Wpływ temperatury na zużywanie erozyjne

Temperatura, oprócz prędkości strugi, kąta natarcia oraz rodzaju ścierniwa jest istotnym czynnikiem, który wpływa na intensywność zużywania erozyjnego. Degradacja powierzchni może zostać przyspieszona nie tylko na skutek odziaływania mechanicznego cząstek, ale także wzrostu temperatury¹⁷⁴.

Istnieje silna zależność pomiędzy właściwościami mechanicznymi materiału erodowanego i wzrostem temperatury oraz szybkością zużywania erozyjnego. W wyniku wzrostu temperatury zmniejsza się wytrzymałość, zwiększa plastyczność i następuje wzrost zużycia materiałów¹⁷⁵ .

Gdy temperatura wzrasta od temperatury pokojowej do 900°C, twardość stali SUS410 znacznie zmniejsza się z 273 do 70 HV. Twardość materiału, w wysokiej temperaturze zmniejsza się w przybliżeniu o 70% w porównaniu z twardością w temperaturze pokojowej.

Ten fakt może wyjaśnić wzrost plastyczności materiału oraz wysoki stopień erozji przy niskich kątach padania ścierniwa¹⁷⁶.

173 Z.G. Liu, S.Wan, V.B. Nguyen, Y.W. Zhang: A numerical study on the effect of particle shape on the erosion of ductile materials. Wear 313, 2014. S. 135–142.

174 J.Z. Yang, M.H. Fang, Z.H. Huang, X.Z. Hu, Y.G. Liu, H.R. Sun, J.T. Huang, X.C. Li: op. cit., s. 283–289.

175 GW. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

176 K. Shimizu, Y. Xinba, M. Ishida, T. Kato: High temperature erosion characteristics of surface treated SUS410 stainless steel. Wear 271, 2011, s. 1349–1356.

56

Wyniki badań materiałowych wskazują, że twardość erodowanej powierzchni jest skorelowana z intensywnością zużywania erozyjnego w zależności od kąta natarcia strugi i temperatury. W temperaturze T = 500°C stal szybkotnąca R9 przy małych kątach oddziaływania jest bardziej odporna na erozję, niż żeliwo stopowe Ch34L, natomiast w temperaturze T = 700°C odporność erozyjna żeliwa znacznie przewyższa odporność erozyjną stali R9 . Szybkość zużywania erozyjnego ceramiki zwiększa się równomiernie od temperatury pokojowej do 800°C, a następnie gwałtownie wzrasta powyżej 800°C. Stopień zużycia w odniesieniu do kąta natarcia strugi materiału ściernego, wzrasta nieznacznie wraz ze wzrostem kąta i osiąga maksimum, przy kącie 90°, w zakresie temperatur od 25°C do 800°C. Maksymalne zużywanie erozyjne powierzchni materiału występuje pomiędzy 60°, a 75° oraz temperaturze od 1200°C do 1400°C¹⁷⁷.

Testy w wyższych temperaturach wskazują, że zmęczenie materiału może być główną przyczyną zużycia¹⁷⁸. Wraz ze wzrostem temperatury, można zaobserwować utlenianie erodowanej powierzchni, rozwój filmów tlenkowych oraz zjawiska korozji¹⁷⁹. Powstawanie tlenków na powierzchni może znacząco wpływać na odporność erozyjną np. materiałów stalowych¹⁸⁰. Wzrostowi temperatury towarzyszy szybki rozwój zewnętrznej warstwy Fe₂O₃, która ze względu na twardość około 1140 HV, występuje, jako warstwa ochronna w temperaturze do 450°C. Powyżej 570°C, film tlenkowy składa się z trzech warstw, z których FeO jest najsłabszą warstwą łączącą produkty utleniania z macierzystą powierzchnią metalu, wówczas następuje gwałtowny wzrost tempa erozji¹⁸¹. Powierzchnia materiału pokryta tlenkami staje się krucha, a proces erodowania może przebiegać znacznie szybciej niż w przypadku erozji materiałów plastycznych.

W zależności od rodzaju materiału, przy dostatecznie wysokiej temperaturze, na powierzchni tworzy się gruba warstwa tlenku, wówczas cząstki ścierniwa nie erodują bezpośrednio z litej warstwy metalu, a na intensywność zużywania erozyjnego nie wpływają właściwości mechaniczne materiału, ale szybkość utleniania powierzchni¹⁸².

Na intensywność zużywania erozyjnego powierzchni w wysokich temperaturach wpływa środowisko utleniające. Intensywność zużywania erozyjnego stopu magnezu,

177 X. Wang, M. Fang, L.C. Zhang, H. Ding, Y.G. Liu, Z. Huang, S. Huang, J. Yang: Solid particle erosion of alumina ceramics at elevated temperature. Materials Chemistry and Physics 139, 2013, s. 765–769.

178 H. Winkelmann, M. Varga, E. Badisch, H. Danninger: Wear Mechanisms at High Temperatures: Part 2:

Temperature Effect on Wear Mechanisms in the Erosion Test. Tribol Lett 34, 2009, s. 167–175.

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

180 A. Zikin, M.Antonov, I. Hussainova, L. Katona, A. Gavrilovic: High temperature wear of cermet particle reinforced NiCrBSi hardfacings. Tribology International 68, 2013, s. 45–55.

181 I. Kleis, P. Kulu: op. cit.

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

57

pozostaje stabilna w środowisku argonu do 500°C, podczas gdy w powietrzu rośnie 3,5 razy szybciej w porównaniu z procesami w temperaturze pokojowej¹⁸³.

Wyniki badań potwierdzają, że szybkość erozji powłok zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury oraz kątem natarcia ścierniwa¹⁸⁴. Ponieważ zużywanie erozyjne w podwyższonej temperaturze jest determinowane synergicznym oddziaływaniem cząstek ścierniwa oraz utleniania, zalecane jest pokrywanie erodowanej powierzchni materiałami funkcjonalnymi, w celu osiągnięcia lepszej odporności erozyjnej. Powłoki Fe-Cr-C zawierające również większą ilość Nb, Mo i B wykazują najlepszą odporność na erozję, w szczególności w podwyższonej temperaturze¹⁸⁵.

Jak wykazała analiza literaturowa, wpływ wysokiej temperatury na intensywność zużywania erozyjnego jest znaczący. Ważne jest, aby aparatura badawcza umożliwiała oprócz badań w temperaturze pokojowej również testy wysokotemperaturowe.

Podsumowanie

Erozja występuje w różnych środowiskach eksploatacyjnych, w których proces zużywania erozyjnego może zostać przyspieszony przez oddziaływanie zjawisk chemicznych, cieplnych, elektrycznych. W badaniach wykorzystujących modele analityczne trudno jest uwzględnić wiele istotnych parametrów procesu zużywania erozyjnego, w przeciwieństwie do badań eksperymentalnych, które mogą być realizowane w szerokim zakresie zmienności parametrów procesu erozji. Dotychczas nie został opracowany model zużywania erozyjnego umożliwiający precyzyjne prognozowanie procesu erozji, dlatego najbardziej skuteczną metodą przewidywania negatywnych skutków erozji są badania eksperymentalne, symulujące rzeczywiste warunki eksploatacji.

Precyzyjne przewidywanie skutków zużywania erozyjnego wymaga znajomości środowiska eksploatacyjnego, w którym proces erozji przebiega. We wszystkich rodzajach erozji można wyodrębnić kilka grup parametrów, które decydują o szybkości zużywania erozyjnego elementów konstrukcyjnych, części maszyn i urządzeń (tab. 1).

W celu identyfikacji procesu zużywania urządzenie do symulacji erozji uderzeniowej powinno zapewniać w szerokim zakresie precyzyjne sterowanie głównymi parametrami

183 I. Kleis, P. Kulu: op. cit.

184 J.Z. Yang, M.H. Fang, Z.H. Huang, X.Z. Hu, Y.G. Liu, H.R. Sun, J.T. Huang, X.C. Li: op. cit., s. 283–289;

X. Wang, M. Fang, L.C. Zhang, H. Ding, Y.G. Liu, Z. Huang, S. Huang, J. Yang: op. cit., s. 765–769; E. Prestes, J. Medeiros, D.T .Gomes, J.L.B.C. Veiga, V.C. Pandolfelli: Hot-erosion of nano-bonded refractory castables for petrochemical industries. Ceramics International 39, 2013, s. 2611–2617.

185 C. Katsicha, E. Badisch, M. Roy, G.R. Heath, F. Franek: Erosive wear of hardfaced Fe–Cr–C alloys at elevated temperature. Wear 267, 2009, s. 1856–1864.

58

związanymi z warunkami eksploatacji: prędkością cząstek erozyjnych, kątem natarcia, pod jakim cząsteczki uderzają w erodowaną powierzchnię oraz temperaturą.

Tabela 1. Wpływ parametrów procesu erozji na intensywność zużywania materiałów plastycznych oraz kruchych

Źródło: opracowanie własne.

W badaniach empirycznych analizowane są również parametry charakteryzujące właściwości materiału ściernego: rodzaj ścierniwa, twardość, rozmiar oraz kształt cząstek erodenta. Aparatura badawcza powinna umożliwiać stosowanie różnych materiałów ściernych o zróżnicowanym kształcie, wielkości, twardości oraz strukturze cząstek. Stosowanie materiałów ściernych o różnej gęstości, wielkości cząsteczek, wymaga kalibracji modułu dozowania ścierniwa oraz precyzyjne wyznaczenie charakterystyki prędkości strugi mieszaniny ścierniwa i powietrza. Istotne jest wyposażenie aparatury badawczej w moduły, które umożliwią weryfikację i kontrolę wydatku ścierniwa oraz prędkości strugi w zależności od zastosowanego materiału ściernego. Opracowana metodyka badań zużycia erozyjnego powinna również uwzględniać sposób przygotowania materiału ściernego oraz proces wygrzewania erodenta.

59

Wyszczególniono również parametry związane z właściwościami mechanicznymi i fizycznymi erodowanego materiału: twardość, wytrzymałość, odporność na zmęczenie, mikrostrukturę oraz skład chemiczny. W zależności od właściwości mechanicznych materiałów oraz czynników erozyjnych oddziałujących na erodowany materiał występują rożne mechanizmy zużywania, które wpływają na intensywność degradacji erodowanej powierzchni.

W celu skutecznego prognozowania intensywności degradacji powierzchni zaawansowane urządzenie do badań zużycia erozyjnego powinno zapewnić precyzyjne i płynne sterownie ww. parametrami procesu erozji. Wyniki badań procesów erozyjnych uzyskanych z wykorzystaniem opracowanej aparatury oraz autorskiej metodyki powinny umożliwiać przygotowanie baz danych oraz bazy wiedzy w zakresie odporności erozyjnej materiałów konstrukcyjnych, materiałów funkcjonalnych np. z powłokami PVD, jak również pozwolić na ocenę skuteczności zastosowania obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej oraz mechanicznej na wzrost odporności erozyjnej materiałów.

Zgromadzone informacje będą stanowiły cenną bazę wiedzy dla konstruktorów i technologów oraz materiałoznawców projektujących materiały funkcjonalne i konstrukcyjne.

60

61