Эрозия металлов

Эрозия металлов - это  процесс постепенного разрушения их путем механического износа. Например, истирание подшипников скольжения или поршневых колец, истирание  реборд и скатов колесных пар трамваев или железнодорожных вагонов, разрушение металла при его шлифовке и  т.д.

Проблема эрозионного  изнашивания, а следовательно, и защиты деталей приобретает в настоящее время особую актуальность. При движении жидких и газообразных потоков в таких распространенных машинах, как компрессоры, двигатели внутреннего сгорания, турбореактивные и реактивные двигатели и другие происходит эрозионное разрушение различных деталей. Эрозия материала — вид изнашивания поверхности деталей машин и аппаратов, включающий собственно эрозионное разрушение, а также элементы трения и коррозии и подчиняющийся закономерностям физики твердого тела и учения о поверхностных явлениях под действием внешних сил.

Эрозионное разрушение материалов можно разделить на четыре основных вида: газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. 

Процесс эрозионного разрушения усугубляется и коррозионными явлениями. Пленка окислов, существующая практически  всегда на поверхности металлов в  газовых средах, особенно при повышенных температурах, разрушается потоком  абразивных частиц. При этом поверхность  металла вновь подвергается окислению, создаются условия для неравномерного коррозионного разрушения. По коррозионным очагам эрозионное разрушение происходит еще интенсивнее, так как рельеф становится более шероховатым.

Эрозионное разрушение материалов можно разделить на четыре основных вида: газовую, кавитационную, абразивную и электрическую.

Газовая эрозия.

Газовая эрозия: разрушения металлов под действием механических и тепловых сил газовых молекул.

Газовая эрозия даже теплозащитных покрытий наблюдается под действием горячих отработанных газов, движущихся с большой скоростью.

Алюминиевомагниевые легкие сплавы плохо сопротивляются горячей газовой эрозии, и образцы из них при испытании на лабораторных приборах разрушаются в результате однократного воздействия горячих газов, имеющих весьма высокую температуру. Для характеристики поведения этих сплавов на рис. 54 приводится внешний вид образца после одной обдувки на приборе для эрозионных испытаний.

Эти характеристики определяют сопротивление металлов горячей газовой эрозии. Электрические и магнитные свойства металла ( электросопротивление, магнитная проницаемость, магнитная индукция, электронная эмиссия и др.) должны учитываться при определении эрозионной стойкости металла в случае ультразвукового и электрического воздействия на поверхность заготовки или детали.

При проектировании аппаратуры для испытания материалов на сопротивление горячей газовой эрозии возникают сложные и подчас противоречивые задачи. С одной стороны, надо максимально приблизить условия испытания к условиям эксплуатации деталей, а с другой, сколько возможно упростить конструкцию и методику проведения эксперимента и, следовательно, удешевить все исследование.

Расплавление механически  ослабленных тонких поверхностных  слоев металла при горячей газовой эрозии, а также испарение и плавление металла при электрической эрозии - это второй характерный тип разрушения материала. Существуют уравнения, устанавливающие-связь между температурой на поверхности уноса массы и скоростью уноса, из решения которых может быть установлена доля тепла, поглощенного в процессе теплопроводности, доля тепла уносимого в пространство вместе с массой и излучаемого с поверхности материала. По теплу, поглощенному в процессе теплопроводности, рассчитывается температура на поверхности несущей конструкции под слоем теплозащитного аблирующего материала.

Дается анализ факторов, определяющих сопротивление металлов и покрытий горячей газовой эрозии

При рассмотрении факторов, оказывающих существенное влияние  на процесс горячей газовой эрозии металлов и связанных со средой, следует иметь в виду, что действие их по своим результатам имеет часто противоречивый характер. Так, например, при кратковременном протекании определенного количества газа по трубе, скорость газового потока обратно пропорциональна его времени действия и, следовательно, величине эрозионного разрушения поверхности. С другой стороны, кинетическая энергия газовой струи с возрастанием скорости движения увеличивается, что приводит к большему эрозионному износу. Таким образом, в этом случае суммарный эффект от возрастания скорости движения газов с точки зрения эрозионного разрушения поверхности металла может быть или большим или меньшим.

При этом им был сделан вывод, что на процесс горячей газовой эрозии преобладающее влияние оказывает термический фактор, причем основой механизма разрушения является вымывание или сдувание струей газов расплавленного или размягченного и потерявшего сплошность ( вследствие наличия мелких трещин термической усталости) поверхностного слоя металла.

По нашему мнению, абляция  есть не что иное, как горячая газовая эрозия материалов с некристаллическим строением, в частности эрозия широкого класса пластических масс и ряда теплозащитных покрытий.

Одним из наиболее распространенных в настоящее время методов  защиты изделий от горячей газовой эрозиия вляется применение различного рода покрытий.

Особенно эрозионностойкими являются чрезвычайно тугоплавкие вольфрамомолибденовые сплавы, которые практически почти не подвержены горячей газовой эрозии. Однако высокая хрупкость и значительная стоимость подобных сплавов не позволяют пока рекомендовать их для массового промышленного применения в деталях, подверженных газовой эрозии.

Поскольку в двух последующих  главах излагаются вопросы, связанные  главным образом с явлениями  лишь горячей газовой эрозии, уместно привести здесь отдельные рекомендации по защите изделий от других видов эрозионного разрушения. Эти рекомендации получены на основании результатов испытаний, проведенных па опытных образцах в установках и аппаратах, в том числе и рассмотренных ниже. 

Следует отметить, что при  холодной газовой эрозии происходит значительно менее интенсивный  износ поверхности металла, чем  при горячей газовой эрозии. 

Указанные опыты подтвердили, что образование структур слаботравящихся белых слоев обязано главным образом диффузионным процессом, протекающим в условиях горячей газовой эрозии. 

Таким образом, основным выводом  из рассмотрения физических теорий эрозионного  износа следует считать вывод  о преобладании термического фактора  в процессе горячей газовой эрозии, причем основой механизма разрушения является вымывание или сдувание струей газов расплавленного или размягченного и потерявшего сплошность вследствие наличия мелких трещин термической усталости поверхностного слоя металла.

В книге Эрозия и защита металлов по сравнению с первым изданием существенно расширена и переработана глава, посвященная современным  методам защиты деталей от горячей газовой эрозии; дополнена глава по теории эрозионных процессов и сделана попытка изложения элементов общей теории эрозионного износа; увеличено количество примеров эрозионного разрушения материалов, а также расширен перечень аппаратуры и методик, используемых для изучения эрозионных процессов; несколько рациональнее расположены ранее использованные и новые данные, что придало книге большую стройность п логичность изложения.

Поскольку, как это будет  видно из дальнейшего изложения, составные механические и тепловые эффекты, присущие процессу абляции, адекватны  аналогичным эффектам, наблюдаемым  при горячей газовой эрозии, мы сочли правомерным отнести этот вид разрушения к разряду эрозионных. 

Большое количество эксперимент, проведенных по из - 4UiHK стойкости  металлов, позволило установить весьма существенное, а в большинстве  случаев и определяющее влияние тепловых характеристик металлов и сплавов на их сопротивление горячей газовой эрозии.

Рассматривая различные  виды материалов: черные металлы и  сплавы, цветные и легкие сплавы, редкие металлы, метало-керамические и минералокерамические сплавы, металлические покрытия, а также пластические массы, можно увидеть, что их сопротивление горячей газовой эрозии колеблется в весьма широких пределах.

Рассмотрим, например, такой  металл, как хром. Специальными опытами  установлено, что чистый хром, полученный алюмотермическим путем, совершенно не подвержен горячей газовой эрозии, однако он характеризуется почти полным отсутствием пластичности и вязкости и не находит пока применения в качестве конструкционного материала. Вместе с тем покрытие хромом - хромирование - широко используется в промышленности, в технике и в быту, как метод защиты изделий от коррозии в агрессивных средах и как средство, повышающее износостойкость материала при трении, а также как декоративное покрытие.

Известную роль в процессе эрозии должна играть способность металла  испаряться при весьма высоких температурах. Сопоставляя величины изменения  ( уменьшения) веса пластинок из различных металлов при опытах по испарению с данными по эрозионной стойкости тех же металлов при испытании их, например, в манометрической бомбе Вьеля, можно увидеть качественную картину, свидетельствующую о некоторой связи между горячей газовой эрозией и испарением металлов.

Правда, при использовании  сталей в этом отношении наши возможности  ограничены весьма узкими пределами. Однако тугоплавкие сплавы не на основе железа могут эти возможности значительно  расширить. Сплавы на основе кобальта, хрома, молибдена, вольфрама и других металлов с высокой температурой плавления имеют весьма широкие  перспективы для применения в  тех случаях, когда требуется  высокая сопротивляемость горячей газовой эрозии.

В книге рассматриваются  различные виды эрозии металлов и дается анализ факторов, влияющих на сопротивление металлов эрозионному разрушению. Кроме того, рассматриваются приборы, аппараты, установки и методы изучения эрозионного износа материалов. Особое внимание уделяется различным способам защиты деталей от эрозии. Наиболее полно рассмотрена горячая газовая эрозия и способы защиты от нее. Отдельные вопросы по данной проблеме, вследствие ограниченного объема книги, излагаются крайне сжато, вместе с тем имеющиеся по ним литературные источники даются в библиографии.

Кавитационная эрозия.

Кавитационная эрозия наблюдается при эксплуатации гидротурбин, гребных винтов, насосов, клапанов, запорных устройств в трубопроводах. Она обусловлена нестационарностью потока жидкости, обтекающей твердое тело. Кавитация - это процесс образования и исчезновения пузырьков в жидкости. Исчезновение пузырьков сопровождается гидравлическим ударом, который и является причиной кавитационной эрозии. Возникновение пузырьков происходит в области низкого давления, а исчезновение - в области высокого давления. Таким образом, область кавитационного разрушения часто бывает значительно удалена от зоны возникновения пузырьков. 

Кавитационная эрозия появляется в виде местного разрушения деталей гидромашин и других устройств, металлические поверхности которых соприкасаются с потоком жидкости, когда в нем возникают местные падения давления. Причиной разрушения металла являются повторные местные ударные нагружения, возникающие при захлопывании каверн, причем разрушение происходит, по-видимому, при одновременном влиянии и фактора коррозии. 

Кавитационная эрозия в зоне резания способствует наиболее эффективной циркуляции абразивных зерен. Рассмотрим более подробно сущность кавитационной эрозии.

Кавитационная эрозия - разрущение поверхности твердого тела, вызываемое ударными волнами, образующимися при захлопывании кавитационных пузырьков. 

Кавитационная эрозия может наблюдаться на крыльчатках и корпусах центробежных насосов, в рабочих органах регулирующих питательных клапанов РПК и в гибах труб непосредственно за РПК.

Кавитационная эрозия и отслаивающее действие пузырьков применяются также и для ультразвуковой пайки алюминия и его сплавов. Как известно, алюминий очень трудно поддается пайке обычными методами. На воздухе алюминий мгновенно окисляется, покрываясь химически очень стойкой пленкой окиси, которая препятствует смачиванию поверхности металла жидким припоем. Ультразвук дает возможность сорвать эту пленку и сделать поверхность алюминия доступной для припоя.

Кавитационная эрозия появляется главным образом в результате импульсного механического воздействия гидравлических ударов потока жидкости на поверхность металла. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин.

Кавитационная эрозия вызывается механическим воздействием гидравлических ударов потока жидкости, в результате чего мельчайшие частицы металла отрываются от поверхности изделия и уносятся. При определенных условиях в обтекающем деталь слое жидкости возникают зоны пониженного давления, приводящие к зарождению так называемых кавитационных пузырьков. Когда пузырьки замыкаются, по поверхности металла происходят гидравлические удары, разрушающие ее. Термическая усталость 2, возникающая в результате действия циклических нагревов и охлаждений, приводит к образованию на поверхности детали сетки - трещин. 

Интенсивной кавитационной эрозии подвергаются не только трущиеся тела, но и тела, совершающие высокочастотные ( v - 5 - 104 гц) колебания в свободном объеме жидкости. 

Чаще всего кавитационная эрозия протекает в коррозионной среде. В этом случае наблюдается коррозионная кавитация. Этот вид коррозионно-механического воздействия может приводить к весьма сильным местным разрушениям с образованием глубоких каверн в зоне кавитации.

Механизм кавитационной эрозии является сложным, и до настоящего времени строгая теория этого явления не разработана. 

Зависимость кавитационной эрозии от темп-ры для жидкостей в воздухе: 1 - вода; 2 - керосин; 3 - бензин; 4 - этиловый спирт; 5-ацетон; Д ( 7 -количество вещества, уда-лепного в результате эрозии. 

Интенсивность кавитационной эрозии первоначально увеличи вается с возрастанием температуры, затем, достигнув максимума, уменьшается.

На развитие кавитационной эрозии значительное влияние оказывает также химический фактор. Однако увеличение степени разрушения многие исследователи объясняют изменением механических свойств материалов, совершенно не касаясь механо-химических эффектов разрушения. Этот специфический вид разрушения будет рассмотрен при коррозионно-механическом изнашивании.