СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА АБРАЗИВНЫЙ ИЗНОС ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И ВЫСОКИХ УДЕЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА АБРАЗИВНЫЙ ИЗНОС ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ВЫСОКИХ УДЕЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЯХ
METHOD OF TESTING ABRASIVE WEAR OF MACHINE PARTS AT HIGH TEMPERATURE AND HIGH SPECIFIC PRESSURE AND APPARATUS FOR TESTING FOR ABRASIVE WEAR OF MACHINE PARTS AT HIGH TEMPERATURE AND HIGH SPECIFIC PRESSURE

Предметом изобретения является способ испытания на абразивный износ деталей машин при высокой температуре и высоких удельных давлениях и устройство для исследования абразивного износа деталей машин при высокой температуре и высоких удельных давлениях, позволяющее определить абразивный износ, возникающий при работе механического оборудования, работающего в экстремально неблагоприятных эксплуатационных условиях, т.е. подверженных воздействию высокой температуры и высоких удельных давлений, при которых сталь становится пластичной, как, например, в инструментах для горячей ковки.
В настоящее время при испытаниях на абразивный износ к исследуемому образцу прижимается контробразец. В зависимости от цели и программы трибологических исследований моделируется контакт между образцом и контробразцом, зависящий от их формы и вида привода. Стандартными методами испытания, представленными, в частности, Z. Wawrowski в кн. Tribology. Friction. wear and lubrication, являются методы оценки абразивного износа типа: стержень/шарик на диск, диск на кольцо, стержень/шарик на пластину, колодка на кольцо/валик. Контробразец изготавливается чаще всего из значительно более твердого материала, чем исследуемый образец. На контробразец действует осевая сила, перпендикулярная поверхности исследуемого образца. При испытаниях наблюдается, в частности, изменение геометрии, убыль веса в функции пути или времени испытания. Испытания проводятся чаще всего при комнатной температуре до примерно 350-500°С, хотя из литературы (L.A. , М. Polok, М. Adamiak: Abrasive wear resistance improvement of X37CrMoV5-1 type steel by PVD coating. 12th International Scientific Conference. Achievements in mechanical & materials engineering, p. 277-280) известны случаи попыток испытания покрытий при температуре 800°С. Величина силы, действующей на контробразец, не превышает чаще всего величины 500 N, что с учетом поверхности соприкосновения контробразца с образцом не превышает напряжения пластифицикации верхнего слоя (в случае стальных образцов).
Представленное решение исключает вышеуказанные неудобства.
Сущность изобретения, которым является способ испытания на абразивный износ деталей машин при высокой температуре и высоких удельных давлениях путем воздействия на образец давлением, аналогичным давлениям в условиях работы кузнечных инструментов, и с аналогичными температурами, заключается в том, что контробразец в виде стержня размещают аксиально в контейнере, нагретом до температуры в пределах (500-1000) K, заканчивающемся образцом с отверстием и боковым каналом, после чего выдавливается через зазор, закрытый скользящим элементом, образованный между поверхностью скользящего элемента и боковым каналом в образце, путем воздействия стержня пуансона на контробразец, расположенный в отверстии образца, создавая удельное давление в пределах (300-1200) МПа. При этом скорость перемещения скользящего элемента относительно зазора составляет 100 м/мин.
Этот способ осуществляется в устройстве в соответствии с изобретением, имеющем поршень для вдавливания контробразца через образец с закрывающим элементом, сущность которого заключается в том, что он представляет собой контейнер, выполненный с возможностью нагрева до температуры в пределах (500-1000) К, в отверстии (3) которого размещены стержень (9) пуансона (10) и контробразец (4), входящий в отверстие (6) образца (5) с боковым каналом (7), и скользящий элемент (8), закрывающий отверстие (6), причем стержень (9) пуансона (10) выполнен с возможностью создания удельного давления (300-1200) МПа, а скользящий элемент (8) закрывает отверстие (6) при скорости перемещения относительно зазора (0,1-100) м/мин.
Предпочтительно, что скользящим элементом является диск, вращающийся в направлении перемещения части пластифицированного контробразца через боковой канал образца со скоростью вращения в пределах (1-30) об/мин.
Благодаря использованию такого решения в соответствии с изобретением были получены следующие технико-эксплуатационные результаты:
- возможность испытания материалов на абразивный износ, в частности металлов, характеризующийся изменением формы радиуса между отверстием и боковым каналом, а также изменением веса образца после прохождения заданного пути пластифицированным контробразцом;
- возможность применения датчиков сил и крутящего момента, что позволяет определить коэффициент трения и путь трения на исследуемом радиусе, а также позволяет количественно описать результат испытания;
- возможность создания условий износа металлов, аппроксимирующих условия работы кузнечных инструментов, в частности температуры, давления и скорости перемещения пластифицированного металла.
Предмет изобретения, в примере осуществления, который не является ограничивающим, представлен на чертеже, где показано устройство для испытания на абразивный износ деталей машин при высокой температуре и высоких удельных давлениях, оснащенное диском в качестве скользящего элемента.
Устройство для испытания на абразивный износ деталей машин при высокой температуре и высоких удельных давлениях имеет контейнер 1 с нагревательным элементом 2. Контейнер 1 имеет внутри центральное отверстие 3 для закрепления контробразца 4. Он закончен образцом 5 с отверстием 6 и боковым каналом 7. Отверстие 6 закрыто поверхностью скольжения, в частном случае диском 8, торцевая поверхность которого соприкасается с отверстием 6 в образце 5. В центральном отверстии 3 контейнера 1 установлен стержень 9 пуансона 10 с возможностью скольжения.
В центральное отверстие 3 контейнера 1, нагретого до темп. (500-1000) K, вкладывается контробразец 4. Пуансоном 10 посредством стержня 9 создается удельное давление в пределах (300-1200) МПа. Одновременно приводится в движение скользящая поверхность, в частном случае диск 8, со скоростью вращения (1-30) об/мин. Под действием давления и сил трения контробразец 4 в зоне отверстия 6 образца 5 подвергается пластификации.
Пластифицированный металл вытекает через боковой канал 7 образца 5. Регулируемая скорость вращения диска 8 влияет на путь и скорость перемещения пластифицированного контробразца 4.
В устройство установлены системы измерений, регистрирующие силу стержня 9 и силу на перемещение скользящей поверхности, в этом частном случае крутящий момент диска и силу боковой реакции контейнера 1, обеспечивающей создание силы трения в паре с образцом и контробразцом. Величина абразивного износа зарегистрирована как разница веса образца 5 до и после проведения испытания.
В результате проводимых экспериментов определяются:
- сила трения в паре образец 5-контробразец 4 в зависимости от вида использованных материалов и температуры;
- потеря массы в функции пути перемещения контробразца 4 (длины деформированного контробразца) в качестве показателя убыли материала образца во время эксперимента;
- геометрический износ - изменение формы поверхности образца 5 в функции пути перемещения контробразца 4.