Износ, методы обработки, покрытия и области применения

Известны следующие механизмы износа:

1. Адгезионный износ
2. Абразивный износ
3. Усталостный износ
4. Коррозионный износ
5. Фреттинг

Адгезионный износ

Адгезионный износ возникает при скольжении сопряжённых поверхностей, при котором происходит сдвиг материала; наиболее тяжёлой формой является схватывание (галлинг), при котором поверхности вследствие трения свариваются между собой. Нержавеющая сталь, дуплексная нержавеющая сталь и алюминий особенно подвержены данному виду износа, при этом оксидная плёнка разрушается, и возникает интенсивный контакт «металл–металл». Скорость и интенсивность износа зависят от материала, нагрузки, скорости, температуры и перекачиваемой среды. Твёрдость также является важным фактором: как правило, более твёрдый материал изнашивается меньше, и скорость износа напрямую связана с твёрдостью. Адгезионный износ наилучшим образом снижается за счёт применения материалов с низкой взаимной адгезией (разнородных материалов), повышения твёрдости, а также использования материалов с неоднородной структурой, таких как чугун. При твёрдости свыше 700 HV адгезия минимальна.

Абразивный износ

Абразивный износ возникает при перекатывании частиц по поверхности, что приводит к образованию борозд. Как правило, увеличение твёрдости поверхности до значения, превышающего твёрдость частиц примерно в соотношении 2:1, позволяет устранить данный вид износа. В условиях высоких нагрузок тонкое твёрдое покрытие может быть вдавлено твёрдой частицей в более мягкую основу, поэтому необходимо учитывать глубину упрочнённого слоя или толщину покрытия, а также вязкость подложки.

Эрозионный износ

Эрозионный износ является разновидностью абразивного износа, вызванной ударным или режущим воздействием твёрдых частиц, переносимых жидкостью. Эрозия требует иного подхода, поскольку контактные напряжения обусловлены кинетической энергией частиц при их ударе о поверхность. Основными факторами являются скорость частиц, их размер, твёрдость и угол удара; как правило, скорость износа пропорциональна кубу скорости частиц. При малом угле удара преобладает режущее воздействие; увеличение соотношения «твёрдость поверхности / твёрдость частиц» до 2:1 позволяет снизить износ. При большом угле удара происходит деформация поверхности. В потоке жидкости могут возникать вихри в местах встречи с выступами, например у основания лопатки направляющего аппарата, в зоне отверстия под установочный винт в области износного кольца рабочего колеса и т.п.; это может приводить к локально интенсивной эрозии с образованием углублений в материале.

Коррозионный износ

Данный вид износа возникает, когда скользящие поверхности подвергаются воздействию коррозионно-активной жидкости; при этом образующиеся продукты коррозии накапливаются и затем удаляются в процессе износа, обнажая свежую металлическую поверхность, которая далее подвергается коррозии. Частицы, движущиеся с высокой скоростью, могут удалять защитные оксидные плёнки, такие как на нержавеющих сталях, что приводит к быстрому коррозионному разрушению основного металла.

Потери материала могут превышать сумму потерь от сухого износа и простой коррозии, действующих по отдельности.

Фреттинг

Большинство случаев фреттинга связано с такими элементами, как рабочие колёса, ступицы, подшипники и т.п., которые устанавливаются на вал с натягом. При недостаточном натяге или при коррозии поверхностей, приводящей к его уменьшению, между сопряжёнными поверхностями возникает незначительное периодическое относительное перемещение. Оксидная плёнка образует мелкие твёрдые частицы, которые усиливают износ поверхности. Перекачиваемая среда удаляет эти частицы, формируя «промытую» поверхность по мере повторения процесса. Образуются питтинги, инициируются трещины, и усталостные трещины распространяются по валу.

Фреттинг зависит от следующих факторов:

• Амплитуда относительного периодического перемещения; напряжения/давления/состояние поверхности.
• Число циклов.
• Частота.
• Перекачиваемая среда.

Методы снижения фреттинга:

1. Переработка конструкции профиля контактных поверхностей.
2. Увеличение натяга посадки для предотвращения относительного перемещения компонентов.
3. Применение смазки — использование шариковых или роликовых подшипников.
4. Применение металлических покрытий — хромирование и др.
5. Модификация поверхности (азотирование, дробеструйная обработка и др.) для создания сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое.
6. Изменение материала вала, например: валы из монеля могут разрушаться в морской воде; сплав Inconel 625 является более предпочтительным материалом.

Методы снижения износа:

• Модификация поверхности без изменения основного металла.
• Изменение химического состава поверхности.
• Нанесение покрытия.
• Нанесение наплавленного слоя.

Форма детали и условия её применения ограничивают выбор применяемого метода. 

1. Индукционная закалка

Нагрев поверхности осуществляется с использованием вихревых токов, индуцируемых магнитным индуктором, с последующей немедленной закалкой, что обеспечивает твёрдость в диапазоне 534–560 HB. Метод применяется для сталей с содержанием 1,5% Cr, а также среднеуглеродистых сталей при изготовлении упрочнённых втулок, втулок скольжения, износных колец и т.п.

2. Лазерная закалка

Применяется для среднеуглеродистых сталей, чугунов и сталей типа 13% Cr. Поверхность нагревается, а за счёт теплоотвода в объём материала обеспечивается быстрое охлаждение (самозакалка), что позволяет получить твёрдость порядка 640 HB при глубине упрочнённого слоя около 0,5–0,75 мм. Обработка больших поверхностей является нецелесообразной. Метод может применяться для износных колец, втулок с малыми зазорами, балансировочных барабанов, втулок и других ответственных элементов.

3. Дробеструйная обработка

Поверхность материала обрабатывается потоком стальной дроби в специализированных установках с целью формирования сжимающего поверхностного слоя. Данный слой снижает проявления фреттинга и фреттинг-усталости, уменьшает склонность к схватыванию, снижает воздействие межкристаллитной коррозии на аустенитные стали и повышает сопротивление усталостному разрушению.

4. Азотирование

Азотирование наиболее эффективно для низколегированных сталей. Стали с содержанием около 12% Cr, а также аустенитные хромоникелевые стали (18-8) не поддаются азотированию, поскольку защитная оксидная плёнка хрома препятствует диффузии азота в металл.

Процесс может осуществляться в соляных ваннах (трибоазотирование), газовой среде или плазме (ионное азотирование). Температура процесса составляет 450–580 °C, при этом достигается твёрдость порядка 670 HB при глубине слоя около 0,3 мм. Азотирование снижает адгезионный износ, задирание и повышает сопротивление усталостному разрушению. Проведение снятия остаточных напряжений перед окончательной механической обработкой существенно снижает деформации, вызванные процессом.

5. Колстеризация (Kolsterising)

Колстеризация повышает износостойкость аустенитных нержавеющих сталей, дуплексных сталей и сплава Inconel 625. Это низкотемпературный процесс, основанный на диффузии углерода в поверхностный слой без образования карбидов хрома.

Процесс повышает твёрдость поверхности аустенитных нержавеющих сталей до 1000–1200 HV 0,05 при эффективной глубине упрочнения 22–32 мкм. Изменение геометрии и размеров деталей в процессе обработки, как правило, не происходит, за исключением колец большого диаметра с малой толщиной стенки. Для таких деталей перед колстеризацией требуется проведение снятия остаточных напряжений. 

6. Хромирование

Данный метод часто применяется для восстановления изношенных или корродированных участков валов в местах установки рабочего колеса/втулок, шеек подшипников скольжения (с баббитовым покрытием), а также посадочных мест под подшипники качения. Также используется для восстановления втулок в местах установки О-образных уплотнений, подвергшихся коррозии или эрозии. Хромовое покрытие также повышает стойкость к фреттингу и фреттинг-усталости. Типичная твёрдость составляет 650–680 HB, толщина покрытия — от 0,127 мм (0,005”) до 1,5 мм (0,060”).

Поскольку хромовое покрытие имеет тенденцию к утолщению на краях обрабатываемой зоны, может потребоваться промежуточное шлифование для получения ровной поверхности с последующим повторным нанесением покрытия, что значительно увеличивает стоимость. При необходимости нанесения толстых слоёв рекомендуется предварительное никелирование или, в некоторых случаях, металлизация с низкой пористостью и подходящим покрытием для формирования основы.

Для обработки шеек валов необходимо соблюдать следующие специальные требования:

1. A) Хромовое покрытие не допускает острых кромок, поэтому на концах подготовленной зоны должны быть выполнены заходные фаски с углом не более 45°.
2. B) Необходимо тщательно контролировать зернистость шлифовального круга и величину снимаемого слоя за проход, чтобы предотвратить появление рисок на покрытии или его удаление.
3. C) После окончательной механической обработки необходимо проводить контроль методом капиллярной дефектоскопии.

Дефекты, такие как глубокие газовые поры, доходящие до основного металла, значительное растрескивание покрытия и отсутствие сплавления на краях зоны напыления, сопровождающееся интенсивным выходом индикатора, являются недопустимыми.

Хромирование не следует применять в случаях, когда устанавливаемые детали (например, рабочие колёса, муфты и т.п.) имеют значительный натяг, так как при демонтаже покрытия возможно его отслаивание при недостаточном нагреве.

7. Наплавка аустенитной нержавеющей стали (Cr-Ni)

Часто выполняется методом плазменного напыления; твёрдость составляет около 150 HB, прочность сцепления — 27,58–34,47 Н/мм² (4000–5000 PSI). Покрытие хорошо поддаётся механической обработке традиционными методами. Обладает пластичностью, износостойкостью, удовлетворительной коррозионной стойкостью, низкой усадкой и высокой адгезией частиц.

Основные области применения — восстановление посадочных мест втулок торцевых уплотнений, мест установки подшипников качения и канавок под О-образные уплотнения на валах из углеродистой стали, что увеличивает срок службы. Необходимо учитывать посадки деталей из нержавеющей стали во избежание схватывания при монтаже и демонтаже.

8. Наплавка мартенситной нержавеющей стали (13% Cr)

Наносится дуговым способом, обеспечивая высокую прочность сцепления и вязкость. Применяется в случаях, когда требуется соответствие покрытию из стали типа 13% Cr. Обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью и высокой износостойкостью; твёрдость составляет 331–534 HB. Может наноситься слоем до 3,0 мм, однако имеет пористость около 10%.

Применяется для восстановления мест установки О-образных уплотнений, посадочных мест подшипников, втулок и аналогичных элементов. 

9. Наплавка никель-хром-молибден-медного сплава (20% Cr)

Никель-хромовый суперсплав с улучшенными коррозионными и износостойкими свойствами, обладающий высокой стойкостью к абразивному износу и коррозионной стойкостью, превышающей Hastelloy C в серной кислоте, щелочных средах и морской воде. Наносится методом плазменного напыления, имеет твёрдость 375–479 HB и прочность сцепления 7000 psi (48,22 Н/мм²). Максимальная толщина покрытия составляет 0,625 мм (0,025”), максимальная рабочая температура — 875 °C, пористость — около 1%. Применяется для деталей насосов, валов, втулок и т.п. Поскольку покрытие является пористым, основной металл должен обладать коррозионной стойкостью к перекачиваемой среде.

10. Покрытие на основе оксида хрома

Наносится методом плазменного напыления, образуя плотные, коррозионностойкие покрытия с самосопрягаемыми антизадирными свойствами, устойчивые к эрозии частицами, абразивному износу и кавитации. Применяется для валов насосов, втулок, износных колец, мест установки О-образных уплотнений и манжетных уплотнений на вращающихся деталях. Эффективно в условиях, когда твёрдые частицы, скапливаясь вокруг манжетных уплотнений, внедряются в их поверхность и вызывают образование канавок на валу.

Также применяется для корпусов насосов в зонах высоких скоростей потока, а также в областях с низкой скоростью потока, где происходит накопление эрозионно-активных частиц. Требует поверхности без дефектов: газовые поры и другие дефекты должны быть заварены или удалены шлифованием до нанесения покрытия, что часто затруднительно для литых деталей.

Твёрдость составляет 690–780 HB, толщина покрытия — до 0,625 мм (0,025”), максимальная рабочая температура — 540 °C. Обработка покрытия должна выполняться алмазным шлифовальным кругом, а поверхности под манжетные уплотнения и манжетные набивки должны доводиться (притираться) для предотвращения ускоренного износа более мягкого материала.

11. Покрытие на основе оксида алюминия с диоксидом титана (Alumina Titania)

Более мягкое по сравнению с оксидом хрома, формирует очень плотное покрытие, устойчивое к абразивному износу, фреттингу, кавитации, эрозии частицами и налипанию продуктов. Может обрабатываться обычным шлифовальным кругом, имеет твёрдость около 697 HB и прочность сцепления 2300 psi. Наносится слоем до 0,625 мм (0,025”) и применяется для деталей насосов, втулок, валов и т.п., а также для восстановления мест установки О-образных уплотнений и зон манжетных уплотнений изношенных валов.

12. Наплавка Stellite 6 (кобальтовый хромсодержащий сплав)

Данный материал обладает антизадирными свойствами и высокой стойкостью к износу, кавитации, эрозии частицами, абразивному износу и фреттингу. Наплавка Stellite обычно выполняется сварочным способом. При нанесении на аустенитные нержавеющие стали возможна диффузия углерода, что приводит к обеднению хромом в зоне под покрытием, что может вызвать избирательную коррозию в морской воде и последующее разрушение.

Твёрдость составляет около 375 HB, прочность сцепления — около 8000 psi, максимальная рабочая температура — 815 °C, содержание углерода — около 1,0%. Может применяться как в виде покрытия, так и в литом виде для износных колец, втулок, вкладышей и т.п., а также широко используется в качестве сопряжённой поверхности для Stellite 12. Также сочетание Stellite 6 с самим собой является антизадирным.

Сплавы Stellite не применяются в системах питательной воды котлов и в ядерной энергетике. 

13. Наплавка Stellite 12 (кобальтовый хромсодержащий сплав)

Свойства аналогичны Stellite 6, однако более высокое содержание углерода (около 1,8%) увеличивает риск диффузии углерода и обеднения хромом аустенитных нержавеющих сталей, что может приводить к более быстрому разрушению по сравнению с применением Stellite 6. Нанесение напылённого или наплавленного слоя Inconel 625 перед нанесением Stellite 12 значительно снижает риск разрушения вследствие коррозии или образования трещин во время или сразу после наплавки. Твёрдость составляет около 477 HB; материал может применяться как в виде покрытия, так и в литом виде для износных колец, втулок и т.п.

14. Наплавка Stellite 21 (кобальтовый наплавочный сплав со средним содержанием углерода)

Содержание углерода составляет около 0,3%, что снижает проблемы, характерные для аустенитных нержавеющих сталей в морской воде при использовании Stellite 6 и 12. Обладает высокой стойкостью к кавитации и эрозии, хорошей коррозионной стойкостью и устойчивостью к ударным нагрузкам. Стойкость к схватыванию несколько ниже, чем у Stellite 6 и 12.

Применяется в условиях эрозионного износа для наплавки кромок направляющих аппаратов, торцевых поверхностей направляющих колец в местах контакта с лопатками направляющего аппарата, разделительных перегородок после предварительного износа, а также в корпусах насосов. Формирует жертвенный слой, который упрочняется в процессе эксплуатации за счёт наклёпа.

15. Покрытие на основе карбида вольфрама (с никелевой или кобальтовой связкой)

Наносится методом HVOF (высокоскоростное кислородно-топливное напыление), формируя прочные плотные покрытия с твёрдостью около 627 HB, пористостью не более 1,0% и прочностью сцепления около 8000 psi. Толщина покрытия составляет порядка 0,2 мм, максимальная рабочая температура — 760 °C. Покрытие содержит карбиды вольфрама в кобальтовой или никелевой матрице.

Применяется для валов насосов, втулок, износных колец, балансировочных барабанов/втулок, обеспечивая высокую стойкость к эрозии и абразивному износу; возможно сопряжение как с аналогичным покрытием, так и с незащищённым основным металлом. Для морской воды и пластовых вод предпочтительно использование карбида вольфрама с никелевой связкой.

16. Покрытие на основе карбида хрома (с никелевой связкой)

Данное покрытие, наносимое методом HVOF, формирует плотные, хорошо сцепленные износостойкие слои, устойчивые к абразивному износу и фреттингу. Твёрдость составляет около 534–578 HB, пористость — около 1%. Максимальная рабочая температура — 815 °C, толщина покрытия — до 1,5 мм (0,060”), прочность сцепления — около 12 000 psi.

Покрытие может работать в паре с никелесвязанным карбидом вольфрама в морской воде и пластовых водах для втулок, износных колец, подшипниковых втулок, балансировочных барабанов/втулок. Поскольку карбиды хрома уступают карбидам вольфрама по твёрдости и прочности сцепления, предпочтение обычно отдаётся покрытиям на основе карбида вольфрама. 

17. Наплавка Inconel 625 (на основе никеля)

Inconel 625 представляет собой никель-хромовый сплав (58% никеля, 23% хрома, 5% железа, 4% ниобия) с высокой прочностью и выдающейся коррозионной стойкостью. Его прочность обусловлена упрочняющим воздействием молибдена и ниобия на никель-хромовую матрицу. Покрытия из Inconel 625, как правило, наносятся сваркой.

Они применяются для восстановления изношенных корпусов и рабочих колёс из хромистых сталей благодаря высокой стойкости Inconel 625 к эрозионно-коррозионному износу. Поскольку Inconel 625 является вязким и пластичным материалом, он также используется в качестве буферного слоя под наплавки Stellite и Colmonoy.

18. Наплавка Colmonoy 69 (никелевое покрытие на основе хрома, бора, вольфрама и кремния)

Данное покрытие в основном предназначено для нанесения методом дуговой сварки в среде защитного газа (GMAW/MIG), однако может наноситься методом газотермического напыления с последующим оплавлением, обеспечивая высокую прочность сцепления. Формирует твёрдое плотное покрытие, устойчивое к эрозионному и абразивному износу, обладающее хорошей коррозионной стойкостью.

Максимальная толщина покрытия составляет 2 мм (0,08”), пористость — около 2% (дискретная), максимальная рабочая температура — 500 °C, твёрдость — в диапазоне 614–682 HB. Данное покрытие может работать в паре с Colmonoy 69.

19. Наплавка Colmonoy 88 (никелевое покрытие на основе хрома, бора, вольфрама и кремния)

Твёрдое плотное покрытие, наносимое методом газотермического напыления с последующим оплавлением, обеспечивающее высокую прочность сцепления, стойкость к эрозионному и абразивному износу, а также хорошую коррозионную стойкость.

Максимальная толщина покрытия составляет 2 мм (0,08”), пористость — около 2% (дискретная), максимальная рабочая температура — 500 °C, твёрдость — в диапазоне 601–667 HB. Покрытие может работать в паре с Colmonoy 88.

20. TMT 601

Высокотемпературный (порядка ±950 °C) процесс диффузионного насыщения бором, позволяющий значительно снизить эрозионный износ деталей, работающих в условиях интенсивной эрозии. В упрочнённом металле твёрдые частицы (фазы) разрушаются медленно, тогда как мягкая матрица, в которой они закреплены, разрушается значительно быстрее. После разрушения матрицы твёрдые частицы теряют опору и выкрашиваются.

Формирование на поверхности твёрдой однофазной структуры устраняет мягкую матрицу, что существенно снижает скорость эрозии. В результате срок службы может увеличиваться в 3–30 раз.

Типичные значения твёрдости:

• для углеродистой стали — 1700–1800 KHN;
• для стали 422 — 2100–2200 KHN;
• для Hastelloy X — 2200–2400 KHN;
• для молибдена — 2900–3000 KHN;
• для карбида вольфрама (TMT 745A) — 4500–5000 KHN.

Твёрдость по Кнупу (KHN) — это микротвёрдость, аналогичная методу Виккерса. Все приведённые значения значительно превышают максимальные значения шкалы Rockwell C. Для сравнения: Rockwell C 70 соответствует 972 KHN, алмаз — около 6500 KHN.

Практически любые сплавы на основе железа, никеля или кобальта могут подвергаться диффузионному легированию. Однако алюминий, медь, цинк и кадмий не поддаются данному процессу. Вольфрам, молибден, ниобий и титан могут быть обработаны таким образом.

Данный процесс в основном применяется для деталей, контактирующих с рабочей средой (рабочие колёса, корпуса и т.п.), в условиях интенсивного эрозионного и абразивного износа, преимущественно в нефтехимической промышленности. Типичные области применения — насосы установок FCC, висбрекинга, переработки битуминозных песков, гидроочистки, а также установок крекинга этилена и нафты.  

Сводная таблица различных методов