Содержание к диссертации
Введение
1. Эрозионная стойкость оборудования в жидких коррозионно-активных средах 8
1.1. Характер изнашивания оборудования 8
1.2. Особенности эрозии материалов при кавитации 15
1.3. Интенсивность местного гидроабразивного изнашивания 27
1.4. Задачи исследования 32
2. Аналитическая модель эрозии материалов 34
2.1. Исходные энергетические соотношения 34
2.2. Генезис гидродинамических куммулятивных струй 41
2.3. Скорость удара как критерий сопротивления материалов разрушению 46
2.4. Обобщенный (потоковый) критерий эрозионной стойкости материалов 56
2.5. Условия возникновения кавитации и начала кавитационной эрозии материалов І. 64
2.6. Масштабные уровни энергоемкости и долговечности материалов при кавитации 67
3. Лабораторные стенды и методы испытаний материалов в жидких технологических средах 79
3.1. Выбор методики испытаний 79
3.2. Гидродинамический стенд (ГТ) 82
3.3. Установка с ультразвуковым генератором (МСВ) 87
3.4. Методика электрохимических исследований кавитационно-эрозионного изнашивания материалов 91
4. Закономерности кавитационно-эрозионного изнашивания с учетом коррозионной стойкости материалов 102
4.1. Методика исследований 102
4.2. Коррозионная стойкость металлов в 3 % растворе NaCl 106
4.3. Кавитационно-эрозионная стойкость металлов в воде с NaCl 109
4.4. Закономерности кавитационно-эрозионного изнашивания как процесса коррозионно-механического разрушения 115
4.5. Кавитационно-эрозионная стойкость металлов в диффузионном соке 135
4.6. Изнашивание металлов в жидких средах, содержащих углекислый газ 146
4.7. Ускоренные методы оценки относительной износостойкости материалов 151
4.7.1. В пресной и в воде с 3% NaCl 151
4.7.2. В диффузионном соке 161
5. Кавитационно-эрозионная стойкость металлических и полимерных материалов и покрытий 179
5.1. Моделирование кавитационно-эрозионной стойкости полимерных материалов 181
5.2. Исследование кавитационно-эрозионной стойкости полимерных покрытий и композитов 187
5.3. Кавитационно эрозионная стойкость газотермических покрытий.. 204
5.4. Стойкость нихромовых газотермических покрытий 218
5.5. Повышение износостойкости деталей в химически активных средах 225
Заключение 232
Литература 236
Приложения
- Интенсивность местного гидроабразивного изнашивания
- Обобщенный (потоковый) критерий эрозионной стойкости материалов
- Методика электрохимических исследований кавитационно-эрозионного изнашивания материалов
- Закономерности кавитационно-эрозионного изнашивания как процесса коррозионно-механического разрушения
Введение к работе
Одной из важнейших экономических и социальных проблем является проблема обеспечения населения высококачественными продуктами питания. Этот вопрос постоянно находится в центре внимания правительства Польши.
Среди различных отраслей пищевой промышленности важное место в решении продовольственных проблем Польши и южных областей России принадлежит свеклосахарному производству.
Большое количество сохраняемого в кагатах сырья подвергающегося далеко не благоприятному влиянию погодных условий, приводящих к его порче, требует обеспечения бесперебойной и ритмичной работы сахарных заводов. Достигнуть этого можно применением оборудования^ характеризующегося высокой надежностью и долговечностью. Однако в реальных условиях часто имеют место отказы различных видов оборудования во время сезона переработки свеклы, приводящие к простоям заводов. После окончания сезона большинство оборудования требует восстановления или замены изношенных деталей. Обычно восстанавливают их силами самих сахарных заводов, что требует больших затрат труда. При этом стоимость восстановления обычно намного превышает стоимость новых деталей.
Большое количество деталей технологического оборудования свеклосахарных заводов подвергаются кавитадионно-эрозионному изнашиванию. Этот вид изнашивания встречается в центробежных и вихревых насосах, центрифугах, сепараторах, выпарных аппаратах, трубопроводах и другом оборудовании, в котором происходит интенсивное движение одно и многофазных жидких сред.
Кавитационно-эрозионное изнашивание деталей является результатом сложного воздействия на них кавитации, эрозионных и химических процессов. Влияние кавитации проявляется многократными гидродинамическими ударами со стороны жидкости вследствие захлопывания парогазовых пузырьков, возникающих при местном падении давления. При наличии в
жидкости твердых частиц, обладающих абразивными свойствами, кавитанионно-эрозионный износ интенсифицируется процессами гидроабразивного изнашивания. Наиболее интенсивному кавитационно-эрозионному изнашиванию подвергаются детали проточной части центробежных насосов: внутренние поверхности корпусов, крышки, уплотнения, рабоцие колеса.
На сахарных заводах парк насосов составляет около 30% общего количества оборудования. Они применяются для перекачки различного вида технологических жидкостей. Вследствие кавитационно-эрозионного изнашивания ухудшаются характеристики насосов - понижается давление и производительность. Ухудшение технических параметров насосов приводит к перебоям в технологических процессах переработки свеклы.
6 некоторых химически активных средах, например, в диффузионном и сатурированных соках, в жомопрессовьгх водах износ рабочих колее центробежных насосов происходит настолько интенсивно, что они не выдерживают и одного сезона работы.
Вопросами кавитационно-эрозионного и гидроабразивного изнашивания материалов и разнообразного оборудования занимались: М.А.Аскаров [1], В.И.Белый [3-6], Н.А.Буше (эрозия подшипников), И.Н.Богачев с сотр. [9-13], ЕЛГеоргиевская [19], Ю.АХривнин [23, 24], Ю.Е.Зобачев [29], Н.Н.Иванченко с сотр. [31], В.Я.Карелин [32-34], СШСозырев [37, 38], А.И.Некоз [41, 42, 44, 50-62, 144, 153], Р.Кнепп с сотр. [45], Н.С.Пенкин [65], РГЛерельман [66, 67], А.ДЛерник [68], М.С.Плессет [70, 71, 158], Л.И.Погодаев [73-86], А.П.Пимошенко [87] , Г. А.Прейс [88, 89], Н.И.Пылаев [90-94], Д.Спринжер [95], А.И.Слынько [98], М.С.Стечишин [100-103], М.Г.Тимербулатов [104-106], А.Тирувенгадам [107, 165, 166], В.А.Точковой [108], И.П.Фадеев [109] , В.В.Фомин [112], Ю.Н.Цветков [82, 83, 113], Ю.У.Эдель [115], КЛрис [117], Д.М.Хоббс [137, 138], Р.Кнэпп [143] и другие исследователи.
Большинство исследований выполнено при кавитации и гидроабра-
зивном изнашивании в пресной водопроводной и в синтетической морской воде.
Работы известных ученых-трибологов и материаловедов: Н.А.Буше [14], Ю.Н.Дроздова [26, 27], В.Е. Панина [64], А.В.Чичинадзе, Э.Д.Брауна, Ю.А.Евдокимова [114] отражены в диссертации как примеры эффективной реализации в научных исследованиях новых системных подходов.
Первые исследования кавитапионно-эрозионного изнашивания технологического оборудования пищевой промышленности выполнены в Киевском технологическом институте пищевой промышленности (Г.А.Прейс, А.ИНекоз, В.И.Белый, Н.А.Сологуб, А.И.Слынько, М.С,Стечишин, ВЖТочковой), Методы исследований в этих работах в основном учитывали механическое воздействие среды при кавитационно-эрозионном изнашивании. Однако некоторые технологические среды являются химически активными и обусловливают сложный коррозионно-механический характер процессов кавитационно-эрозионного изнашивания. Поэтому при разработке методов повышения кавйтационно-эрозионной стойкости и долговечности оборудования пищевой промышленности необходимо учитывать влияние среды на интенсивность процессов изнашивания.
В настоящее время существует единое мнение о коррозионно-механи-ческом характере кавитационно-эрозионного изнашивания деталей оборудования пищевых производств [35, 39, 54, 61 и др.]. При испытаниях на различных стендах получены результаты, позволяющие определить относительную износостойкость ряда конструкционных материалов, применяемых для изготовления деталей, определены основные направления повышения их долговечности. Однако до настоящего времени остаются открытыми вопросы расчета и прогнозирования долговечности оборудования в условиях коррозионно-кавитапионно-эрозионного изнашивания, выбора эффективных методов упрочнения деталей; отсутствуют достоверные физические модели процессов изнашивания в технологических средах пище-
вых производств, а также объективные критерии-свойства материалов и покрытий, однозначно определяющие износостойкость и срок службы деталей.
В связи с изложенным в настоящей работе была поставлена задача подробно изучить механизмы кавитационно-эрозионного изнашивания материалов в условиях, близких к производственным. На основе полученных результатов и новых критериев разработать методики ускоренного прогнозирования кавитапионно-эрозионной стойкости материалов с учетом влияния коррозионно-активных технологических сред.
При решении поставленных задач, например: при аналитическом моделировании процессов КЭ изнашивания материалов и покрытий, был впервые использован структурно-энергетический подход и новые (потоковые) критерии оценки износостойкости материалов, а также потенциостатическии метод исследования совместного воздействия коррозионного и механического факторов на износостойкость материалов, позволяющий при ускоренных испытаниях образцов на лабораторных установках достаточно достоверно воспроизводить условия КЭ оборудования при эксплуатации в коррозионно-активных жидких технологических средах.
Автор выражает благодарность профессорам, докторам технических наук Л,И.Погодаеву и А.И.Некозу - родоначальникам перспективных научных направлений при изучении весьма сложных процессов кавитационной эрозии материалов и деталей в различных областях техники. В данной работе автор стремился к тому, чтобы новые подходы и методы исследований моих учителей получили дальнейшее научное и прикладное развитие.
Киев - Bialystok
Санкт-Петербург З.Кондрат
1987 - 2004 г.
Интенсивность местного гидроабразивного изнашивания
В настоящее время сложилось мнение, что при кавитации могут иметь место четыре вида внешнего воздействия на поверхность материалов: а -механическое от ударов микроструек жидкости и от действия ударных волн; б - химическое, усиливаемое действием высоких давлений, температуры, паров воды и свободного кислорода; в - электрическое при возникновении электрических потенциалов, а также электрохимическое; г - тепловое при наличии достаточно высоких температур, развивающихся в локальных зонах изнашиваемых материалов при замыкании кавитационных пузырьков.
Принято считать, что в натурных условиях навигационное разрушение у материалов может происходить как в результате возникновения высоких давлений на изнашиваемых поверхностях, так и вследствие протекания электрохимических процессов Соотношение между этими факторами в зависимости от уровня внешней энергии может изменяться в широких пределах. При невысоком уровне внешнего силового воздействия в условиях коррозионномеханического разрушения при кавитации снижение интенсивности кавитациониой эрозии может быть достигнуто за счет применения ингибиторов коррозии и катодной зашиты, В то же время известно, что даже вода вызывает разрушение таких диэлектриков как стекло и кварц, а металлы разрушаются при кавитации в диэлектрических и химически инертных жидкостях. Если еще учесть, что вероятность существенного повышения температуры изнашиваемой поверхности материалов при замыкании кавитационных пузырьков очень мала, особенно при гидродинамической кавитации, когда между пузырьком и ограждающей поверхностью присутствует защитная пленка жидкости, то становится очевидным, что основным фактором, приводящим к кавитациояному изнашиванию различных материалов, является механический [158, 117,107, 116 и др]. При этом кавшацнонное воздействие может в одних случаях ускорять коррозионные процессы, а в других, наоборот - снижать их интенсивность [39, 70 и др.]. Характер кавитапионно-эрозионных разрушений поверхности деталей показан на рис.1 Л-1,5.
Центральным вопросом общей проблемы кавитационного изнашивания в настоящее время является вопрос о природе механических сил, разрушающих при кавитации даже весьма прочные материалы Наиболее распространенной теорией кавитационного изнашивания является так называемая "пузырьковая" теория, согласно которой раз рушение материалов при кавитации происходит в результате ударного воздействия жидкости вследствие высоких давлений, развивающихся в ней при замыкании кавитационных пузырьков и каверн (теория Релея). Для того, у чтобы разрушить хотя бы свинец, требуется скорость сокращения границ пузырька около 380 м/с и двенадцатикратное сокращение его радиуса. В действительности сокращение пузырька происходит не более, чем в 1,5 3 раза, что соответствует теоретическому давлению всего 5-Ю5 Па [38] и скорости перемещения границы пузырька около 30 м/с, которые недостаточны для разрушения большинства материалов. Эти замечания относятся и к теории Кука, дополненной М.Корнфельдом и ЛСуворовым, согласно которой изнашивание материалов объясняется захлопыванием кавитационного пузырька в виде полусферы около поверхности детали. По этой теории для начала разрушения требуется не менее чем десятикратное сокращение полусферы.
МТ.Тимербулатов предполагает [104-106], что основной причиной кавитационного изнашивания является высокочастотный импульсный отрыв микро-объемов жидкости от изнашивающейся поверхности твердого тела. При этом по линии разрыва возникают импульсные растягивающие напряжения. Однако, несмотря на значительные величины теоретической объемной прочности воды (до 2,4-109 Па), экспериментальные значения ее не превышают ЗД5-109 Па [39, 143), т.е. отрыв микрообъемов жидкости происходит при напряжениях, далеких от предела прочности металлов.
С.П.Козыревым [37, 38] выдвинуто и частично доказано экспериментально предположение о кумулятивной природе кавитационного изнашивания, согласно которому при пульсации каверн на них образуются разнообразной формы выемки, порождающие высокоскоростные кумулятивные струи.
Основные механизмы замыкания кавитационных пузырьков экспериментально исследованы в работах [23, 24].
Если не рассматривать сопутствующие кавитации химические, тепловые и электрические явления, то кавитационное изнашивание, по мнению автора, обусловлено воздействием на материалы ударных волн и гидравлических ударов шйгульсных струек жидкости во взаимосвязи с рельефом и особенностями мшфоструктуры материалов.
Известно, что наиболее сильное разрушение материалов при кавитации происходит в зонах интенсивного вихреобразоваиия. При обтекании различного рода препятствий при отходе бескавитационного вихря от препятствия происходит ударное заполнение вихревой зоны струями жидкости. В определенных условиях вихревые явления приводят к возникновению кавитации. На рис. 1.6 (поз. 1-6) показан механизм развития кавитации по Кнеппу при обтекании тела со сферической передней частью [39, 143]. Сначала каверна увеличивается до определенных размеров, затем начинает отделяться от поверхности тела вследствие втекания обратной струи жидкости (поз.2,3)- Место отделившейся каверны занимает новая каверна, вырастающая до прежних размеров (поз.4-6). Отделившаяся каверна относится в зону повышенного давления, где может сокращаться, терять устойчивость формы и делиться на мелкие пузырьки. Наибольший износ обтекаемого тела соответствует хвосту каверны.
С.ПКозыревьш [37, 38] в опытах на гидродинамической трубе при обтекании потоком воды препятствий в виде цилиндра, прямоугольного выступа и порожка в дополнение к данным Кнеппа установлена еще и пульсация каверн. Частота пульсаций составляла 7000 9000 Гц, скорость перемещения границ каверны достигала 60...90 м/с. Как и у Кнеппа, наибольший износ образцов соответствовал зоне пульсации и деления каверн.
При пульсации стационарных и отделившихся кавитатщонных каверн и сокращающихся пузырьков, генерируемых зоной кавитации, возникают ударные волны. Гидравлические удары по поверхности детали могут возникать при делении каверн и пузырьков вследствие их неустойчивости, при ударном заполнении жидкостью зон, образующихся при отходе вихрей от препятствия и при срыве каверн.
Рассмотрим особенности воздействия ударных волн в жидкости на материалы с учетом их микроструктуры и рельефа поверхности. Если подразделить диапазон скоростей относительной деформации на три области (статическую: 0-0,003 с"1; промежуточную: 0,003-102 с"1 и область высокоскоростного деформирования), то можно считать, что при ударах микроструй жидкости и взаимодействии ударных волн с препятствиями имеет место высокоскоростное деформирование при средней длительности деформирующего воздействия отдельного микроудара около 10 с.
Обобщенный (потоковый) критерий эрозионной стойкости материалов
Сравнительные испытания материалов на кавитационное (К) изнашивание производили на магнитострикционной установке УЗДН-2Т в пресной и синтетической морской воде при амплитуде колебаний концентратора, равной 33 мкм, частоте 22 кГц и расстоянии между неподвижным образцом и концентратором, равном 0,5 мм. Коэффициент относительной износостойкости образцов кш определяли по потерям массы.
Гидроабразивное изнашивание (ГА) материаллов производили на установке лоткового типа. Образцы цилиндрической формы вращались в лотке с рабочей смесью с линейной скоростью 3,1...11,2 м/с. Смесь состояла из пресной воды и кварцевого песка крупностью 0,3...0,6 мм в процентном соотношении 50/50 и 30/70 по объему соответственно.
При ударно-абразивном (УА) изнашивании испытывали образцы материалов в форме пдоиндров диаметром 10 мм. В процессе испытаний происходило многократное соударение торцевой поверхности образцов с массивной наковальней, покрытой абразивным полотном 14А32НМ. В момент удара полотно оставалось неподвижным. Энергия отдельного удара при сравнительных испытаниях материалов составляла 0,53 Дж.
При построении зависимостей к ІЕ ) на рис.2.9 относительную энергоемкость металлов и сплавов определяли по механическим свойствам материалов в виде произведения площади диаграммы прочности (твердости ) на удельную энергию упрочнения в степени 0,5, то есть на критическую скорость нагружения, а именно:
При оценке кавитационно-эрозионной стойкости никелевых сталей аустенитного класса, испытывающих при изнашивании фазовые превращения, соотношение (2.43) кроме деформационного упрочнения учитывало также аккумуляционный период накопления внутренней энергии.
Аппроксимация опытных данных на рис.2.9 степенными зависимостями дает для кривых 1, 2,5 и 6, то есть для условий: кавитациониой эрозии в пресной и морской воде, независимо от способа возбуждения кавитации; гидроабразивного изнашивания на установке лоткового типа при скорости движения образцов 11,2 м/с и жесткого ударно-абразивного изнашивания стали У7 единую зависимость в которой опытная константа зависит от рабочей среды и класса испытываемых материалов. Практический результат (2.44) находится в хорошем соответствии с теоретической моделью в виде уравнений (2.41) и (2.42), Уменьшение показателя степени при (Ё ) в выражении (2.44) с 1,5 до 0,88 при кавитационном изнашивании никеля в 3...20% водном растворе NaCl (кривая 5 на рис. 2.9) связано с разупрочняющим воздействием коррозионно-активнои среды на поверхность металла. Еще более значительное снижение показателя степени при (є ) до 0,7...0,2 в условиях УА изнашивания материалов при энергии удара 0,53 Дж (кривая 3 на рис.2.9) и при скольжении по абразивной поверхности по схеме, подобной испытаниям на машине Х4-Б, (кривая 4 на рис.2.9) связано с излишним запасом пластичности исследованных конструкционных сталей. При УА изнашивании наибольшую износостойкость показала сталь 155Г5Х2СЛ после закалки и низкого отпуска, имеющая относительное сужение при растяжении равное всего 6% и соответствующее границе перехода от вязкого к хрупкому разрушению в макромасштабе. Если учесть, что в условиях ГА изнашивания сталей средней интенсивности при скорости перемещения образцов в лотке, равной 3,1 м/с, наименьший износ оказался у нормализованной стали 130Г7Х2АФЛ с еще меньшим относительным сужением, равным примерно 1,5%, то становится очевидной важность учета масштаба нагружения и закономерностей проявления хрупкости поверхностного слоя материалов и покрытий в макро- и мезоскопических масштабах. На эти вопросы, особенно в связи с жесткостью напряженного состояния поверхностных слоев материалов и скоростью внешнего нагружения при различных видах изнашивания, пока еще нет достаточно убедительных ответов. Из выражений (2.41), (2.42) и (2.44) следует, что износ металлов и сплавов связан с энергетическими параметрами , Е„ и JFJ, которые, в свою очередь, могут быть выражены через структурно-чувствительные макросвойства изнашиваемых материалов, а для оптимизации макросвойств и износостойкости - через микроструктурные характеристики. В формулах энергоемкости материалов не присутствуют в явной форме параметры, характеризующие цикличность нагружения. Однако в условиях мало- и многоцикловой усталости как при "жестком", так и при "мягком" нагружении, односторонне накопленная деформация адекватна числу циклов нагружения, или при постоянной частоте нагружения - аккумуляционному периоду гж накопления повреждений (деформаций). В связи с этим представляется возможным выразить FPJ через временные и деформационные параметры, характерные для конкретных условий многократного динамического нагружения, привлекая для этой цели теорию усталости материалов и некоторые положения линейной механики разрушения, трансформированные для условий кавитационного изнашивания.
Методика электрохимических исследований кавитационно-эрозионного изнашивания материалов
Наиболее достоверные данные о кавитационно-эрозионной стойкости конструкционных материалов можно получить на основе наблюдений и измерений (гравиметрических, линейных и др.) деталей машин и оборудования свеклосахарного производства непосредственно в промышленных условиях. Однако такой подход к решению изучаемой проблемы является весьма трудоемким и требует больших материальных затрат. Кроме того, он не дает ответа на вопрос о механизме изнашивания в условиях кавитационной эрозии.
Воспроизвести процесс кавитационно-эрозионного изнашивания материалов в наиболее полном виде позволяют лишь лабораторные методы исследования в совокупности с аналитическими, например, со структурно-энергетическими моделями.
Для моделирования процесса кавитации и кавитационной эрозии в лабораторных условиях применяются ультразвуковые установки с магнитострикционным вибратором (МСВ) или с пьезокерамическими преобразователями, ударно-эрозионные стенды (УЭС), установки с вращающимися дисками, сопла Вентури, гидродинамические трубы (ГТ). Все они обладают определенными преимуществами и недостатками.
Правильный выбор методов исследования должен быть обоснован с точки зрения возможности достижения поставленных целей. Главной задачей является разработка метода прогнозирования кавитационно-эрозионной стойкости материалов в различных технологических химически активных средах, что в первую очередь требует изучения роли коррозионного фактора при изнашивании материалов. Для этих целей наиболее перспективными являются установки с вращающимися дисками и гидродинамические трубы. Они наиболее полно отражают реальные условия кавитационно-эрозионного изнашивания. Принимая во внимание необходимость изучения кинетики сопутствующих кавитационно-эрозионному изнашиванию коррозионных процессов и применения для этого потенциостатических методов исследований, более удобными для этих целей являются гидродинамические трубы. Но лабораторные исследования на гидродинамической трубе весьма длительны, требуют большого количества рабочей жидкости. Для разработки методики прогнозирования кавитационно-эрозионной стойкости материалов необходимы менее трудоемкие и, главное, ускоренные и более доступные способы испытаний. Этим требованиям в большей степени удовлетворяют ультразвуковые установки. Малая длительность опытов на ультразвуковых установках и возможность моделирования коррозионных процессов с одновременной анодной поляризацией позволяет считать их наиболее эффективными при разработке методов прогнозирования кавитационно-эрозионной стойкости материалов.
Исходя из очевидных преимуществ, испытания на гидродинамической трубе и ультразвуковой установке были приняты основными при выполнении настоящей работы. Исследования кавитационно-эрозионной стойкости конструкционных материалов включали следующие этапы: 1 - анализ условий эксплуатации деталей технологического оборудования свеклосахарных заводов характеристика их изнашивания; 2 - моделирование реально процесса кавитационно-эрозионного изнашивания материалов в -топологических средах свеклосахарного производства на ГТ; 3 - ускоренные методы исследований кавитационно-эрозионного изнашивания материалов на МСВ в технологических средах свеклосахарного производства; 4 - разработка математической модели изнашивания материалов в технологических средах, например, в жидких средах свеклосахарного производства. Наблюдения показывают, что наиболее интенсивному кавитационно-эрозионному изнашиванию подвергаются детали оборудования, работающие в агрессивных средах. В свеклосахарной промышленности такими средами являются: диффузионный, сатурированные и сульфитированные соки, жомопрессовая вода и вода, насыщенная углекислым газом. Исхода из возможности подключения гидродинамической трубы к заводской магистрали в качестве основных рабочих сред в лабораторных исследованиях были принятые диффузионный сок и вода с 0(. ..Для получения сравнительных данных в исследованиях применяли также водопроводную воду, принятую за эталон. В работах [6, 35, 52, 108] показано, что в кислых средах углеродистые стали и серые чугуны подвержены интенсивному кавитационному изнашиванию, в то время, как в водопроводной воде они являются достаточно износостойкими. Это указывает на необходимость исследования коррозионного воздействия среды на материалы и покрытия. В связи с этим интересно отметить, что сравнительно мягкий, но коррозионностойкий технически чистый алюминий (А1) при испытании на МСВ в кислых средах обладает весьма низкой износостойкостью и в сравнении с широким кругом конструкционных материалов занимает обычно последнее место. Для изучения характера и количественных закономерностей кавитационно-эрозионного изнашивания деталей в реальных условиях были выбраны серый чугун СЧ20 технически чистый алюминий (А1) и силумин АК9. Механические свойства и химический состав материалов приведен в табл.3.1.
Закономерности кавитационно-эрозионного изнашивания как процесса коррозионно-механического разрушения
Положение плиты с преобразователем может изменяться по высоте с помощью микрометрического винта, что позволяет устанавливать заданное расстояние между торцом концентратора и испытуемого образца и тем самым изменять интенсивность кавитационного воздействия. Контроль получаемого зазора осуществлялся с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм, установленного на верхней плите. Ножка индикатора касается торца стержня, жестко закрепленного на средней плите и перемещающегося по вертикалям вместе с ней. Момент касания определяется с помощью омметра, один провод которого соединяется с образцом, а другой с концентратором.
Поддержание постоянной температуры рабочей среды осуществлялось специальной системой охлаждения со стеклянным змеевиком в ванне. Через этот змеевик насос ультратермостата нагнетал холодную воду. Работой насоса управляла электрическая схема ультратермостата вместе с ртутным контактным термометром, погруженным в рабочую жидкость
Образцами служили ступенчатые стержни диаметром 8 мм. Изнашиванию подвергался торец площадью 0,5 см2. Цилиндрические поверхности образцов предохраняли от воздействия среды покрытиями из органического стекла, растворенного в дихлорэтане. Рабочие поверхности образцов перед опытом подготавливали точно фак же, как и при проведении заводских испытаний. Потери массы оценивали взвешиванием образцов до и после опыта на аналитических весах.
Методика электрохимических исследований кавитационно-эрозионного изнашивания материалов Исследования на ГТ. Целью электрохимических исследований являлось испытание кинетики коррозионных процессов, происходящих при кавитацйонно-эрозионном изнашивании металлов в технологических средах свеклосахарного завода.
Основной аппаратурой для потенциостатических измерений были: потенциостат ЕР 21 и генератор EG 20 польского производства, (рис.3.8). Исследования проводили по схеме трех электродов: рабочего, вспомогательного и сравнительного.
Принцип исследований заключался в определении значений токов поляризации между рабочим и вспомогательным электродами в зависимости от электрохимического потенциала рабочего электрода, измеряемого относительно электрода сравнения.
При коррозионных испытаниях в качестве испытуемого образца использовали электрод диаметром 5 и длиной 50 мм из испытуемого материала. Диаметр электрода был выбран с учетом поляризационных возможностей применяемого в исследованиях потенциостата ЕР21, длина -из конструкционных соображений и возможности подключения в электрическую измерительную цепь потенциостата. Для изолирования боковых поверхностей электроды запрессовывали во фторопластовые втулки. Чтобы предотвратить подтекание рабочей среды по микронеровностям боковых стенок, их перед запрессовыванием во втулки обезжиривали ацетоном и покрывали эпоксидным клеем. После просушки клея фторопластовые втулки протачивали на диаметр 8 мм, то есть равный диаметру отверстия в крышке камеры (дли Образцов гравиметрических измерений).
При потенпиостатических исследованиях торцевые поверхности рабочих электродов подготовляли так же, как и при гравиметрических измерениях.
Электроды и аппаратуру для потенциостатических исследований подключали к испытательной камере (рис.3.9) по схеме, приведенной на рис.3.10. Электроды (рабочий, вспомогательный и сравнения) подключали непосредственно к потенциостату. С целью предотвращения влияния наводок применяли экранированые провода.
Потенциал рабочего электрода относительно каломельного электрода сравнения измеряли с помощью электронного цифрового вольтметра V 530, подключенного к гнезду Uref потенциостата. Ток поляризации между рабочим и вспомогательным электродом определяли по напряжению, измеряемому в гнезде Ui потенциостата о помощью вольтметра магнитоэлектрической системы V640. Значения тока поляризации вычисляли, исходя из величины омического сопротивления, включаемого кнопкой в потенциостате с целью увеличения точности измерений .
Поскольку потенциостатические исследования проводили в среде диффузионного сока, обладающего небольшой собственной электропроводностью (около 3 мОм), необходимо было учитывать или компенсировать падение потенциала QR) между рабочим и сравнительным электродами. В наших исследованиях был применен метод компенсации, к которому приспособлен потешщостат ЕР21.
Вспомогательными приборами служили двухканальный осциллоскоп Р516А и генератор Р023, Потенциостатические измерения с применением компенсации Ж осуществляли следующим образом. После установления равновесного потенциала рабочего электрода потенциостат переключали на рабочий режим, то есть на поляризацию рабочего электрода. Затем включали устройство ,ДК" потенциостата и из генератора Р023 подавали на рабочий электрод импульсы напряжения прерывистого характера частотой 1000 Гц и амплитудой ЮмВ. Ход этих импульсов наблюдали на осциллоскопе. На другом канале осциллоскопа наблюдали токовый ответ системы "электрохимическая ячейка - потенциостат", из гнезда Ui потенциостата. Ответ получался в виде пиков (рис.ЗЛ 1).
