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60 工 业 技 术 INDUSTRY TECHNOLOGY 河南科技2012.08 下 冲蚀磨损是指金属表面与流体之间因相对运动而导致金属 表面损坏的现象。这种现象广泛存在于很多行业中,是导致设 备损坏的一个重要原因。本文,笔者总结了影响材料冲蚀磨损 的主要因素,以供参考。 一、入射角的影响 入射角也叫攻角或冲击角,是指靶材表面与入射粒子轨迹 之间的夹角。流体作用于靶材表面时,同时具有水平和垂直分 量,水平分量会对靶材造成切削损伤,垂直分量会对靶材造成 撞击或冲击损伤。研究表明,韧性材料和脆性材料在冲蚀过程 中随冲击角的变化表现出不同的冲蚀规律。塑性材料在冲击角 为 15 30 时出现最大冲蚀率,脆性材料的最大冲蚀率出现在 冲击角为 90 时,其他材料的冲蚀率则介于塑性材料和脆性材 料之间。冲蚀率和冲击角之间的关系可用式(1)表示。 A*cos2sin(n)B*sin2。 (1) 式(1)中, 为冲蚀率,n,A*,B*为常数。当材料全部 为脆性磨损时, 则A*0;当材料全部是韧性磨损时, 则B*0。 当0时, /20。 当冲击角0时, 主要是韧性磨损; 冲击角度 0 时,主要是脆性磨损;改变式中 A*,B*值便 可满足要求。 二、 速度的影响 粒子只有以大于某一速度作用在材料上面,才会发生冲蚀 磨损,这个速度就是引发冲蚀磨损的最小速度。粒子速度小于 这个最小速度时,粒子和材料之间仅发生弹性碰撞;粒子大于 这个最小速度时,则粒子冲击速度与冲蚀率的关系可用式(2) 表达。 E KV n。 (2) 式(2)中,V 为粒子冲击速度,n 为常数。一般材料在冲 击角较小时,n 为 2.2 2.4,冲击角为 90 时,n 为 2.55;陶 瓷材料的 n 值在 3 左右。资料表明,粒子的冲击速度和材料的 最大冲击角之间不存在一定关系,即粒子冲击速度对材料的冲 蚀磨损机制无影响。 三、粒子粒径的影响 当粒子粒径在某一范围内时,塑性材料的冲蚀率和粒径呈 线性关系,但当粒径增加到一个峰值(M)时,塑性材料的冲 蚀率则会保持稳定不再发生变化,M 值会随着冲蚀磨损工况而 发生变化,不同材料的 M 值也不相同。这种现象叫做作“粒 度效应” 。 有关粒度效应的形成有很多种解释,主要包括应变率 的影响、表面晶粒尺寸的影响、氧化层的影响、变形区大小的 影响等。但目前较为普遍的一种解释为:材料基体被一层很硬 的薄层包裹着,当粒子粒径很小时,粒子无法穿透这层薄层, 当粒径大于 M 值时,粒子就能穿过这层硬质层直接作用在材 料基体上,从而发生冲蚀磨损。 材料冲蚀磨损影响因素分析 西安石油大学 机械工程学院 王 凯 但当材料为脆性材料时,其冲蚀率会随着粒径的增大而一 直增大。 在实际工况中,流体中有很多粒子对材料进行冲击,不可 能是一个粒子,因此,粒子在流场中的分布也相当重要。有试 验证明,粒子分布对脆性材料的冲蚀率有明显影响,但对塑性 材料的影响目前还没有研究。 四、粒子形状的影响 一般来说,多角粒子比球状圆滑粒子的冲蚀破坏能力要强。 在冲击角为 45 的情况下,对于同一种材料,圆滑粒子的冲蚀 能力约为多角粒子的 1/4。在冲蚀磨损材料时,这两种粒子的 表现行为也不相同:多角粒子是犁削方式,球状圆滑粒子为切 削方式。多角粒子的冲蚀率主要其受宽长比和周长的平方与面 积之比的影响。 五、粒子硬度的影响 应根据粒子硬度和材料表面硬度之比(HP/Ht)来判断粒 子硬度对冲蚀磨损的影响。根据比值,可将塑性材料的冲蚀率 分为两种情况:比值大于1.2时, 冲蚀率随比值的增大而增大, 增大到一定程度后趋于饱和;比值小于 1.2 时,冲蚀率随比值 的减小而减小。研究表明,粒子硬度和材料表面硬度比为 1 时, 材料冲蚀率会大幅度减小;粒子硬度小于材料硬度时,粒子在 冲击材料时会发生破碎。 六、材料硬度和强度的影响 材料硬度对冲蚀率的影响很大,但并不是材料硬度越高, 其抗冲蚀能力就越强,如陶瓷材料的硬度非常高,但它的抗冲 蚀性能就较低,只有在粒子动能很小时,陶瓷材料才表现出较 好的抗冲蚀性能。 Manish Roy 等人对单相金属、多相金属以及合金分别进行 硬化以后,对它们进行冲蚀磨损试验,最终得出以下结论:在 退火条件下,纯金属的冲蚀率会随着硬度的增加而增加;其他 硬化方法,如细化晶粒、固溶、冷加工等,都不能提高纯金属 材料的抗冲蚀能力;马氏体硬化、沉淀硬化、弥散强化等方法 也不能明显提高多相合金的抗冲蚀性。 冲蚀磨损是一个非常复杂的过程,不能按单一因素去考虑 各种材料的抗冲蚀性能。生产中,应综合考虑内外因素,并结 合实际工况,通过模拟实际环境,最终确定所需材料或者开发 出更耐冲蚀的材料。 网络出版时间:2013-01-29 13:23 网络出版地址:
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