методы борьбы с абразивным износом

Снижение абразивного износа достигается комплексом конструкционных, технологических и эксплуатационных мероприятий.

Конструкционные методы

Выбор износостойких материалов: применение высоколегированных сталей, чугунов с высоким содержанием хрома, твёрдых сплавов (на основе карбида вольфрама), керамики, полимеров (полиуретан, полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы).
Оптимизация геометрии деталей: увеличение толщины стенок, скругление острых кромок, изменение углов атаки поверхности.
Применение защитных покрытий: наплавка износостойких слоёв (электродуговая, плазменная, лазерная), напыление (газотермическое, HVOF, детонационное), гальванические покрытия (твёрдое хромирование), нанесение полимерных покрытий.

Технологические методы

Термическая и химико-термическая обработка: закалка, цементация, азотирование, борирование, цианирование — повышают твёрдость поверхностного слоя.
Поверхностное упрочнение: дробеструйная обработка, наклёп, лазерное упрочнение.
Создание композиционных материалов: введение в матрицу твёрдых наполнителей (карбидов, оксидов, боридов).

Эксплуатационные методы

Очистка рабочих сред: удаление абразивных частиц из смазочных материалов, топлива, воздуха, технологических жидкостей с помощью фильтров, сепараторов, отстойников.
Снижение скорости и нагрузки: уменьшение кинетической энергии удара частиц.
Регулярное техническое обслуживание: своевременная замена изношенных деталей, контроль состояния защитных покрытий.
Применение смазочных материалов: использование смазок с твёрдыми добавками (графит, дисульфид молибдена) может снижать трение и износ.

Примеры проявления абразивного износа в технике

Абразивный износ является одной из основных причин выхода из строя оборудования в горнодобывающей, строительной, металлургической, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности.

Горнодобывающая промышленность: износ ковшей экскаваторов, дробилок, мельниц, транспортёров, бурового инструмента, шламовых насосов.
Строительство: износ бетономешалок, бетононасосов, асфальтоукладчиков, отвалов бульдозеров, зубьев рыхлителей.
Металлургия: износ прокатных валков, направляющих, рольгангов, оборудования для агломерации и окомкования.
Сельское хозяйство: износ плугов, борон, культиваторов, сеялок, почвообрабатывающих фрез, измельчителей кормов.
Энергетика: износ лопаток турбин, работающих в запылённом потоке газа, износ трубопроводов золошлакоудаления, оборудования систем пылеприготовления.
Транспорт: износ тормозных колодок и дисков, износ рельсов и колёсных пар (в меньшей степени, но присутствует), износ деталей ходовой части, работающих в условиях запыления.