1.2. Особливості гідроабразивного зношування конструкційних матеріалів

Одними з небезпечних процесів, що протікають на робочих поверхнях вузлів тертя, є гідроабразивне і газоабразівное зношування, при якому відбувається циклічне втомна деформація матеріалу, під впливом потоку рідини, газу та твердих частинок. При цьому розміри продуктів зносу і частота їх утворення визначаються умовами зовнішнього навантаження. Відділенню зношених частинок передує виникнення і розвиток досить великих під поверхневих тріщин як наслідок максимальне зміцнення поверхневого шару і накопичення найбільшої пластичної деформації.

Фундаментальні дослідження зношування конструкційних матеріалів в гідроабразивних і газоабразівних середовищах виконані багатьма вітчизняними, а саме Б.И. Костецким [21], И.В. Крагельским [22], М.Ф. Дмитриченком [23], та інші.

До основних факторів, що впливає на гідро- і газоабразівное зношування, відносяться наступні: швидкість удару частинок; кут нахилу вектора швидкості частинок до поверхні деталі (кут атаки); концентрація частинок в потоці; абразивні властивості твердих частинок (твердість), розміри і форма частинок, співвідношення мікротвердості частки і матеріалу деталей; режиму експлуатації трибосполучень, тривалість зношування; властивості і структура зношуються матеріалів; вплив фізичних і фізико-хімічних процесів: ерозії, кавітації, корозії; середовище та його активність.

Інтенсивність зношування деталей в гідроабразивному потоці залежить від характеру і швидкості зіткнення абразивних частинок об металеву поверхню, їх твердості і розмірів. Так, при куті атаки 90 ° поверхню металу зношується внаслідок проникнення в нього на деяку глибину вільних абразивних частинок.

Проведені дослідження впливу швидкості абразивного потоку, а також крупності частинок, на характер протікання процесу зношування при збереженні незмінними умов і параметрів контактування, дозволили зробити наступний висновок: процес гідроабразивного зношування матеріалів характеризується наявністю певних рівнів енергетичного бар'єру, перевищення яких абразивними частинками , що містяться в гідросуміші, викликає якісні зміни текучого процесу.

Встановлено, що найменший знос матеріалів має місце при середньому розмірі твердих частинок 0,1 мм і менше; зі збільшенням об'ємного вмісту твердих частинок в рідині знос композиції збільшується.

В умовах циклічного високошвидкісного навантаження металів при ударах абразивних частинок, критична швидкість удару не є для кожного металу постійною в процесі зношування величиною і зменшується в міру поглинання енергії деформуються шарами металу. Це означає, що для багатьох металів і сплавів навіть при середньому рівні зовнішнього силового впливу при гідроабразивного зношування існують умови для крихкого руйнування поверхневих шарів.

Твердість матеріалу не є однозначною характеристикою, визначальною його зносостійкість в умовах гідроабразивного зношування.

Проведені дослідження [21] показали, що широким умовою гідроабразивного зношування з точки зору забезпечення оптимальної зносостійкості деталі найбільш повно задовольняє сталь, зношуються шари якої зміцнюється до високих значень мікротвердості, тобто мають підвищену енергоємністю, в той же час самі зовнішні мікрооб'єми металів ефективно перешкоджають впровадженню в них абразивних частинок (розпушення і видалення цих шарів в межах 1,0 - 1,5 мкм відбувається менш інтенсивно).

Високий ступінь рівномірності пластичної деформації в мікрооб'ємах і, як наслідок цього, висока енергоємність зношуються шарів матеріалу відповідають зниженню коефіцієнта диспергування внаслідок зростання частки роботи пластичної деформації в загальній роботі. Ступінь зміцнення матеріалу при цьому, що характеризується різницею вторинної та вихідної мікротвердості і пропорційна роботі деформації, є вельми важливою характеристикою поведінки матеріалу при зношуванні [21].

Зносостійкість конструкційний матеріал визначається здатністю окремих структурних складових поверхні протистояти руйнівним деформацій. Тому, для забезпечення високої зносостійкості в умовах гідроабразивного зношування слід вибирати матеріали з полікристалічним будовою, що характеризуються досить тонкою мікроструктурою з елементами порядку 1 мкм.

Дослідженню механізму гідроабразивного зношування присвячено багато робіт [3,4,6].

Механізми поверхневого руйнування деталей машин можуть бути різними в залежності від конкретних умов експлуатації і швидкості потоку рідини. У разі невеликих швидкостей потоку рідин провідним є механіко-хімічний механізм руйнування. При цьому інтенсивність зношування контактних поверхонь невелика і стабільна в часі.

Відокремлення зношених частинок передує виникнення і розвиток досить великих підповерхневих тріщин як наслідок максимального зміцнення поверхневих шарів і накопичення найбільшої пластичної деформації .

При високому тиску в зоні мікрорізані абразивним зерном відбувається зміцнення металу внаслідок його пластичної деформації, яка спостерігається навіть у тендітних металів (чавун, загартована сталь). Деформаційне зміцнення тим більше, ніж пластичний метал. Зі збільшенням зміцнення відповідно зростає і опір деформації металу, а це призводить до інтенсивного зносу абразивного матеріалу.

Інтенсивного руйнування металів від гідроабразивного зношування передує період, протягом якого мікротвердість їх збільшується до граничного значення. За цей період виникають дислокації і інші мікродефекти поверхневого шару, накопичуючись, переростають в мікропори, які під дією наступних ударів зливаються і утворюють мережу мікротріщин різних розмірів. Створюються умови для крихкого руйнування. Тривалість початкового періоду залежить, з одного боку, від умов випробувань, а з іншого боку, визначається міцності випробовуваних металів.

При відносно низьких значеннях енергії удару руйнування локалізується в найтонших поверхневих шарах вторинних структур і протікає по механіко-хімічному механізму. У деяких випадках гідроабразивне зношування супроводжують процеси електрохімічної корозії.

Відповідно до спостереження механізмів руйнування різних конструкційних матеріалів при зміні питомої енергії контактування існує кілька критичних енергетичних рівнів W_k, значення яких в залежності від умов навантаження можуть змінюватися на 2 і більше порядку. Однак, через деякі параметри і умов взаємодії частинок з поверхнею аналітичне визначення значень W_k, а також інших параметрів, що характеризують абразивні і зносостійкі властивості контактних матеріалів, що виключає можливість створення універсальної розрахункової методики процесу зношування шляхом тільки теоретичного аналізу.

В роботі [5] проводили дослідження зносостійкості в умовах гідро- та ударно-абразивного зношування широкого кола сталей різних класів і сплавів кольорових металів. Встановлено, що зносостійкість матеріалів різних класів залежить від параметра, що характеризує жорсткість напруженого стану тонких зношуються шарів. Універсальним критерієм зносостійкості широкого кола металевих матеріалів є критична щільність потужності деформації, що визначається з урахуванням жорсткості напруженого стану зношуються поверхні.

До матеріалів, які працюють в середовищі швидкоплинної рідини, пред'являються вимоги високої конструкційної міцності, а також корозійної і ерозійної стійкості. В якості основного принципу вибору матеріалів, стійких в умовах гідроабразивного зношування, слід вважати структурний принцип. При цьому необхідно враховувати, як відзначають автори [5], що не може бути однієї марки сталі або сплаву, придатної для всього різноманіття умов експлуатації деталей (різні швидкості потоку рідини, хімічна активність і абразивність середовища, конструктивні особливості деталей та ін.). Тому в кожному окремому випадку вибір матеріалу повинен базуватися на глибокому вивченні умов, в яких відбувається його руйнування.

Задача вибору металів для роботи в умовах гідроабразивного зношування в загальному випадку повинна бути спрямована на відшукання металів, що володіють оптимальним співвідношенням між характеристиками міцності і пластичних властивостей. Цим вимогам задовольняють стали аустенітного і аустенітного-феритного класу, особливо з нестабільним аустенітом, і ряд марок сталей інших класів, наприклад, стали перлітного класу з початковою твердістю в межах 350-420 НV.

Перспективним напрямком підвищення роботоздатності деталей, що експлуатуються в умовах гідроабразивного зношування, є використання мінералополімерних композицій.

При загальній тенденції заміни в деяких видах устаткування гірської промисловості легованих зносостійких чавунів на неметалеві матеріали на особливу увагу заслуговує створення мінералополімерних композицій. Ці композиції складаються з мінерального наповнювача (електрокорунду, карбіду кремнію і ін.) І полімерної зв'язки. Однак, відомостей про таких композиційних матеріалів в широкому діапазоні впливу зовнішніх механічних факторів не існує.

До числа основних напрямків підвищення зносостійкості деталей, що піддаються гідроабразивного зношування, слід віднести застосування зносостійких матеріалів, технологічні методи, нанесення покриттів, наплавлень, і ін.

Таким чином, до теперішнього часу проведено значну кількість досліджень, присвячених вивченню процесів гідроабразивного зношування і розробці методів підвищення зносостійкості деталей машин, що працюють в гідроабразивних середовищах. Існуючі методи підвищення зносостійкості цих деталей не задовольняють пред'явленим до них вимогам. У зв'язку з цим розробка методів підвищення зносостійкості є актуальним завданням.