Виды абразивного изнашивания

Что такое абразивное изнашивание и как оно отличается от других видов износа?

Абразивное изнашивание — это механический процесс разрушения поверхности твёрдого материала под действием жёстких частиц или выступов при относительном движении. В отличие от коррозии, вызванной химическими реакциями, или усталостного разрушения, обусловленного циклическими нагрузками, абразивный износ — чисто физический, связанный с резанием, вдавливанием и удалением материала. Он наблюдается в каждой отрасли промышленности, где есть контакт между твёрдыми поверхностями и твёрдыми примесями — от дробилок на карьерах до шламовых насосов на ТЭЦ. Этот тип износа ответственен за до 50% всех отказов оборудования в горнодобывающей, строительной и перерабатывающей промышленности. Его ключевая особенность — наличие характерных борозд, канавок или царапин, ориентированных по направлению движения абразива, что позволяет легко диагностировать проблему даже без сложных инструментов. При этом абразивным износом страдают не только трубы и лопасти, но и зубья шестерён, опоры конвейеров, стенки мельниц и даже рельсы — всё, что работает в контакте с песком, щебнем, металлической стружкой или золой. Именно поэтому понимание его механизмов — не академическая задача, а необходимость для обеспечения надёжности и экономической эффективности производства.

Всплеск популярности железа, как конструкционного материала, относится к концу 18 – началу 19 века. К этому периоду было завершено строительство первого чугунного моста, спущено на воду судно с корпусом из стали, проложены железные дороги. Несмотря на широкое развитие химии полимеров, использование стекла, керамики и многих других материалов, применение железа и сплавов на его основе, как основных конструкционных материалов, не утратило актуальности. Любые металлические конструкции под воздействием атмосферных факторов и агрессивных сред утрачивают с течением времени свои качества и первоначальный внешний вид.

В связи с этим со всей остротой встает проблема защиты металлических конструкций от разрушения, основной причиной которых можно назвать коррозию а также абразивный износ.

Абразивное изнашивание возникает в результате режущего или царапающего воздействия твердых частиц. Любое производственное оборудование в ходе эксплуатации постепенно теряет свои характеристики. Механические изменения узлов трения приводят к снижению точности работы, увеличению выпуска бракованной продукции или аварийным отказам.

Первоначальное проявление абразивного износа: возникновение царапин или рисок на поверхностях. Постепенно увеличиваются зазоры между контактирующими элементами, появляется шум, не характерная вибрация, у металлических изделий формируются блестящие полированные участки с углублениями в направлении действия абразивов.

Причиной абразивного износа становится силовое воздействие: соударение, скольжение, качение. Твердые структурные составляющие одной детали деформируют более мягкий материал, оставляя царапины, риски, отпечатки. Влияние оказывают и мелкодисперсные частицы, содержащиеся в воздухе, смазке, сыпучих материалах. Так в горнодобывающей промышленности быстрому изнашиванию подвергается оборудование для промывания пород, песковые насосы, экскаваторные ковши.

Различают следующие виды абразивного износа:

• При ударе;
• При трении;
• Газо- и гидроабразивное.

Твердые фракции имеют разную форму и ориентацию относительно поверхностей. Минералы с острыми ребрами и гранями оставляю следы резания, остальные – вызывают пластическую деформацию в виде канавок или лунок. Шероховатость впоследствии может частично удаляться другими абразивами. В некоторых случаях частицы меньшей твердости вдавливаются в поверхностные слои, постепенно способствуя разрыхлению структуры. Возможен и обратный эффект: упрочнение деформируемого слоя наклепом.

Чем однороднее металл, тем лучше он сопротивляется коррозии. Загрязненность поверхности, неровности, царапины и трещины увеличивают количество адсорбированной влаги, которая служит электролитом. Это ведет к развитию коррозии, а её усилению способствуют повышенная температура среды, запыленность, влажность воздуха, воздействие агрессивных газов.

Одна и та же сталь коррозирует различно в зависимости от характера воздушной среды, степени её загрязненности газами, запылённости и увлажнённости воздуха. Влажностный режим определяется как технологическими особенностями производства (паровоздушная среда предприятия стройиндустрии, объектов химических производств и др.), так и географическим положением района.

Определяющими параметрами для выбора подходящего варианта защиты являются характеристика среды, режим эксплуатации и влажность. В таблице 1 приведены три группы агрессивности среды по скорости равномерной коррозии незащищённого металла в зависимости от зоны влажности.

Таблица 1 – Зависимость скорости коррозии от зоны влажности

Существует зависимость скорости деформации от направления атаки. При ударении о поверхность частица сообщает ей кинетическую энергию. При уменьшении угла атаки до 00 показатели ударных импульсов снижаются. Разрушение усиливается в условиях высоких температур и химически-агрессивных сред. При деформации в поверхностных слоях возникают напряжения, способствующие трещинообразованию и коррозии.

Гидроабразивный износ

Воздействие абразивов, движущихся в потоке жидкости характерно для водопроводного, насосного и топливного оборудования. Например, от мелких фракций особенно страдают детали энергоцентробежных насосов. В составе сырой нефти присутствует кварц, плагиоклазы, обломки минеральных пород. В водопроводной воде содержатся окислы металлов, соли магния и кальция. При добыче из скважин – песок, различные минералы. Носителями абразивов выступают смазочные составы, топливо, тормозные и рабочие жидкости.

Газоабразивный износ

Этому типу разрушения подвержены лопасти вентиляторов, насосы для откачки загрязненных газов, доменные установки, детали твердотопливных двигателей. Самым распространенным явлением газоабразивного износа можно назвать влияние дорожной пыли на кузов автомобиля. На 70-90% она состоит из продуктов истирания колодок, шин, дорожного покрытия.

Какие факторы усиливают абразивный износ и почему детали выходят из строя быстрее?

Свойства абразива: твёрдость, форма и размер частиц

Твёрдость абразива — главный фактор. Если твёрдость частицы превышает твёрдость материала детали (по шкале Мооса или Виккерса), износ неизбежен. Например, кварцевый песок (H~7) быстро изнашивает конструкционную сталь (HRC 20–30). Форма также имеет значение: угловатые частицы (гранит, щебень) создают глубокие борозды, тогда как округлые (речной песок) вызывают более мягкое вдавливание. Размер частиц влияет на характер повреждения: мелкие (менее 50 мкм) вызывают многочисленные царапины, крупные (более 1 мм) — глубокие ямы и отколы. Концентрация абразива в среде прямо пропорциональна скорости износа — даже 0,1% примесей могут сократить срок службы вдвое. Особенно критично это в системах транспортировки шлама — если в воде содержится больше 0,5% твёрдых частиц, ресурс насоса сокращается с 800 до 150 часов. Поэтому в горнодобывающей отрасли обязательна установка осветлителей и гидроциклонов перед насосами.

Условия эксплуатации: скорость, нагрузка, температура и смазка

Скорость относительного движения усиливает износ, но не всегда линейно: при слишком высоких скоростях может возникать эффект "затухания" из-за формирования защитной плёнки или охлаждения поверхности. Нагрузка увеличивает глубину вдавливания, но при чрезмерной нагрузке возможен переход от пластической деформации к хрупкому разрушению. Температура влияет на механические свойства материала — при нагреве сталь теряет твёрдость, а эластомеры становятся липкими. Смазка может как снижать износ (создавая барьер), так и ускорять его, если содержит абразивные частицы. Именно поэтому в условиях песчаной среды применение масла без фильтрации часто приводит к ускоренному износу подшипников. Практика показывает: в камнедробильных установках, где температура достигает +80 °C, даже закалённая сталь теряет до 30% твёрдости — и тогда единственным решением становится использование керамических вставок или наплавка твёрдыми сплавами типа Ni-Cr-B-Si.

Защита от абразивного износа

Абразивная деформация является одним из самых быстрых процессов разрушения. Для предотвращения аварийных ситуаций на предприятиях формируют фонды, обеспечивающие своевременную замену и ремонт материально-технической базы. На территории России действуют следующие регламенты:

• ГОСТ 23.225-99 – «Обеспечение износостойкости изделий»;
• ГОСТ 17367-71 – «Методы испытаний на абразивное изнашивание металлов».

Для снижения скорости разрушения твердость рабочих поверхностей должна в 1,3 раза превосходить абразивы. Такое соотношение считается оптимальным с экономической и технической точки зрения. Дальнейшее повышение характеристик прочности не дает ощутимого эффекта.

Способы повышения стойкости к абразивному износу металлов и сплавов:

• Гальваническое покрытие: хром, никель;
• Анодирование: образование твердой окиси;
• Азотирование: насыщение поверхностных слоев азотом;
• Гуммирование: обработка полиуретаном.

Полимерные покрытия превосходят по качествам не только резину и каучук, но и многие сплавы. Полиуретановую футеровку применяют для элементов, подверженных высоким механическим нагрузкам: валов прокатки и гибки, роликов, колес, шаровых мельниц.

Преимущества:

• Широкий диапазон твердости: могут применяться для обработки трубопрокатных валов и тянущих роликов в производстве уплотнителей;
• Рабочие режимы от +70 до +120°C;
• Абразивная стойкость выше, чем у стали;
• Сочетание твердости с высокой эластичностью;
• Химическая стойкость.

Полиуретан наносится на стенки лотков, баков, резервуаров, трубопроводов. В зависимости от области применения в состав добавляют вещества, придающие необходимые качества: термостойкость, устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, трению, реагентам, радиации. Полимерная футеровка не требует частых осмотров, поэтому снижаются простои, связанные с очисткой техники. Способ можно считать оптимальным по параметрам цены и качества, и наиболее перспективным с точки зрения защиты от коррозии, соблюдения санитарных норм и безопасности труда.

Выбор вида защиты от коррозии представляет собой комплексную задачу с учётом технико-экономических и эксплуатационных показателей. В настоящее время основным способом защиты от атмосферной коррозии является нанесение на поверхность защитных покрытий:

• лакокрасочных на органической основе;
• металлических (покрытие цинком, алюминием, кадмием);
• комбинированных (металлизационно-лакокрасочных);
• специальных способов защиты (электрохимических, протекторных, катодных, анодных).

Наиболее распространены лакокрасочные покрытия на органической основе. Основными требованиями к покрытию являются: хорошая адгезия, непроницаемость для агрессивных сред, долговечность, технологичность проведения повторной окраски, экономичность с учётом срока эксплуатации.

Обычные лакокрасочные покрытия на органической основе, несмотря на их большое разнообразие и сравнительно небольшую стоимость, имеют существенный недостаток - короткие сроки службы, что требует частого возобновления и ведёт к большим затратам средств из-за коротких межремонтных сроков.

Оценка эффективности противокоррозионной защиты предполагает комплексную оценку антикоррозионных мероприятий с учётом степени агрессивности среды, различия в стойкости самих сталей, применения коррозионностойких конструктивных форм, технологию производства антикоррозионных работ, объемно-планировочных решений зданий, обеспечивающих повышенную долговечность. Таким образом, по степени агрессивности среды с учётом зоны влажности воздуха, можно определить и выбрать наиболее эффективный вариант защитного покрытия с учётом технологических, технико-экономических и эксплуатационных требований.