Zużywanie się warstwy wierzchniej elementów maszyn i urządzeń wskutek procesów erozyjnych zawsze prowadzi do pogorszenia ich własności użytkowych, a w skrajnych przypadkach wręcz do degradacji, której przebieg trudno przewidzieć na etapie projektowania. Podstawowym skutkiem erozji jest zatem strata polegająca na konieczności wymiany lub regeneracji części lub co gorsza straty związane z zatrzymaniem produkcji czy procesu technologicznego. Mechanizmy zużywania się materiałów są najczęściej bardzo złożone i zależą od wielu czynników, które mogą oddziaływać na powierzchnię jednocześnie lub selektywnie . Do czynników tych zaliczamy przede wszystkim mechaniczne uderzenie w powierzchnię, które występuje podczas uderzenia np. strumieniem cieczy lub gazu z erodentami (cząstkami ściernymi-fot.1., fot .3, fot.4), uderzeniem hydraulicznym (erozja kawitacyjna fot.2).
Fot.1. Erozyjne zniszczenie ostrogi korpusu pompy wirowej
Fot.2. Wżery z perforacją wywołane erozją kawitacyjną łopatki wirnika pompy
Fot.3. Regularne , kierunkowe zużycie ścierne powierzchni metalowej
Fot.4. Zużycie erozyjne z perforacją powierzchni kolana rurocią
Erozja wywołana uderzeniem cząstek stałych
Intensywność zużycia erozyjnego przy uderzeniu cząstkami stałymi zależy od wielkości tych cząstek, ich kształtu, twardości, prędkości oraz kąta pod jakim zderzają się powierzchnią. Szczególnym rodzajem erozji jest erozja kroplowa występująca na łopatkach turbin parowych czy na krawędzi natarcia dużych łopat turbin wiatrowych. W tych przypadkach niewielkich rozmiarów (ok 1mm średnicy) kropla wody „zderzając” się z rozpędzoną(np. końcówka łopaty porusza się z prędkością ok. 270 km/h) łopatą wywołuje powstawanie wżerów na powierzchni uderzenia. W tym opracowaniu skupiono się na analizie odporności materiałów na erozję wywołaną uderzeniem cząstek stałych.
Erozja [łac. Erosio : „żłobienie”, „wgryzanie”] materiałów w takim przypadku, to mechaniczne ścieranie materiałów przez przepływające ciecze lub gazy zawierające najczęściej różnej wielkości i różnej twardości cząstki stałe. Erozja spowodowana cząstkami stałymi polega na systematycznym odrywaniu materii powierzchni w wyniku uderzeń cząstek stałych. Energia (prędkość , masa), kształt oraz kąt uderzenia w powierzchnię mają zasadniczy wpływ na jej intensywność mechanicznego zużywania się . Zazwyczaj nie od razu widoczne są skutki erozji po uderzeniu, dopiero po jakimś czasie cyklicznego uderzania w powierzchnię można zaobserwować coraz bardziej wyraźne ubytki. W tym czasie tj. do wystąpienia pierwszych ubytków na powierzchni materiału narastają odkształcenia plastyczne a przy odpowiedniej kumulacji naprężeń utrata masy zaczyna być dostrzegalna.
Okres inkubacji
Czas w którym powierzchnia uderzana cyklicznie nie wykazuje ubytków masy nazywamy okresem inkubacji i jest on dość charakterystycznym przedziałem czasu występującym w różnego rodzaju typach erozji (strumieniowo ścierna, kawitacyjna, kroplowa itp.). Odkształcenia plastyczne, przekroczenie dopuszczalnych naprężeń w warstwie wierzchniej oraz wytrzymałość zmęczeniowa to czynniki mające wpływ na długość tego okresu. Oczywiście, że zależy nam na jak najdłuższym okresie inkubacji czyli eksploatacji elementu, bez utraty właściwości z zachowaniem geometrii. Niestety po upływie pewnego czasu, kiedy powierzchnia jest uderzana z tą samą energią, nagle obserwuje się powstawanie ubytków, wżerów. Przyczyną tego zjawiska jest obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej warstwy wierzchniej na skutek cyklicznie zmiennych uderzeń. Pojawienie się pierwszych ubytków rozpoczyna tzw. okres akceleracji erozji tj. zazwyczaj liniowy przyrost szybkości zużycia erozyjnego. Później proces ten się stabilizuje, i mamy do czynienia z regularnym zużyciem erozyjnym aż do całkowitej degradacji i zachodzi potrzeba wymiany części. Doświadczenie pokazuje, że okres inkubacji wydłuża się dla materiałów podatnych takich jak kompozyty polimerowe w porównaniu do metali czy stopów specjalnych. Niższy moduł sprężystości kompozytów skutkuje w trakcie uderzenia znacznie mniejszym naprężeniem w podłożu co zwiększa trwałość erozyjną powierzchni. Podatna osnowa polimerowa kompozytów w połączeniu z bardzo twardymi dodatkami wypełniającymi o różnej granulacji tworzy unikalną strukturę zdolną do absorpcji energii uderzenia oraz wyhamowania prędkości erodentów w warstwie powierzchniowej. Kompozyty takie jak Belzona 1811,1812,1813 (Fot. 5 i fot.6) i inne osiągają znakomitą wytrzymałość na wycieranie i aby wykorzystać ich pełne możliwości należy dokonać właściwej oceny środowiska w jakim będą eksploatowane. Jednym z parametrów określających stopień zużycia jest ubytek masy w warstwie wierzchniej powstający w wyniku eksploatacji.
Fot.5. Zabezpieczenie zewnętrznej krzywizny kolana pyłoprzewodu kompozytem Belzona1812
Fot.6. Zabezpieczenie wewnętrznej powierzchni stalowego bębna korującego kompozytem trudnościeralnym Belzona1811
Test wytrzymałości erozyjnej materiałów metodą SJE
Istnieje wiele sposobów testowania wytrzymałości erozyjnej materiałów konstrukcyjnych a jednym z nich jest test SJE (Slarry Jet Erosion). W tym teście czynnikiem wywołującym zużycie warstwy wierzchniej badanego materiału jest strumień wody z domieszką piasku nakierowany na próbkę. Struga uderza z dużą prędkością – 16 m/s. To uderzenie jest znacznym obciążeniem dla materiału badanego, właśnie ze względu na dużą prędkość cząstek stałych zawartych w strudze. Struga cieczy jest mieszanką wody i piasku krzemowego w stosunku 10:1.
W metodzie SJE struga mieszanki jest kierowana na płaską powierzchnię próbki pod różnym kątem tj. 90o, 45o, 20o. Narażenie każdego z materiałów na działanie mieszanki ściernej trwa 120 minut. W czasie trwania próby mieszanka wody z piaskiem podlega recyrkulacji w układzie instalacji do badań. Schemat instalacji przedstawiono na rys. 1.
Badaniom poddano następujące kompozyty: Belzona 2111 (D&A Hi-Build), Belzona 1811(Ceramic Carbide), Belzona 1812, Belzona 9811 oraz dla porównania stale: stal na rury, typu Armco, nierdzewną 316L oraz stal chromową. Na zakończenie każdego badania dokonywano pomiaru ubytków wagowych i objętościowych próbki. Wyniki przeprowadzonego testu dla kompozytów zestawiono w tabeli 1 oraz na wykresie rys.2.
Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego do pomiaru wytrzymałości erozyjnej materiałów metodą SJE
Rys.2. Zestawienie porównawcze odporności na erozję kompozytów BELZONA z niektórymi stalami w teście SJE
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów wytrzymałości erozyjnej w metodzie SJE
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów wytrzymałości erozyjnej kompozytów Belzona
Rys.3. Schemat stanowiska do pomiaru zużycia erozyjnego śrutem G34
opracował : Roman Masek, BELSE