Абразивы в стали: типы, применения и влияние подготовки поверхности

Определение и основные понятия

Абразив — это материал, обычно характеризуемый высокой твердостью и износостойкостью, используемый для стирания, шлифовки, полировки или очистки поверхности другого материала за счет трения механического действия. В материаловедении и инженерии абразивы являются фундаментальными инструментами для изменения поверхности, процессов удаления материала и отделочных операций, достигающих заданных допусков и характеристик поверхности.

В металлургии абразивы занимают важное место на стыке обработки материалов и поверхностного инжиниринга. Они служат основным средством для контролируемого удаления материала, создания определенных текстур поверхности и подготовки металлических поверхностей к последующим операциям, таким как нанесение покрытий, сварка или скрепление. Взаимодействие между абразивами и стальными поверхностями представляет собой сложную трибологическую систему, которая влияет на качество, характеристики и сервизный срок конечного изделия.

Физическая природа и теоретические основы

Физический механизм

На микроскопическом уровне абразивы действуют через локализованные механизмы пластической деформации и разрушения. Когда частица абразива контактирует со стальной поверхностью, создаются напряжения, превосходящие предел yielding материала, что вызывает смещение или удаление материала. Это взаимодействие происходит преимущественно посредством трех механизмов: микро-резания, при котором материал удаляется в виде стружки; микро-вдавливания, при котором материал смещается в стороны, образуя гребни; и микро-разрушения, при котором фрагменты материала отслаиваются через распространение трещин.

Эффективность абразива зависит от его твердости по отношению к материалу заготовки, при этом оптимальное стирание достигается, когда твердая абразивная частица минимум на 20% тверже целевого материала. На атомарном уровне острые края абразивных частиц создают локальные напряженные поля, которые разрушают атомные связи в материале заготовки, способствуя удалению материала механическим действием.

Теоретические модели

Основная теоретическая модель, описывающая износ от абразива, — уравнение износа Архарда, которое связывает удаление материала с приложенной нагрузкой, пройденным расстоянием и твердостью материала. Эта модель, разработанная в 1950-х годах, заложила основы количественного анализа процессов износа от абразива.

Исторически понимание износа развивалось от эмпирических наблюдений в древних техниках шлифования и полировки до систематических исследований в начале XX века. Современные подходы включают модели двухтелесного и трехтелесного износа, которые различают неподвижный абразив (например, наждачная бумага) и свободные абразивы (такие как полировочные составы).

Альтернативные теоретические подходы включают модели, основанные на энергии, сосредоточенные на работе, выполненной во время износа, и механизмы разрушения, акцентирующие внимание на распространении трещин в процессе абразивного износа. Каждая модель дает уникальное понимание различных аспектов процесса износа.

Материаловедческая база

Стойкость к износу в steels тесно связана с кристаллической структурой и границами зерен. Материалы с плотно упакованными структурами, как правило, более устойчивы к абразивному износу. Границы зерен часто служат слабыми точками, где абразивные частицы могут легче удалять материал, что делает тонкозернистые стали обычно более устойчивыми к износу, чем зернистые.

Микроструктура стали существенно влияет на ее реакцию на абразивные воздействия. Мартенситные структуры обычно обеспечивают более высокую износостойкость по сравнению с феррито- или аустенитными структурами благодаря их большей твердости. Распределение карбидов внутри матрицы стали создает сложносоставные структуры, где твердые карбидные частицы сопротивляются проникновению абразива, а окружающая матрица обеспечивает прочность.

Эти взаимосвязи иллюстрируют основной материаловедческий принцип, что структура определяет свойства. Регулируя микроструктуру с помощью легирования и обработки, металлурги могут разрабатывать стали с оптимизированной износостойкостью для конкретных применений.

Математические выражения и методы расчетов

Базовая формула определения

Фундаментальное уравнение, описывающее объем абразивного износа, — уравнение износа Архарда:

$$V = \frac{k \cdot F \cdot s}{H}$$

где $V$ — объем удаленного материала, $k$ — безразмерный коэффициент износа, $F$ — приложенная сила, $s$ — пройденное расстояние, $H$ — твердость менее твердого материала.

Связанные формулы расчета

Конкретная скорость износа, которая нормализует объем износа по нагрузке и пути, рассчитывается как:

$$k_s = \frac{V}{F \cdot s} = \frac{k}{H}$$

где $k_s$ — конкретная скорость износа (мм³/Н·м).

Для процессов абразивного износа скорость удаления материала (MRR) может быть выражена как:

$$MRR = v_f \cdot a_p \cdot w \cdot \eta$$

где $v_f$ — подача, $a_p$ — глубина реза, $w$ — ширина реза, $\eta$ — коэффициент эффективности, учитывающий фактическое и теоретическое удаление материала.

Применимые условия и ограничения

Эти формулы предполагают равновесные условия износа и наиболее точны для двулучевого сценария износа. Они менее надежны, если во время процесса происходит разрушение абразивных частиц или значительно повышается твердость заготовки из-за работы на износ.

Модели предполагают постоянные значения твердости, что не всегда оправдано при повышении температуры поверхности во время процесса износа. Также эти уравнения обычно не учитывают химические взаимодействия между абразивом и заготовками или влияния окружающей среды, такого как влажность, которые могут значительно изменять износ.

Большинство моделей износа предполагают чисто механические взаимодействия и могут не точно предсказывать поведение, если механизмы теплового, химического или электрохимического характера значительны для удаления материала.

Методы измерения и характеристики

Стандарты испытаний

• ASTM G65: Стандарт методики измерения износа с использованием сухого песка и резинового круга (оценивает сопротивление царапанию при низких нагрузках)
• ASTM G105: Стандарт методики проведения испытаний износа с мокрым песком и резиновым колесом (оценивает стойкость к износу во влажных условиях шлака)
• ASTM B611: Стандарт методики определения стойкости к износу при высоких нагрузках для твердых материалов (измеряет износ при высоких нагрузках)
• ISO 28080: Твердые металлы — испытания на износ для твердого металла (стандартизованные методы оценки цементированных карбидов и подобных твердых материалов)

Оборудование и принципы испытаний

Распространенное оборудование для испытаний износа включает трибометры с нажимом и диском, которые измеряют трение и износ при скольжении штифта по вращающемуся диску. Опробование сухим песком и резиновым колесом создает условия трехтелесного износа, при которых абразивные частицы оказывают влияние между тестируемым образцом и вращающимся резиновым колесом.

Эти методы основаны на контролируемом воздействии абразивных сред при заданных нагрузках и режимах перемещения. Потеря материала обычно определяется по массе или по изменениям размеров.

Современная характеристика включает профилометрию, сканирующую электронную микроскопию и 3D-оптическую микроскопию для анализа шрамов износа и изменений поверхности вследствие абразивных процессов.

Требования к образцам

Стандартные образцы обычно требуют плоской поверхности размерами 25мм × 75мм × 12мм для испытаний по ASTM G65. Подготовка поверхности обычно включает шлифовку до однородной отделки, обычно 120-грит, для обеспечения воспроизводимости начальных условий.

Образцы должны быть тщательно очищены и высушены перед и после испытаний для точного измерения потери массы. Образцы не должны иметь поверхностных загрязнений, окислов или повреждений, предшествующих тестированию, которые могут повлиять на результаты.

Параметры испытаний

Стандартное испытание обычно проводится при комнатной температуре (23±2°C) с контролируемой влажностью (50±5%). Для специальных условий допустимо проведение испытаний при повышенных температурах, имитирующих условия эксплуатации.

Подача абразива обычно контролируется в диапазоне 300-400 г/мин для песочного износа. Применяемые нагрузки варьируют от 130Н для низконагруженного износа до более 200Н для высоконагруженного, в зависимости от конкретного стандарта.

Ключевыми параметрами являются размер, морфология и твердость абразивных частиц, которые должны строго контролироваться для обеспечения воспроизводимости результатов.

Обработка данных

Основной сбор данных включает измерение потери массы с использованием аналитических весов с точностью не менее 0,001 г. Расчет объема потери включает плотность материала для нормализации результатов по разным материалам.

Статистический анализ обычно требует минимум трех повторных испытаний, результаты представляют в виде средних значений с расчетом стандартных отклонений. Анализ выбросов проводится с помощью критерия Чавене и подобных методов.

Конечные показатели износа определяются нормализацией объема потери по приложенной нагрузке и пройденному пути, выражаясь в конкретных скоростях износа в мм³/Н·м.

Типичные диапазоны значений

Классификация стали	Типичный диапазон значений (объем потерь, мм³)	Испытательные условия	Справочный стандарт
Тонкая углеродистая сталь (1020)	75-125	ASTM G65, процедура A, 6000 оборотов	ASTM G65
Средняя углеродистая сталь (1045)	50-90	ASTM G65, процедура A, 6000 оборотов	ASTM G65
Инструментальная сталь (D2)	15-35	ASTM G65, процедура A, 6000 оборотов	ASTM G65
Мартенситная марганцевая сталь	20-40	ASTM G65, процедура A, 6000 оборотов	ASTM G65

Вариации внутри каждой классификации обычно связаны с особенностями термообработки, предварительной работы на износ и незначительными колебаниями состава. Более высокий содержание углерода обычно повышает износостойкость, а легирующие элементы, способствующие образованию карбидов (например, хром, ванадий, вольфрам), значительно повышают износ.

В практических условиях эти значения помогают инженерам выбирать материалы для абразивных сред. Меньшие объемы потерь свидетельствуют о большей сопротивляемости износу, при этом необходимо учитывать баланс с другими свойствами, такими как твердость и пластичность.

Анализ инженерных решений

Общие соображения конструкции

Инженеры используют данные о стойкости к износу при проектировании компонентов, подвергающихся воздействию частиц или скольжения. К запасам прочности обычно прибавляют коэффициенты от 1,5 до 2,5 по сравнению с лабораторными данными при проектировании для условий эксплуатации, учитывая переменчивость реальных условий.

При выборе материалов часто балансируют стойкость к износу с затратами, технологичностью и другими механическими свойствами. Для критичных случаев могут предусматривать наплавки с высочайшей износостойкостью или специальные покрытия вместо выбора полностью другого базового материала.

Ключевые области применения

Горное оборудование — важнейшая область применения, где износость доминирует в выборе материалов. Элементы, такие как зубья ковшей, накладные части дробилка, транспортерные системы, испытывают интенсивный износ от контакта с рудой и породой.

Сельскохозяйственная техника предъявляет другие требования, с компонентами, взаимодействующими с почвой, с умеренным износом и ударной нагрузкой. Инструменты для обработки почвы, компоненты посевных машин и жатки требуют сбалансированных свойств износостойкости и прочности.

Обеспечение разгрузки, погрузки и перемещения в металлургической, цементной промышленности, электростанциях используют износостойкую сталь в бункерах, лотках и конвейерах, где осуществляется интенсивное трение с крупными материалами.

Риски и компромиссы при эксплуатации

Стойкость к износу часто конфликтует с ударной вязкостью, поскольку жесткие микроструктуры, противостоящие износу, обычно обладают низкой ударной сопротивляемостью. Этот компромисс особенно заметен в дробильных и шлифовальных машинах, где необходимы оба свойства.

Повышенная твердость для износостойкости часто уменьшает формуемость и свариваемость. Инженеры должны балансировать необходимость износостойкости с возможностями производства, иногда идя на снижение износостойкости ради экономии при изготовлении.

Эти противоречия решаются с помощью композитных методов — например, наплавки износостойких участков или создание структур за счет термической обработки для повышения твердости поверхности поверхности.

Анализ отказов

Грубое изнашивание — типичный механизм выхода из строя, когда крупные острые частицы создают глубокие борозды и удаление материала. Этот механизм начинается с первоначальных царапин, затем ускоряет удаление, когда шероховатые поверхности взаимодействуют с дополнительными абразивами.

При низком уровне напряжения износ проявляется в виде полированных поверхностей с мелкими царапинами, а при высоком — в виде более глубоких gouge и потенциальных трещин под поверхностью. Методы снижения включают увеличение твердости поверхности с помощью термообработки или нанесения специальных покрытий.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Уровень углерода существенно влияет на износостойкость за счет формирования твердых карбидных структур и мартенситных оттенков. Повышение содержания углерода с 0,2% до 0,8% может повысить износостойкость в 200-300% при правильной термообработке.

Микролегирующие элементы, такие как фосфор и сера, в основном снижают сопротивляемость износу за счет образования включений, создающих слабые места в структуре. Контроль их содержания ниже 0,025% является типичным для износостойких марок.

Оптимизация состава включает балансирование хрома (для образования карбидов), молибдена (для закаливаемости) и марганца (для работы на износ) для достижения желаемого сочетания свойств.

Влияние микроструктуры

Мельчайшие зерна обычно улучшают износостойкость, так как увеличивают границы зерен, препятствующие распространению трещин и пластической деформации. Снижение размеров зерен с ASTM 5 до ASTM 8 повышает износостойкость примерно на 15-25%.

Распределение фаз существенно влияет на показатели, причем диспергированные карбиды в мартенситной матрице обычно обеспечивают оптимальное соотношение износостойкости и прочности. Объемное содержание карбидов в пределах 10-15% часто считается оптимальным балансом.

Неметаллические включения служат концентраторами напряжений и участками инициирования микротрещин при абразивном износе. Контроль их содержания за счет чистого металлургического производства значительно повышает износостойкость.

Влияние технологического процесса

Термическая обработка значительно влияет на износостойкость: закаленные и отпускные структуры обычно превосходят нормализованные или отпущенные. Правильное Austenitizing, за которым следует закалка для получения полной мартенситной трансформации, повышает сопротивляемость износу на 300-400%.

Процессы упрочнения с помощью деформации могут повысить твердость поверхности, особенно на аустенитных марганцевых сталях, которые могут достигать поверхности твердости превышающей 500 HB благодаря деформации в процессе эксплуатации.

Скорости охлаждения при термообработке критически влияют на размер и распределение карбидов: быстрое охлаждение способствует образованию более мелких карбидов с лучшей износостойкостью, а более медленное — вызывает их коарсение, что может снизить износ.

Влияние окружающей среды

Повышенные температуры обычно снижают стойкость к износу за счет ослабления матрицы и ускорения окисления поверхности. Обычно при температурах выше 300°C эффективность износостойких сталей значительно снижается.

Коррозионные среды создают синергетические эффекты с износом, ускоряя потерю материала за счет сочетания механических и химических механизмов. Этот эффект может увеличивать скорость износа на 200-300% по сравнению с сухими условиями.

Циклические температурные колебания вызывают тепловое расширение и усталость, что усугубляет износ через образование трещин и их развитие. Детали, подвергающиеся тепловому циклу и износу, часто выходят из строя раньше, чем при условии постоянной температуры.

Методы повышения износостойкости

Металлургические усовершенствования включают создание сложных карбидных структур благодаря добавкам ванадия, ниобия, титана, которые формируют твердое и стабильное карбидное ядро и значительно улучшают сопротивляемость износу.

Методы поверхностной обработки, такие как цементирование, нитроцементирование или борирование, создают чрезвычайно твердые поверхности (>1000 HV), сохраняя при этом прочный сердечник. Эти технологии увеличивают износостойкость на 500-800% по сравнению с необработанными поверхностями.

Оптимизация конструкции включает использование сменных износных элементов, регулирование потоков для минимизации прямого удара и применение износостойких накладок в критичных зонах вместо изготовления всей детали из дорогих материалов.

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Эрозия — это удаление материала за счет воздействия твердых частиц, капель жидкости или газа, отличающееся от износа механизмом, связанным с ударом, а не скольжением.

Твердость — показатель сопротивляемости материала локальной пластической деформации и сильно коррелирует с износостойкостью, хотя эта связь не всегда линейна, особенно у материалов с характеристиками работы на износ.

Трибология — это наука о взаимодействующих поверхностях в относительном движении, включая трение, смазку и механизмы износа, выходящие за пределы простого износа.

Основные стандарты

ASTM International сохраняет крупнейшую коллекцию стандартов испытаний износа, среди которых ASTM G65 является основным для сухого износа, используемым во многих отраслях.

ISO 28080 предлагает международные методы оценки для твердого металла и цементированных карбидов, отличающиеся по нагрузкам и типам абразивных сред от стандартов ASTM.

Отраслевые стандарты, такие как SAE J965 для автомобильных материалов, учитывают условия эксплуатации и могут существенно отличаться по применяемым средам, нагрузкам и критериям оценки.

Тенденции развития

Современные исследования сосредоточены на создании вычисленных моделей для предсказания износостойкости, что сокращает необходимость в масштабных физических испытаниях.

Новые технологии включают развитие покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов и нанокомпозитов, которые предоставляют сочетания повышенной твердости, прочности и износостойкости.

Будущее, вероятно, будет связано с разработками экологичных решений, таких как перерабатываемые абразивы, энергоэффективные технологии обработки поверхности и материалы с долгим сроком службы в условиях абразивных нагрузок.