Понятие износа и износостойкости

Для определения конструкции биметаллического изделия: мощности слоя износостойкого чугуна, угла наклона границы сочленения сплавов и вещественного состава износостойкого чугуна, необходимо понять механизм износа для каждого конкретного вида оборудования.

ЧТО ТАКОЕ ИЗНОС?

По своей природе износ, применительно к частям промышленного оборудования, которые изготавливаются из металлических сплавов, можно подразделить на пять больших групп:

  1. Механический износ, представляющий из себя разрушение структуры сплавов вследствие воздействия на них знакопеременных механических воздействий минеральных частиц перерабатываемого сырья.
  2. Термический износ, представляющий из себя разрушение структуры сплавов из-за циклических разнонаправленных высокотемпературных длительных термических воздействий.
  3. Химический износ, представляющий из себя разрушение структуры сплавов из-за химических реакций под воздействием разнообразных окислителей. Как правило этому способствует повышенная влажность.
  4. Кавитационный износ – представляющий из себя механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру.
  5. Динамический износ (прочностной износ), представляющий из себя разрушение структуры сплавов из-за длительных статичных или знакопеременных нагрузок.

Рабочие органы дробильного оборудования подвергаются, в основном, механическому износу.

В настоящее время ни в отечественной, ни в зарубежной практике нет более или менее общепринятых терминологических обозначений и подходов к проблеме механического износа. Вследствие этого, ниже будет представлено наше видение на проблему износа.

Механический износ представляет собой уменьшение размеров и формы изделий путем одновременного действия двух основных механизмов:

list1Задирания (микрозадирания) или резания (микрорезания) поверхности металлов минеральными зернами неправильной (острой) формы с твердостью, превосходящей твердость самого сплава, двигающимися параллельно вдоль плоскости изделия. В общепринятой терминологии данный механизм износа обозначают как абразивный износ.

рис.1 Механизм абразивного износа.
рис.1 Механизм абразивного износа.
list2Растрескивания (микрорастрескивание) поверхности металлов и выдалбливания (микровыдалбливание) частиц под действием кусков перерабатываемого материала, ударяющихся об них под тупыми углами (близкими к 90о). В общепринятой терминологии данный механизм износа обозначают как ударный износ.

рис.2 Механизм ударного износа.
рис.2 Механизм ударного износа.

Соответственно, исходя из природы выше перечисленных видов износа следует, что основным критерием оценки интенсивности абразивного износа является твердость, режущая способность минеральных частиц и скорость их движения, а для ударного износа – энергия удара, которая так же зависит от трех факторов – массы кусков, их прочности и скорости.

В случае непрочности кусков, вызванных хрупкостью материала или его трещиноватостью, во время удара они рассыпаются, гася кинетическую энергию удара и не принося серьезных деформаций металлическому изделию, разлетаясь по поверхности изделия и производя уже абразивное воздействие. В случае прочности кусков, большое количество кинетической энергии идет на разрушение поверхности изделия, принося ему наибольшие повреждения. Крайний случай столкновения металлического изделия с металлическим предметом имеет специфическое обозначение – упругий удар, приводящий как правило, при большой массе кусков, к аварийным ситуациям.

Исходя из выше сказанного, можно перечислить те факторы, которые оказывают максимальное механическое воздействие на поверхность изделия, сгруппировав их по причинам возникновения и характеристикам (Табл.7):

Факторы износа и их характеристики
Факторы влияющие на износ На что влияют К чему относятся От чего зависят
Угол атаки Определяет вид механизма износа К виду износа От типа оборудования и эксплуатационных режимов его работы
Скорость потока На энергию ударного и абразивного воздействия К интенсивности износа
Производительность оборудования и требования к тонкости помола На частоту взаимодействия (определяет интенсивность износа)
Гранулометрия кусков На кинетическую энергию ударов К ударному износу От массы и крепости кусков породы
Размолоспособность кусков На способность передавать кинетическую энергию
Твердость минеральных частиц На способность к абразивному воздействию К абразивному износу От минерального состава кусков породы
Форма минеральных частиц На способность к абразивному воздействию
Размер минеральных частиц На способность к абразивному воздействию

Все вышеперечисленные факторы имеют прямое действие, то есть от возрастания их численного значения увеличивается и степень износа, связанная с этим фактором, причем в большинстве случаев эта закономерность имеет не линейный, а экспоненциальный характер.

Естественно, в реальных условиях износ имеет комбинированный характер, при том условии, что абразивный износ присутствует всегда.

Ниже приведены общепринятые названия механических износов по мере возрастания их интенсивности:

  • эрозионный износ;
  • абразивный износ (разновидность – гидроабразивный износ);
  • абразивный износ с давлением;
  • ударно-абразивный износ;
  • абразивно-ударный износ;

Три последних износа имеют комбинированный характер. Наиболее интенсивным является абразивно-ударный износ с максимальной энергией воздействия на изнашиваемые части.

Совокупность природных факторов износа формируют так называемую изнашивающую среду, а техногенные факторы отвечают за условия износа. Естественно эти две совокупности полностью взаимосвязаны и их оценку можно произвести единым показателем, который носит название – агрессивность изнашивающей среды.

Данный показатель является относительным! Он имеет смысл только при оценке абсолютного показателя, которым является износостойкость материалов (изделий).

ЧТО ТАКОЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ?

По смысловому значению термин износостойкость определяет способность объекта противостоять агрессивности изнашивающей среды.

Для оперирования им в практической деятельности необходимо определится с объектом применения. В данном случае, в общеприменимой практике их два – материалы и изделия.

Существует целый класс материалов, которые относят к классу износостойких – это сплавы, композиты, керамика, резина, полимеры.

В то же самое время, изделия, изготовленные из этих материалов вследствие неправильной конструкции или неправильного учета условий износа и агрессивности изнашивающей среды могут быть абсолютно не износостойкими. То есть износостойкость материалов не всегда обеспечивает износостойкость изделия. Данное положения имеет принципиальное значение для практического применения, потому – что в большинстве случаев априори подразумевается, что изделие изготовленное из износостойких материалов тоже будет износостойким и возникает большое недопонимание между производителями износостойких материалов и их потребителями, когда в процессе эксплуатации изделий, изготовленных из износостойких материалов получаются неудовлетворительные результаты, и производители, защищая свою позицию оперируют не качественными показателями изделий, а качественными показателями материалов.

Так как для целей эксплуатации наиболее важным являются свойства изделий, а не свойства материалов из которых они изготовлены, то конкретизируем термин износостойкость относительно объектов применения, оставив его за характеристикой качества только изделий, а для характеристики материалов применим термин – износостойкие свойства материалов.

В итоге получаем:

Износостойкие свойства материалов – физические свойства материалов, заключающиеся в их способности противостоять локальным внешним механическим абразивным и ударным воздействиям. Определяются в лабораторных условиях и измеряются в единицах потери массы или сплошности формы за определенное время.

Износостойкость изделий – это их способность противостоять агрессивности изнашивающей среды во время эксплуатации. Износостойкость изделий, из-за большого количества факторов, оказывающих влияние на способность материалов противодействовать износу и существующих между ними взаимозависимостей, можно определить только после окончания их эксплуатации.

В этом заключается фундаментальная проблема определения качества износостойких изделий, которое невозможно определить до того момента, по изделие не введено в эксплуатацию.

В отличие от агрессивности изнашивающей сред, износостойкость является абсолютным показателем.

В настоящее время износостойкость измеряется в двух единицах – времени работы изделия (как правило в часах) или объеме переработанного материала в расчете на единицу переработанной массы сырья (г/тн или г/м3). Оба вида измерения значимы, дополняют друг друга и характеризуют различные стороны процесса эксплуатации основного технологического оборудования, служа для разных целей. Оценка периода эксплуатации в часах применяется для расчета режимов эксплуатации и графиков ремонта оборудования, а оценка в г/т перерабатываемого сырья – в планировании закупок изнашиваемых элементов и в расчете операционной себестоимости.

Износостойкость изделий – это комплексный мультипликативный и аддитивный показатель трех групп факторов влияющих на его конечное значение.

Один из них – агрессивность изнашивающей среды, мы рассмотрели выше.

Но существует еще две группы факторов, оказывающих существенное, соизмеримое с агрессивностью изнашивающей среды, значение на износостойкость изделий, это:

  • качество изделий, и
  • режимы эксплуатации технологического оборудования.

Ниже на схеме, с целью демонстрации сложности явления, показаны наиболее существенные факторы, оказывающие влияние на конечную износостойкость изделий.

Износостойкость изделий
СХЕМА. Изображение факторов, оказывающих влияние на износостойкость рабочих органов промышленного оборудования.

Если с агрессивностью изнашивающей среды, как с внешней группой факторов, ничего нельзя поделать и нужно принимать как должное, то два последних, непосредственно зависят от человека и нуждаются в управлении.