Основні принципи підвищення зносостійкості матеріалів

Вироби конструкційного та інструментального призначення, працюючі в умовах інтенсивного зношування, широко застосовуються в сучасному машинобудуванні, добуваючій та будівельній сферах виробництва. Можливість тривалої експлуатації деталей машин, ріжучого та формоутворюючого інструменту та їх довговічність в значній мірі зв’язані з зносостійкістю матеріалів, з яких вони виготовлені.

Основною вимогою, що пред’являється до матеріалів зносостійких деталей поряд з високою їх міцністю, є підвищена твердість в поєднанні з відносно високим рівнем пластичності та порівняно низьким коефіцієнтом тертя (при їх використанні у високо навантажених вузлах тертя).

Аналіз процесів тертя та зношування дозволили сформувати ряд основних принципів високої зносостійкості матеріалів [1, 2]:

1. Структура матеріалу повинна бути суттєво гетерогенною та складатися з твердих зерен, рівномірно розташованих в пружно-пластичній металевій матриці. Пружно-пластична матриця повинна забезпечувати, з одного боку, достатню релаксацію діючих на матеріал навантажень та знижувати вірогідність втомних тріщин, з іншого боку мінімальну деформацію. Тверді включення приймають на себе основну частину діючого на матеріал навантаження та, крім того, є ефективними бар’єрами для рухаючихся дислокацій, що дозволяє різко знизити швидкість пластичної деформації.

2. структура поверхневих шарів матеріалу не повинна суттєво змінюватися в процесі тертя або повинна перебудовуватися в структуру, що є вигідна з точки зору тертя та зношування.

3. Поверхня тручихся матеріалів повинна мати меншу міцність, ніж нижче лежачі шари (правило позитивного градієнту).

Це положення зумовлено необхідністю зниження втрат на тертя в процесі експлуатації пари тертя. Найбільш ефективна його реалізація при утворенні та збереженні в процесі експлуатації пари тертя на робочій поверхні розділюючи плівок, що мають мінімальну міцність зсуву та, в той же час міцно пов’язані силами адгезії з матеріалом робочої поверхні [2].

4. Необхідною умовою надійної роботи зносостійкого матеріалу є висока міцність адгезійного зв’язку між входячими в його склад твердими включеннями та матрицею, бо через низьку адгезійну міцність складових тверді включення в композиті викришуються і відбувається абразивне зношування матеріалу.

Інтенсивне зношування такого роду двофазних матеріалів визначається вмістом компонентів, розміром зерен фаз, видом та величиною діючого навантаження та температурою в зоні контакту.

Слід відмітити, що зношування деталей машин та інструментів може бути викликано як тертям металевих деталей один об одного, так і впливом робочого середовища – струменем рідини, газу, абразивними частинками на поверхні деталей та іншими поверхневими процесами (в тому числі і в сполученні з дією високих температур). В зв’язку з цим, механізм зношування різний і залежить від умов прикладення навантаження, але в основному він зводиться до того, що в процесі роботи з поверхні матеріалу вириваються дрібні частинки [3].

Так, при роботі зносостійких матеріалів в вузлах тертя їх навантаження характеризується зусиллям, необхідним для руйнування фрикційних зв’язків між контактуючими поверхнями виробів при їхньому зсуві та проковзуванні одна відносно іншої. При торканні двох поверхонь контакти можна спостерігати по вершинам окремих випуклостей, а фактичний контакт в залежності від умов навантаження та геометрії випуклостей складає від 10^-2 до 10^-4 номінальної поверхні [2]. В зв’язку з цим загальне діюче навантаження розподіляється по плямам фактичного контакту, що передбачає високий рівень навантажень в цих областях.

У випадку абразивного зношування тверді частинки абразиву інтенсивно взаємодіють як з твердими включеннями гетерофазного зносостійкого матеріалу, так і з м’якою матрицею. Стійкість проти зношування при такому виді навантаження буде визначатися за цілим рядом факторів, таких як твердість та опір твердої фази крихкому руйнуванню, твердість та властивостями міцності матриці, міцністю. адгезійного зв’язку між фазами та іншим.

При наявності агресивного середовища опір зношування залежить і від корозійної стійкості матеріалу. В зв’язку з цим можна зробити висновок про те, що зносостійкість сплаву визначається комплексом його фізико – механічних властивостей та умовами навантаження, причому в залежності від умов зношування оптимальна структура матеріалу і його властивості можуть бути різними. Так, при абразивному зношуванні стійкість зростає зі зростанням твердості зношуваного матеріалу, але для різних матеріалів в різному ступені: при однаковій поверхневій твердості сталей зі структурою мартенситу + карбіди мають більшу зносостійкість, ніж сталі сталі з тою ж твердістю, але не маючі надлишкових карбідів [3]. При однаковій твердості сталі, що має крупнокристалічну структуру, має меншу зносостійкість, ніж сталь з дрібнокристалічною структурою, через те що у першої опір крихкому руйнуванню менший.

Включення графіту, погіршують, як правило, механічні властивості сталі, знижуючи її твердість та абразивну зносостійкість, підвищуючи, в той же час, зносостійкість останньої при роботі в вузлах тертя, бо в процесі зношування графітові включення виходять на поверхню тертя, руйнуються по площинам спаяності, утворюючи дуже тонкі пластинки, і заповнюють нерівності поверхонь, що труться, запобігаючи сухому тертю металу об метал та схоплюванню, тобто графітові включення виконують роль твердого мастила.

Абразивна зносостійкість металів також може суттєво змінюватись в залежності від умов навантаження. Так автори [4] разом з абразивною зносостійкістю розглядають ще й ударно – абразивну зносостійкість. Досліджуючи вплив легуючих елементів на властивості високохромистих сталей, вони показали, що наявність навіть відносно слабкої ударної складової суттєво змінює дію елементів на зносостійкість.

Дослідженню процесів зношування композиційних матеріалів при найрізноманітніших умовах навантаження присвячено дуже багато робіт [5 - 9]. Їх аналіз показує, що в самому загальному вигляді їх можна привести до наступного механізму [10]: при дії контертіла або абразивних частинок на тверді складові матеріалу відбувається їх незначне зміщення відносно навколишньої порівняно м’якої матриці. Зміщення твердих зерен викликає видавлювання матеріалу зв’язки з зони, що розташована між твердими включеннями. Повторне навантаження призводить до того, що фіксуюча дія матриці та викликане нею зниження навантаження в твердих частинках зменшується до рівня, при якому в останніх з’являються тріщини. Під час подальших актів навантаження по мірі видавлювання зв’язки відбувається поступове подрібнення твердих зерен, та їх уламки видаляються з зони тертя.

У відповідності до запропонованого в [10] механізму процес в’язкого видавлювання матеріалу зв’язки є первинним та контролюється швидкістю, тоді як процес крихкого дроблення твердих частинок є вторинним.

Це дозволяє зробити висновок, про переважаючу дія фізико – механічних властивостей металевої зв’язки, а також адгезійних властивостей на границі розподілу фаз тверда частинка – зв’язка щодо проблеми забезпечення високих експлуатаційних характеристик зносостійкого матеріалу.