Методика выбора износостойких материалов
для строительных машин и оборудования

 

Густов Д. Ю., Моисеенко А.И. (МГСУ, Москва, РФ)

 

Technique of selection of tear-proof stuffs for building machines and equipment.

 

С целью выбора износостойких материалов для конкретных условий изнашивания в МГСУ разработан деформационно-топографический метод исследования триботехнических показателей. Метод основан на использовании функций распределения микротвёрдости по глубине подповерхностного слоя (склеробат) и микрометалла по высоте шероховатой поверхности (гипсограмм). Постулируется положение о разрушении (износе) материала по достижении предельной микротвёрдости Н_а, выражаемой через исходную Н₀ и поверхностную Н_s микротвёрдость зависимостями

Н_а = H_S [К_S^0,5 + ( К_S - 1)^0,5],                            (1)

Н_а = H_S [К_S^-1 - ( К_S^-1 - 1)^0,5],                            (2)

где К_S = H_S / Н₀ - степень трибодеформационного упрочнения.

Выражения (1) и (2) применимы соответственно для упрочняющихся
(К_S > 1) и разупрочняющихся (К_S < 1) металлов.

В относительном виде эти зависимости имеют вид

К_а = К_S [К_S^0,5 + ( К_S - 1)^0,5],                            (3)

К_а = К_S [К_S^-1 - ( К_S^-1 - 1)^0,5],                            (4)

где К_а = Н_а / Н₀.

Установлено, что повышенную износостойкость имеют материалы при динамическом равновесии процессов упрочнения и разупрочнения, когда К_S=1. Оптимальным можно считать материал при К_S = 0,8 ... 0,85.

С учётом микротвёрдости абразивных частиц технологической массы необходимо принимать относительную твёрдость материала 0,8 £ К_Т=Н_М /Н_АБР£1.

Обеспечивая изнашивание деталей по механизму многоцикловой усталости, примем показатель фрикционной усталости материала в пределах 3 < t < 4.

Уточнённое значение t можно определить по формуле

t = lne_a / ln(e_a /D_a) = lne_a / lnl,                         (5)

где e_a - абсцисса центра тяжести парциального микроизноса D_a, определяем для по гипсограмме или из зависимости

,                                 (6)

где D_mg - гармоническое значение парциального микрометалла в пределах шероховатого слоя равное 0,618; D_m = 1 - D_а  - парциальный микрометалл шероховатого слоя.

Установлено, что отношение l = e_a /D_a в выражении (5) изменяется в узком интервале (среднее значение 0,568) и может быть определено по формуле

l = 0,451 ( 1 + 2,71×10^-5 Н₀)                           (7)

Таким образом, при известной начальной твёрдости материала Н₀ и при экспериментально определённой величине K_S по зависимости (6) можно определить парциальное значение D_a, а по (7) - величину l. Оценив сближение e_a=D_a l, по (5) можно рассчитать показатель фрикционной усталости t.

На основании установленных триботехнических характеристик возможна идентификация механизма изнашивания материала и оценка условий работы детали. Так, при 0,55£D_a £1 и 1<t <2 изнашивание происходит по механизму микрорезания (МР), при 0,35£ D_a <0,55 и 2<t <3 - малоцикловой усталости (МЦУ), при 0<D_a £0,25 и 4,5<t <14 - многоцикловой усталости (МнЦУ). При 0,25£D_a £0,35 и 3<t <4 проявляется смешанное изнашивание по механизмам МЦУ и МнЦУ.

Применительно к конкретным изнашивающимся деталям необходимо изначально знать характеристики технологической среды (кислотность pH, гранулометрический состав, микротвёрдость частиц, давление, скорость, температура и др.), материала детали (исходная твёрдость, давление на рабочей поверхности, скорость трения, поверхностная и объёмная температура и др.), эксплуатационные параметры (частота вращения или хода, производительность, длительность работы и др.).

Наиболее износостойкими в абразивной среде оказались композиционные литые и спечённые материалы. Взамен вольфрамсодержащих твёрдых сплавов ВК15 можно применять композиционный материал на основе стали Х6В3М с карбидами титана. Эта карбидосталь имеет HRA 82, предел прочности при изгибе 1200 МПа и ударную вязкость 40 кДж/м². Она уступает по износостойкости сплаву ВК15 и в 2 ... 3 раза превышает стойкость наплавки электродами Т-620.

Выбор износостойких материалов для конкретных условий работы можно осуществлять по предложенным трибомеханическим критериям вида

К_e = К_Т f / K_S D_a ,                                    (9)

где К_Т - исходная относительная микротвёрдость Н₀₁ / Н₀₂ трущихся тел; K_S - кратное трибодеформационное упрочнение; f - коэффициент трения скольжения; D_a - парциальный микроизнос шероховатого слоя.

Принимая во внимание степенную зависимость абразивной износостойкости от относительной твёрдости, критерий износостойкости можно выразить через показатель фрикционной усталости t:

                                   (10)

Сопоставление расчётных и экспериментальных значений относительной износостойкости различных деталей показало удовлетворительное совпадение при каждом из приведённых критериев.

 

Выводы:

1. Деформационно-топографический метод исследования триботехнических показателей позволяет обоснованно выбирать материалы и технологии для повышения абразивной износостойкости машин и оборудования.

2. За счёт применения исследованных триботехнических материалов и технологий возможно многократное повышение износостойкости деталей, рабочих органов и узлов трения.