Wpływ kształtu, twardości oraz rozmiaru ścierniwa na szybkość zużywania erozyjnego

Usuwanie materiału z powierzchni podczas erozji zależy od: właściwości i struktury materiału oraz charakterystyki geometrycznej cząstek ścierniwa. Zjawisko erozji występuje w różnych środowiskach, gdzie materiałem ściernym mogą być: piasek, cząstki skał oraz popiół. Cząsteczki ścierne wykazują dużą różnorodność wielkości i kształtu z powodu złożonych warunków fizycznych i chemicznych ich tworzenia. Właściwości materiałów ściernych w zasadniczy sposób wpływają na stopień uszkodzenia powierzchni.

159 M.A. Islam, Z. N. Farhat: op. cit., s.180–190.

160 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

161 M.A. Islam, Z. N. Farhat: op. cit., s. 180–190.

52

Najważniejsze parametry cząstek ściernych, które wpływają na intensywność zużywania erozyjnego to twardość, kształt oraz średnica.

Erozja uderzeniowa, jak to już zdefiniowano, polega na oddziaływaniu drobnych cząstek o dużej prędkości na powierzchnię materiału, co powoduje uszkodzenie powierzchni i usunięcie materiału, który w odniesieniu do pojedynczej cząstki występuje na bardzo małą skalę i w bardzo krótkim czasie. Różnorodność kształtu, wielkości cząstek erodenta, złożoność deformacji i uszkodzeń, zachowanie materiałów w obciążeniach udarowych, sprawia, że trudno jest zidentyfikować mikromechanizmy zużywania erozyjnego, które prowadzą do uszkodzenia powierzchni w skali makro¹⁶².

Podczas procesu erozji cząstki ścierniwa na skutek uderzenia w erodowaną powierzchnię oraz w wyniku wzajemnego oddziaływania poddawane są działaniu różnych procesów oraz mechanizmów, które wpływają na kształt drobin erodenta. Na powierzchni cząstki mogą wystąpić naprężenia, które wywołują jej pęknięcia, jak również może pojawić się usuwanie ostrych krawędzi. W wyniku wystąpienia w dowolnej kombinacji różnych typów zdarzeń powstają cząstki o bardzo zróżnicowanej wielkości i formie¹⁶³.

Kształt cząstek materiału ściernego wpływa na sposób odkształcenia plastycznego, kształt krateru i bruzdy, głębokość penetracji powierzchni, a w konsekwencji na ilość usuwanego materiału. W porównaniu z zaokrąglonymi ziarnami erodenta, ostre cząstki powodują głębsze odkształcenia, a w efekcie bardziej intensywne zużywanie¹⁶⁴. W przypadku małych cząstek o ostrych krawędziach zużywanie uzależnione jest od energii kinetycznej cząstek i przejścia od cięcia, skrawania lub bruzdowania powierzchni dla niskich energii, do pękania przy wyższych energiach¹⁶⁵. Wielkość cząstek charakteryzowana jest przede wszystkim dwoma zasadniczymi parametrami: masą i długością (średnicą w przypadku cząstek sferycznych). Energia kinetyczna cząsteczek jest wprost proporcjonalna do masy, a masa cząstek kulistych jest proporcjonalna do średnicy.

Oddziaływanie cząstki o małej średnicy wywołuje mechanizm skrawania, natomiast cząstki o większych wymiarach generują odkształcenia sprężyste oraz zmęczenie materiału¹⁶⁶.

Różnice wielkości cząstek ściernych powodują zasadnicze zmiany w mechanizmie zużywania erozyjnego (rys. 11). Wyniki badań odporności erozyjnej szkła, stali, grafitu oraz

162 M. Takaffoli, M. Papini: Numerical simulation of solid particle impacts on Al6061-T6 Part II: Materials removal mechanisms for impact of multiple angular particles. Wear 296, 2012, s. 648–655.

163 I. Finnie: Some reflections op. cit., s. 1–10.

164 L. Ćurković, I. Kumić, K. Grilec: op. cit., s. 29–35.

165 E. Bousser, L. Martinu, J.E. Klemberg-Sapieha: Effect of erodent properties on the solid particle erosion mechanisms of brittle materials. Journal of Materials Science 48, 2013, s. 5543–5558.

166 H.P. Neopane: Sediment Erosion in Hydro Turbines. Faculty of Engineering Science and Technology, Norwegian University of Science and Technology. Trondheim, Norway, 2010.

53

ceramiki wykazały, że wraz ze wzrostem średnicy cząstek ściernych węglika krzemu z 8,75 µm do 127 µm, zmienił się mechanizm degradacji powierzchni z odkształceń plastycznych na kruche pękanie. Podczas badań z wykorzystaniem materiału ściernego o gramaturze 8,75 µm maksymalne zużycie wystąpiło, przy kącie 20°. Wraz ze wzrostem wielkości cząstek erodenta stwierdzono wzrost uszkodzenia powierzchni, a maksymalne zużycie zaobserwowano przy kącie natarcia 70°. Testy były realizowane, przy stałej prędkości strugi materiału ściernego, która wynosiła 152 m/s¹⁶⁷.

Rys. 11. Wpływ wielkości cząstek ścierniwa na zużywanie erozyjne: a) testy realizowane cząstkami o średnicy 8,75 µm, b) testy realizowane cząstkami o średnicy 127 µm

Źródło: [157].

Intensywność zużywania erozyjnego w przypadku dużych cząstek zależy głównie od twardości erodowanej powierzchni, natomiast w przypadku małych cząstek w zasadniczy sposób jest zależna od twardości ziaren erodenta¹⁶⁸. Na skutek uderzenia w twardszą powierzchnię materiały ścierne o mniejszej twardości pękają i kruszą się. Zjawisko kruszenia cząstek występuje szczególnie przy dużych prędkościach strugi ścierniwa oraz dużych wymiarach ziarna. Wraz ze wzrostem twardości ścierniwa obserwuje się wzrost szybkości

167 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

168 H.P. Neopane: op. cit.

Kąt uderzenia cząstek [°] Kąt uderzenia cząstek [°]

0

Szybkość erozji [ubytek w gramach/masa ścierniwa w gramach x 10-4 ] Szybkość erozji [ubytek w gramach/masa ścierniwa w gramach x 10-2 ]

a) b)

Grafit

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

54

zużywania materiału. Zmiany są szczególnie widoczne, gdy twardość materiału erodowanego jest mniejsza od twardości ścierniwa. Stwierdzono również korelację pomiędzy twardością powierzchni erodowanej i odpornością na zużywanie erozyjne. Podczas zderzenia cząstek z erodowaną powierzchnią może wystąpić zarówno obniżenie twardości materiału wskutek generacji ciepła, jak również wzrost twardości na skutek zgniotu¹⁶⁹.

Twardość cząstek jest czynnikiem w znacznym stopniu wpływającym na szybkość erozji, która jest wprost proporcjonalna do twardości cząstki, niezależnie od ich wielkości.

Cząstki posiadające twardość powyżej 5 w skali Mohsa uważane są za szczególnie szkodliwe.

Na stopień degradacji powierzchni wpływa nie tylko twardość cząstek, ale również kształt, ilość krawędzi skrawających na powierzchni cząsteczki¹⁷⁰. Cząstki ścierniwa o ostrych krawędziach wywołują zużycie erozyjne stali większe o rząd wielkości w stosunku do cząstek o obłych krawędziach. Kształt cząstek materiału ściernego ma istotny wpływ na erozję powierzchni materiałów, szczególnie dla ścierniwa o dużych cząstkach¹⁷¹.

W celu lepszego zrozumienia mikromechanizmów odpowiedzialnych za usuwanie materiału z powierzchni ciała stałego oraz w celu precyzyjnego wyznaczenia wpływu rozmiaru i kształtu cząstek erodenta konieczne jest udoskonalenie modeli zużywania erozyjnego. Większość opracowanych modeli stosuje jeden reprezentatywny kształt cząstek.

W badaniach wpływu cząstek ścierniwa na degradację powierzchni najczęściej wykorzystywanymi są ziarna o wyidealizowanym kształcie kuli¹⁷².

W rzeczywistości cząstki materiału ściernego nie są doskonale kuliste, ale posiadają ostre krawędzie. Podczas symulacji komputerowych oraz badań laboratoryjnych [115]

przeprowadzonych na materiale Ti-6Al-4V, cząstkami węglika krzemu o kształcie kuli, sześcianu, dwunastościanu oraz dwudziestościanu wykazały, że kształt krateru był różny w każdym z czterech przypadków. Otrzymane wyniki badań eksperymentalnych oraz symulacjnych potwierdziły wpływ kształtu ziaren ścierniwa na formę kraterów, bruzd oraz wypływek na krawędzi krateru. Topografia symulowanego krateru wykazuje bardzo podobne cechy jak rozmiar i kształt, w porównaniu z kraterami wykonanymi podczas badań doświadczalnych. Przeprowadzono analizę zmian topografii erodowanej powierzchni, przy niskich i wysokich kątach natarcia z zastosowaniem cząstek o różnych kształtach. Podczas

169 T. Hejwowski: op. cit.

170 L. Cai, S. Wang, J. Mao, J. Di, Z. Feng The influence of nozzle chamber structure and partial-arc admission on the erosion characteristics of solid particles in the control stage of a supercritical steam turbine. Energy 82, 2015, s. 341–352.

171 T. Hejwowski: op. cit.

172 M. Takaffoli, M. Papini: Numerical simulation… op. cit., s. 648–655; I. Finnie: Some reflections… op. cit., s. 1–10.

55

symulacji wykorzystujących kuliste cząstki oraz przy wysokich kątach natarcia wyniki są identyczne jak rezultaty otrzymane podczas badań eksperymentalnych. Natomiast przy niskich kątach uderzenia, w przypadku symulacji, poziom degradacji powierzchni jest niedoszacowany w porównaniu z badaniami eksperymentalnymi. W symulacjach wykorzystujących cząstki o kształcie sześcianu, przy niskich kątach natarcia otrzymane wyniki w niewielkim stopniu różnią się od wyników badań eksperymentalnych. Natomiast podczas oddziaływania cząstek, przy wysokich kątach natarcia, otrzymane wyniki symulacji znacząco przekroczyły poziom wyników w porównaniu z badaniami testowymi. Najbardziej zbliżone wyniki dla pełnego zakresu kąta uzyskano podczas symulacji i badań eksperymentalnych, przy zastosowaniu cząstek ścierniwa o kształcie dwudziestościanu¹⁷³. Wyniki przeprowadzonych symulacji i badań eksperymentalnych potwierdziły wpływ kształtu cząstek ścierniwa na stopień oraz formę degradacji powierzchni. Analizy symulacyjne pozwalają ograniczyć czas badań, ale główną rolę w precyzyjnym przewidywaniu odporności erozyjnej materiałów pełnią badania eksperymentalne.