ГИДРО- И ГАЗОАБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ.

Гидро- и газоабразивным изнашиванием называется абразивное изнашивание в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно изнашивающегося тела. Гидроабразивное изнашивание характерно для элементов топливной аппаратуры, двигателей внутреннего сгорания, объемного гидропривода, а также для деталей гидродинамических передач. В роли жидкости — носителя частиц, как правило, выступают смазочные материалы, топлива, тормозные и рабочие жидкости. Газоабразивное изнашивание наблюдается в элементах компрессоров и пневматического инструмента, где носителем абразивных частиц является сжатый воздух. Гидро- и газоабразивное изнашивание имеет общий механизм и характерные признаки проявления.

Интенсивность гидро- и газоабразивного изнашивания можно определить по формуле:

I=KVm, (1)

где К — коэффициент, зависящий от свойств абразива и параметров потока жидкости или газа; V — скорость потока, м/с; m — показатель степени, зависящий от материала детали (для СтЗ m = 2,3; для закаленной стали 45 m = 2,5; для белого чугуна m = 2,8).

Интенсивность изнашивания зависит от угла атаки, скорости потока, концентрации, размера, твердости абразивных частиц, соотношения твердости поверхности материала и абразивных частиц. С уменьшением угла атаки снижается величина ударного импульса, увеличивается вероятность пропахивания и микрорезания поверхности.

Повышение твердости сталей в целом благоприятно сказывается на сопротивлении изнашиванию, однако одновременно повышается опасность хрупкого разрушения. Износостойкость сталей увеличивается при наличии карбидов в вязкой структуре матрицы материал (сталь Х12). Износостойкость коррозионно-стойких сталей 9Х18Н10Т, 40Х13, 12Х18Н10Т повышается с увеличением содержания углерода.

Гидроабразивная износостойкость чугунов изменяется в широких пределах. Наиболее износостойкими являются хромистые чугуны, карбидо-чугуны. При повышении твердости сплавов и наплавленных металлов наблюдается увеличение износостойкости с повышением твердости. Износ твердых сплавов и минеральных материалов зависит от угла атаки αа, увеличиваясь при αа → 90°. Полимерные материалы слабо противостоят гидроабразивному изнашиванию.

Сравнительная износостойкость различных материалов при гидроабразивном изнашивании при углах атаки 10° и 70° приведена в табл.1.

Таблица 1. Износостойкость материалов при гидроабразивном изнашивании.
Материал Твердость, МПа

Износостойкость, мин/мм3

при углах атаки αа

10° 70°

Минералокерамика С8

Твердые сплавы:

   ВК8

   ВК15

Чугун ИЧХ12М

Сормайт

Чугун белый

Сталь:

   Х12

Минералокерамика ЦМ-332

Сталь:

   65Г

   45

   110Г13Л

   12Х18Н9Т

Серый чугун СЧ18

Резина на основе СКЧ-8

Сталь Ст3

Базальт

Латунь Л63

Резин В14

Стекло

Полиамид П68

Капролон В

Винипласт

Стекловолокнит АГ-4В

33000

 

15000

11000

7900

5930

6200

 

7200

15400

 

6200

5700

2400

1700

1700

1200

8000

820

6400

120,0

 

83,8

32,0

11,2

10,2

7,7

 

7,5

6,7

 

6,2

4,8

4,7

3,9

3,6

3,2

3,2

2,8

1,7

1,6

1,0

1,0

0,9

0,9

0,2

42,6

 

29,4

13,0

6,8

6,7

5,7

 

6,7

2,2

 

5,7

4,8

5,4

2,4

8,5

3,6

0,5

2,6

4,6

0,2

1,4

1,1

0,7

0,2

С увеличением размера абразивных частиц до 150 мкм интенсивность изнашивания монотонно возрастает. Это связано с усилением влияния твердости абразивного материала и формы его части на процесс изнашивания. Присутствие влаги резко увеличивает интенсивность изнашивания, особенно при повышении температуры. Интенсивность гидроабразивного изнашивания в значительной степени обусловлена направлением скорости абразивных частиц, которое характеризуется углом атаки αа, т.е. углом между образующей профиля поверхности детали и вектором скорости потока жидкости (газа), несущего абразивные частицы.

При нормальном ударе, когда вектор скорости потока направлен перпендикулярно к поверхности детали, износостойкость материала определяется сопротивлением его микрообъемов усталостному, деформационному и хрупкому разрушению, а также способностью материала поглощать кинетическую энергию удара частиц вследствие упругой деформации. При малых углах атаки абразивных частиц их ударный импульс уменьшается, и повреждение материала происходит вследствие среза и отрыва частиц с образованием коротких царапин (рис.1). При углах атаки αа = 5-15° поток жидкости (газа) свободно обтекает выступы микронеровностей, динамические воздействия, воспринимаемые поверхностью, незначительны, поэтому интенсивность изнашивания невелика.

Рис.1. Зависимость интенсивности гидро- и газоабразивного изнашивания от угла атаки αа абразивных частиц для разных материалов: 1 — пластичных; 2 — хрупких.

У пластичных материалов с небольшой твердостью поверхности интенсивность изнашивания значительно выше, чем у высокопрочных хрупких материалов. С ростом угла атаки абразивных частиц до 20-30° интенсивность изнашивания пластичных материалов возрастает, поскольку увеличивается число соударений частиц с выступами микронеровностей, и при этом горизонтальная составляющая силы воздействия частиц (сила отрыва) превышает вертикальную составляющую, деформирующую микронеровности. Дальнейшее увеличение угла атаки приведет к еще большему увеличению вертикальной составляющей силы удара частиц и у пластичных ковких материалов вызовет эффект упрочнения поверхности, аналогичный наклепу. При этом интенсивность гидро- и газоабразивного изнашивания будет резко уменьшаться по мере увеличения угла атаки до 90°.

Хрупкие материалы, обладающие высокими прочностными свойствами, выдерживают воздействие абразивных частиц при углах атаки до 40—50°. Однако с увеличением угла атаки до 60—90° вертикальная составляющая силы удара частиц достигает значений, при которых происходит хрупкий излом выступов микронеровностей. Интенсивность гидро- и газоабразивного изнашивания твердых поверхностей в значительной мере зависит от высоты микронеровностей, угла их наклона, а также ориентации выступов шероховатости поверхности по отношению к направлению воздействия потока жидкости или газа.

К мероприятиям, направленным на увеличение износостойкости поверхностей при гидро- и газоабразивном изнашивании, относят увеличение твердости материалов деталей, применение эластомеров с более высоким модулем упругости, герметизацию сопряжений, а также обеспечение чистоты рабочих жидкостей или газов.

Литература

  1. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.
  2. А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред. А. В. Чичинадзе. / Основы трибологии (трение, износ, смазка).  2-е изд. переработ, и доп. - М.: Машиностроение, 2001.