Износостойкость

Износ корпусных деталей является результатом взаимодействия сопряженных поверхностей друг с другом и с твердыми частицами, попадающими в зазор между ними. В нормальных условиях изнашивание происходит при наличии смазки между поверхностями.

Практика показывает, что скорость изнашивания зависит от конструкции деталей, качества их изготовления, смазочных и защитных устройств, условий эксплуатации станков и от свойств чугуна. Вопреки распространенному мнению, твердость чугуна в отливке не может быть основной характеристикой, определяющей его износостойкость. Это подтверждают результаты испытаний на износ нижних салазок двух групп горизонтально-расточных станков мод. 2620А (табл. 5). Детали и сопряженные с ними верхние салазки станков первой группы изготовляли из сурьмянистого чугуна, второй группы — из нелегированного чугуна.

Скорость изнашивания деталей станков первой группы оказалась более высокой несмотря на высокую твердость. Очевидно, что только после изучения процесса изнашивания и выявления его закономерностей, можно будет установить свойства чугуна, обеспечивающие износостойкость ответственных деталей.

Исследованию износостойкости чугуна посвящено много работ.

Однако влияние микроструктуры и твердости чугуна на скорость изнашивания направляющих при эксплуатации станков ранее не исследовали, а проведенные работы не выявили четких зависимостей. Возможно, что именно поэтому так существенно расходятся мнения исследователей о том, каким должен быть чугун износостойких корпусных деталей станков. С этой целью в ЭНИМСе при участии ряда станкозаводов были исследованы особенности и основные зависимости изнашивания направляющих.

Особенности изнашивания направляющих

Износ деталей машин является результатом сложных механических, механо-физических и механо-химических процессов. Однако условия службы направляющих корпусных деталей станков имеют свою специфику. Их трение происходит, как правило, при наличии смазки. Скорости скольжения малы и не приводят к заметному нагреву. В зазор между деталями нередко попадают твердые частицы посторонних загрязнений. Типичными повреждениями направляющих (рис. 8), обнаруживаемыми при осмотре, являются следующие :

1. Натиры — площадки, покрытые мелкими, едва различимыми и мало отличающимися друг от друга углублениями, обусловленными непосредственным взаимодействием через слой смазки выступов шероховатости сопряженных поверхностей.

Рис. 8. Повреждения направляющих скольжения: 1 — натиры ; 2 — канавки; 3 — царапины

Канавки — углубления значительной протяженности, разных размеров с гладкими краями, скругленного профиля с малым отношением глубины к ширине, являющиеся результатом взаимодействия направляющих и попавших между ними загрязнений, преимущественно металлической стружки. При соответствующей огранке и ориентировке частиц канавки могут возникать при защемлений песка и окалины.

Царапины — углубления значительной протяженности, разных размеров, остроугольного профиля со сравнительно большим отношением глубины к ширине, иногда с рваной поверхностью, возникающие преимущественно при защемлении абразивных материалов (корунда, карборунда и др.). При соответствующей огранке и ориентировке частиц они могут возникать при защемлении песка и окалины. Царапины — признак абразивного изнашивания. Механизм и закономерности абразивного изнашивания подробно описаны М. М. Хрущовым и М. А. Бабичевым в работах.

4. Задиры — углубления различных размеров и форм с рваными поверхностью и краями, обусловлены молекулярным схватыванием и глубинным вырыванием объемов металла (рис. 9). Глубинное вырывание — аварийный и недопустимый вид разрушения, развивающийся при нарушении нормальных условий смазки. Природа схватывания металлов и методы борьбы с ним в деталях машин рассмотрены в работах А. П. Семенова и К. Л. Голего.

Рис. 9. Задир на направляющей (Х 6 )

Рис. 10. Следы пластической деформации направляющих:

а — навалы (X 800); б — навалы (X 20 000); в — надрывы на поверхности трения направляющей (Х800); г — следы в сечении; 1 —изогнутые пластины цементита в перлите; 2 — козырек деформированного металла, частично прикрывающий включение графита; 3— включение графита, полностью закрытое пластически деформированным поверхностным слоем (Х800)

В нормальных условиях эксплуатации для большинства типов станков наиболее распространенными повреждениями являются натиры и канавки.

На участках, покрытых натирами и канавками, видны следы значительной пластической деформации: навалы (рис. 10, а и б); участки слоев металла с надрывами (рис. 10, в); с изогнутыми вдоль направления движения пластинами цементита и козырьками, образовавшимися над включениями графита и частично или полностью закрывающими их (рис. 10, г).

Повышенная микротвердость матрицы изношенных участков направляющих подтверждает наличие пластической деформации (табл. 6).

Напряженное состояние и особенности разрушения поверхностных слоев чугуна при изнашивании отличаются от напряженного состояние и особенностей разрушения чугуна при определении известных механических свойств (σ_в, σ_т, Н, НВ и др.), поэтому ни одно из них самостоятельно не может служить критерием износостойкости. Наиболее достоверную характеристику износостойкости чугуна можно получить только при эксплуатационных испытаниях. Однако такая характеристика сама по себе не даст информации о том, какой состав чугуна и какая технология литья должны быть выбраны для обеспечения долговечности деталей. Следовательно, необходимо установить хотя бы косвенную связь между износостойкостью чугуна при эксплуатации деталей и такими его характеристиками, средства воздействия на которые достаточно хорошо известны и которые без особого труда могут быть определены в процессе производства отливок.

Исследования показали, что износ направляющих станков большинства типов в нормальных условиях эксплуатации является результатом следующих процессов:

избирательного разрушения пластически деформированных слоев;

отделения объемов, связь которых ослаблена включениями графита.

Так как пластическая деформация играет основную роль при избирательном разрушении поверхностных слоев, то сопротивление пластической деформации матрицы можно считать одной из характеристик, позволяющих косвенно определить износостойкость чугуна. Ее удобно оценивать по величине микротвердости.

На склонность чугуна к отделению объемов решающее влияние должна оказывать разобщенность матрицы включениями графита. Для оценки степени разобщенности матрицы автором предложена специальная характеристика микроструктуры — среднее расстояние между включениями графита а.

Интерес представляют также зависимости между скоростью изнашивания и размерами включений графита, а также между скоростью изнашивания и твердостью по Бринелю.

Первая зависимость обусловлена тем, что увеличение размеров включений графита приводит к увеличению размеров и количества частиц загрязнений, участвующих в изнашивании. Приближенно размеры включений графита можно охарактеризовать их длиной l _гр

Как указывалось выше, среди изготовителей и потребителей станков широко распространено мнение о том, что твердость чугуна является основным показателем износостойкости. В частности, величину твердости, как единственный показатель качества чугуна, оговаривают зарубежные фирмы, заказывая станки.

Отмеченное нередко влияет на выбор технологии станочного литья, поэтому важно выяснить действительную связь между твердостью и износостойкостью чугуна.