Кавитационное изнашивание

Кавитация дословно означает полость, пустота. Под кавитацией понимают явление образо­вания в движущемся по поверхности твердого тела потоке жид­кости полостей в виде пузырей, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препят­ствий на его пути давление может упасть до значения, соответ­ствующего давлению парообразования при данной температу­ре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости рас­тягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей милли­метра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высо­ких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и в об­разовавшиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восста­новление сплошности потока.

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 6 мм в диаметре и полностью разру­шиться за 0,001 с. По данным В. Я. Карелина, при определен­ных типах кавитации на площади в 1 см² в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн кавитационных пу­зырьков.

Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопрово­дах, в гидромониторах и в потоках, обтекающих лопатки цент­робежных, пропеллерных насосов и лопасти гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитации вызывает вибра­ции, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепеж­ных связей, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной корро­зии стыков, нарушению уплотнений и усталостным повреж­дениям.

Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов и вы­зывает непосредственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Она способствует закоксовыванию распыли­телей форсунок двигателей внутреннего сгорания.

Труднообтекаемая форма и неровности поверхностей, вклю­чая неровности, образовавшиеся по причине кавитационного из­нашивания, служат причиной образования вихрей и отставания струй от стенок рабочих каналов, что способствует возникнове­нию или усилению кавитации.

Предпосылки для наступления и протекания кавитационно­го изнашивания следующие. При замыкании до полного исчез­новения парогазовых пузырей у поверхности детали последняя подвергается микроскопическим гидравлическим ударам (рис. 4.6). Из нескольких миллионов образовавшихся кавитационных пузырьков примерно один из 30 тыс. участвует в разрушении. Под действием ударов поверхность металла начинает деформи­роваться и подвергаться наклепу; появляются линии сдвига и происходит как бы своеобразное травление с выявлением гра­ниц отдельных зерен. Многократно повторяющиеся удары вы­зывают разупрочнение и перенаклеп материала на отдельных микроучастках, сопровождающиеся возникновением очагов раз­рушения в виде трещин. Разрушается прежде всего менее проч­ная структурная составляющая (в сталях —феррит, в чугунах — графитовые включения). Затем может последовать вы­крашивание и более прочных составляющих. Разрушение раз­вивается в пределах зерен или по их границам в зависимости от соотношения прочности зерен и связи между ними.

Коррозия играет существенную роль в процессе кавитацион­ного изнашивания. Например, в морской воде интенсивность изнашивания намного выше, чем в пресной при прочих равных условиях. Однако механическим воздействиям принадлежит ос­новная роль, о чем свидетельствует низкая кавитационная стой­кость лакокрасочных, цинковых и алюминиевых покрытий, име­ющих малую механическую прочность, эбонита и плексигласа, являющихся коррозионно-стойкими неметаллическими матери­алами. Скорость кавитационного изнашивания может быть в сотни раз и более выше скорости коррозионного разрушения поверхностного слоя.

Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромехани­ческую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования. Однако возмож­ность кавитации всегда следует учитывать.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от тем­пературы, свойств жидкости и материала деталей. Влияние вяз­кости незначительно. С увеличением поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Введение в воду веществ, образующих и способствующих образованию эмуль­сий (масла и эмульгаторы), понижает поверхностное натяже­ние жидкости и снижает кавитационное изнашивание. Наиболь­шая интенсивность изнашивания наблюдается в воде с темпе­ратурой 50°С.

Кавитационная стойкость материала определяется его со­ставом и структурой. Повышение содержания углерода в угле­родистой стали увеличивает ее стойкость. Однако при содер­жании углерода 0,8% и более она начинает падать. Пластин­чатый перлит более стоек, чем зернистый. Введение никеля и хрома в сталь повышает ее стойкость за счет снижения коли­чества феррита, увеличения степени дисперсности и др. Шаро­видная форма графита благоприятна. Наиболее стойким явля­ется низколегированный чугун (1% Ni, 0,3% Mo) с шаровид­ным графитом.

Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упроч­нение, в том числе твердые наплавки, сообщают стали значи­тельную кавитационную стойкость. То же относится к хромо­вому покрытию при достаточной его толщине (около 40 мкм) и сплошности (молочный хром). При малой толщине (менее 20 мкм) разрушение происходит под слоем хрома; существен­ную роль играет прочность основания. Латунь благодаря своей вязкости стойка к кавитационному изнашиванию. Сравнитель­но хорошей кавитационной стойкостью обладает резиновое по­крытие.

Вибрационная кавитация. При колебании твердого тела от­носительно жидкости или жидкости относительно твердого те­ла давление в жидкости на границе раздела жидкости и твер­дого тела может уменьшиться и вызвать образование кавита-ционных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего дав­ления на систему и насыщенности жидкости воздухом. Вибра­ционную кавитацию могут вызвать звуковые колебания, осо­бенно ультразвуковые. Звуковые волны ускоряют окислитель­но-восстановительные реакции, вызывают внутримолекулярные перегруппировки веществ, усиливают диспергирование, ускоря­ют процессы мойки и обезжиривания поверхностей и вызыва­ют коагуляцию мелких частиц. При вибрации не исключается кавитация в тонком смазочном слое между поверхностями, ко­торая может привести к выкрашиванию материала подшипни­ков скольжения, зубьев колес и поверхностей других деталей.

Вибрационная кавитация проявляется в двигателях внутрен­него сгорания, особенно на наружных поверхностях гильз вслед­ствие их колебаний от ударов поршня. Износ от кавитации наружной поверхности гильзы может быть в

3—4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от действия поршневых ко­лец.

На рис. 4.7 показана наружная поверхность гильзы двига­теля, изношенная на глубину до 5 мм за 500 ч работы. Коле­бания, возбуждаемые гильзой, передаются жидкостью на про­тивоположную стенку блока двигателя и вызывают кавитаци-онные повреждения (С. П. Козырев). Большую опасность пред­ставляет кавитационное разрушение опорных поясков гильз и блока цилиндров, что приводит к проникновению охлаждаю­щей жидкости в полость цилиндра и в картер двигателя.

Эрозионное изнашивание. Эрозия в широком понятии — про­цесс поверхностного разрушения вещества под воздействием внешней среды. В машиностроении эрозия имеет более узкое понятие — разрушение поверхности материалов вследствие ме­ханического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под действием электри­ческих зарядов также относится к эрозии. Л. А. Урванцев под­разделяет эрозию на газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. Каждый вид эрозии имеет подвиды, которые являются сочетанием отдельных видов, например, газовая эро­зия может быть газоабразивной, газоэлектрической и т. д.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидко­сти, газа или пара слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расша­тывание и вымывание отдельных объемов материала. Вообще говоря, скорость изнашивания в этом случае мала. Большая роль принадлежит динамическому действию потока или струи. В зависимости от свойств материала возможны вырывы отдель­ных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией в отношении приложенных сил. В пластичных материалах, об­ладающих способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпается, эти участки разрушаются, вымываются. Жидкость, внедряющаяся при ударах в об­разовавшиеся микротрещины, ведет себя подобно клину, раз­двигая стенки трещины.

Эрозия в начальный период на гладкой поверхности разви­вается весьма медленно, но после появления пораженных мест усиливается. Это можно объяснить повышением хрупкости по­врежденного поверхностного слоя в связи с накоплением мик­ротрещин, расклинивающим действием жидкости и усилением ударного действия из-за большого вихреобразования у поверх­ности.

Разрушению от эрозии часто подвергаются рабочие (отсеч­ные) кромки золотников гидравлических агрегатов. Струи топ­лива, проникая во время отсечки с большой скоростью в зазор между цилиндрическими поверхностями золотника и втулки, разрушают металл у рабочей кромки. Это случай щелевой эро­зии, которой подвержены клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических и паровых систем. Эрозия может воз­никнуть под воздействием жидкометаллических теплоносителей в энергетических установках. Такие теплоносители могут ока­зать сильное эрозионно-коррозионное воздействие на те или иные компоненты жаропрочных сталей.

Эрозионному изнашиванию подвержены стальные и чугун­ные поршневые кольца авиационных двигателей (рис. 4.8). Кольцо скользило по хромированной поверхности восстанов­ленного при ремонте зеркала цилиндра. Из-за плохой прирабатываемости колец не обеспечивается достаточное их прилега­ние к стенкам цилиндра, происходит прорыв газов и интенсив­ный местный нагрев рабочей поверхности кольца. Наиболее размягченные частицы металла отрываются и уносятся потоком газов. Более стойкие структурные составляющие, оказы­ваясь изолированными, разрушаются. На поверхности образу­ются продолговатые раковины ветвистого строения (см. рис. 4.8). Эрозионное изнашивание начинается часто с микроцара­пин, возникающих при схватывании поверхностей трения. Эро­зионному повреждению в данном случае сопутствует образова­ние белого слоя. Уменьшить разрушение колец можно улучше­нием их приработки. Характерно, что на чугунных хромиро­ванных кольцах, работающих по азотированной поверхности цилиндра заводского производства, эрозия не наблюдалась.

Эрозия и коррозия весьма часто протекают совместно. Коррозионно-эрозионное изнашивание представляет собой разно­видность коррозионно-механического изнашивания.

Газовая коррозия и эрозия действуют совместно, например, в выпускных клапанах высоконапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания и на входных кромках лопаток компрес­сора газотурбинных двигателей. При замене лопаток из алю­миниевых сплавов на стальные эрозионное изнашивание кромок лопаток прекратилось.

Кавитационно-эрозионное разрушение поверхности плоско­го золотника плунжерного насоса высокого давления показано на рис. 4.9. Поврежденный участок имеет большие поры, что характерно для кавитации.

Горячая газовая эрозия пластмасс и теплозащитных покры­тий получила название абляции. Это явление проявляется, на­пример, при движении баллистического снаряда в плотных сло­ях атмосферы или под действием горячих отработанных газов при работе ракетных двигателей. Абляция сопровождается теп­ловыми и механическими эффектами и включает ряд явлений: эрозию от ударов твердых частиц или капель; срезание мате­риала от действия аэродинамических усилий; отслаивание (рас­трескивание и отделение чешуек вследствие теплового расши­рения); сдувание расплавленного материала потоком газов; сублимацию; испарение; пиролиз; сгорание.

Стойкость пластмасс к абляции зависит от теплопроводно­сти. В противоположность металлам пластмассы должны иметь низкую теплопроводность. Детали, отлитые под высоким давле­нием, лучше сопротивляются абляции по сравнению с деталя­ми, отлитыми при низком давлении.

Коррозионно-механическое изнашивание в сопряженных де­талях машин. Коррозия металла в той либо иной среде может происходить независимо от того, имеется трение или нет; сов­местное действие коррозии, нагружения и механического изна­шивания усиливает интенсивность разрушения поверхностей де­талей. Бывают, однако, случаи, когда коррозия становится ак­тивной только благодаря трению сопряженных деталей.

Поршневые кольца и цилиндровые втулки (гильзы) дви­гателей, изготовленные из литейных чугунов, при наличии эле­ктролита образуют гальванические пары как друг с другом, так и между структурными составляющими чугуна — перлитом, графитом, фосфидной эвтектикой, а внутри перлита — между цементитом и ферритом. Кроме того, вследствие неравномерно­сти температуры образуются анодные участки в областях с бо­лее высокой температурой. Анодные участки появляются в об­ластях с более интенсивным облучением.

Сжигание в цилиндрах дизелей топлива с повышенным со­держанием серы увеличивает интенсивность изнашивания порш­невых колец и цилиндровых втулок в 3—4 раза и более. Сера сгорает, образуя S0₂, и только около 7% ее идет на образова­ние SO3 в результате каталитического окисления SO2. Серный ангидрид S0₃ с водяными парами продуктов сгорания образу­ет серную кислоту. Влияние серы на коррозию связано с явле­нием конденсации H₂S0₄. Температура конденсации двухкомпонентной смеси Н₂0 и H2SO4 значительно выше, чем темпе­ратура конденсации чистого водяного пара, поэтому в конден­сат начинает выпадать концентрированная серная кислота. Для конденсации серной кислоты из продуктов сгорания на стенки цилиндра необходимо, чтобы температура точки росы двухкомпонентной смеси НгО и H₂S0₄ превышала температуру рабочей поверхности втулки. Такие условия существуют. Так, при со­держании в дизельном топливе 0,09% S, давлении вспышки 6 МПа и коэффициенте избытка воздуха 2 температура точки росы смеси при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) составляет 245°С, а в среднем положении поршня 215°С. Между тем в ряде судовых двухтактных дизелей темпе­ратура стенки цилиндровой втулки при положении поршня в ВМТ составляет 130—140°С. В таких двигателях можно ожи­дать примерно одинакового износа на всей верхней рабочей по­ловине втулки. Когда температура рабочей поверхности в верх­ней части втулки превышает 200°С, наибольшему коррозионно­му воздействию подвергается средняя часть втулки — в местах выпускных и продувочных окон. Максимальный износ наблюда­ется в средней части гильзы.

Некоторого снижения интенсивности изнашивания можно достичь повышением температуры стенок втулок, регулируя по­ступление охлаждающей воды, но кардинальным решением яв­ляется нейтрализация выпавших на стенки кислот с помощью щелочных добавок в смазочное масло.

Коррозия может стать составной частью процесса изнаши­вания двигателей внутреннего сгорания независимо от рабоче­го процесса в них. Так, при сгорании бензина помимо водяных паров образуются двуокись углерода, небольшое количество окислов серы из органических сернистых соединений в составе топлива, а также окись азота в очень малых количествах и др.

В итоге взаимодействия с водяными парами эти продукты об­разуют кислоту — угольную, сернистую, серную, азотистую и азотную и др., которые в основном удаляются из цилиндра с отработанными газами. При пониженной температуре стенок ци­линдра кислоты легко конденсируются, повышая интенсивность изнашивания стенок и поршневых колец, усиливая коррозию поршня, бобышек и поршневого пальца. Испытания двигателя без регулирования температуры в системе охлаждения и тако­го же двигателя с термостатом показали, что износ деталей вто­рого двигателя составлял Уз—у₄ износа первого.

На поверхностях трения зеркала цилиндров двигателей внут­реннего сгорания могут и не наблюдаться какие-либо специфи­ческие признаки коррозионно-механического изнашивания, по­верхности трения могут иметь блеск и малую шероховатость.

2. Проблема коррозии подшипников возникла после внедре­ния в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрик­ционных свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов. Все антифрикционые сплавы в какой-то мере корродируют под воздействием органических кислот, содержащихся в маслах или образующихся в них во время работы. Масла, окисляясь, дают перекиси, которые вызывают реакции, заканчивающиеся обра­зованием органических кислот. Воздействию последних слабо подвержены оловянные баббиты, сильнее реагируют свинцово-мышьяковистые сплавы и свинцовый баббит. Поданным Б.В.Лосикова, коррозионная стойкость медно-свинцовых, свинцово-щелочных и кадмиево-серебряных сплавов в 500—1700 раз ниже, чем оловянных баббитов.

Процесс разрушения медно-свинцовых сплавов имеет следу­ющие стадии: появление черных точек, концентрация их на от­дельных участках поверхности, образование мелких каверн с по­ристой поверхностью, появление трещин между отдельными ка­вернами и выкрашивание антифрикционного слоя по этим тре­щинам. Последовательное разрушение свинцово-щелочного спла­ва происходит следующим образом: вначале на гладкой блестя­щей поверхности появляются матовые шероховатые на ощупь пятна, представляющие собой скопления тончайших каналов, уходящих в глубь заливки на всю ее толщину; образование ра­ковин в местах пятен; появление трещин между раковинами и выкрашивание заливки по линии трещин (рис. 4.10). Органиче­ские кислоты со свинцом образуют свинцовые мыла, которые уносятся протекающим маслом; вымывание свинцовой составля­ющей сплава резко снижает его механическую прочность. Ха­рактерно, что в то время, как на нагруженной стороне подшипни­ков вкладыши подвергаются интенсивному разрушению, вклады­ши ненагруженной стороны очень медленно или вовсе не разрушаются. Таким образом, нагружение вкладыша значительно ус­коряет процесс разрушения.

Рис. 4.10. Сечение поврежденной корро­зией поверхности подшипника из свинцо­вой бронзы (ХЗО)

Проблема защиты от корро­зии свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов была реше­на при использовании антикор­розионных присадок к маслу. Эти присадки представляют собой органические вещества, содержащие серу и фосфор. Пассивация поверхности подшипника происходит в результате образования на ней защитной пленки, ближайшие к металлу слои которой связаны с ним химически, а последующие слои удерживаются силами физической адсорбции. Пленка срабатывается и восста­навливается.

3. Центробежные насосы перекачивают морскую, речную или из скважин воду с различным содержанием солей и взвешенных частиц. В ходе технологического процесса на предприятиях пи­щевой, химической и других отраслей промышленности насосы перекачивают как кислую, так и щелочную воду. Для защиты от коррозии валы центробежных водяных насосов облицовывают рубашками (защитными втулками) из бронзы, стали или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой. Если мате­риал защитных втулок не способен образовать прочные пленки, то изнашивание будет коррозионно-механическим, а интенсив­ность его при прочих равных условиях зависит от агрессивно­сти перекачиваемых вод.

4. Коррозионно-механическому изнашиванию особого вида подвержены рабочие органы машин по переработке сырья, со­держащего жирные кислоты. К таким машинам относятся, на­пример, шнек-прессы для производства растительного масла, машины для резания, дробления, размалывания и перемешива­ния сырья на мясокомбинатах. На эту разновидность изнашива­ния первым обратил внимание Г. А. Прейс [33].

Жирные кислоты являются поверхностно-активными вещест­вами; из них олеиновая и стеариновая, входящие в большом ко­личестве в состав растительных масел и животных жиров, прояв­ляют высокую активность. Адсорбируясь и проникая в микро-и субмикротрещины металлической поверхности, в особенности при наличии в ней напряжения растяжения, поверхностно-актив­ные вещества размягчают поверхность, облегчают пластическое течение в тончайшем поверхностном слое, что может повлечь

разупрочнение и разрывы под действием сил трения. Такой про­цесс усиливается коррозионным действием кислот.

Подобные примеры имеют место в оборудовании торфодобы­вающей, угольной, химической промышленности.

Дата добавления: 2014-12-08