Угол а меньше 90°, но не равен 1 0°. Абразивные частицы осуществляют косой удар по поверхности, который условно может быть разложен на две составляющих — нормальную и касательную.

В то же время составляющая среза при небольших отклонениях угла а от 90° мала по величине и не вызывает разрушения материала. Только после того, как величина ctg а станет равна или больше коэффициента трения f абразива по поверхности изнашиваемого материала, последний может разрушаться путем среза. Согласно опытным данным К. Веллингера и Г. Уетца, коэффициенты трения для этого случая согласуются с таковыми для трения скольжения.

Рассмотрим переход от ударного действия абразивных частиц к срезывающему. Кривые на рис.28, построенные по данным работы, показывают, что этот переход может быть скачкообразным или плавным. При угле атаки 90° скорость изнашивания стали с содержанием углерода около 0,13% и твердостью 128 кГ/мм2 составляет около 0,64 мк/час (точка 1”). При уменьшении угла а скорость изнашивания имеет тенденцию к снижению, но возле точки Г начинается резкий подъем кривой, который продолжается до угла порядка 3U°. При дальнейшем снижении угла атаки скорость изнашивания вновь начинает падать. Начало среза материала отмечается при угле 75°50’, что соответствует коэффициенту трения 0,29. Износ под действием ударной струи с уменьшением угла атаки непрерывно и монотонно снижается.

Такая же картина наблюдается и при испытании резины с твердостью по Шору 70—74. Срез материала под действием абразива начинается при угле падения частиц около 64° (коэффициент трения 0,49).

При углах, близких к прямому, скорость изнашивания стали почти в 6 раз выше, чем резины, но при малых углах атаки резина оказывается менее износостойкой.

На образцах углеродистой стали с твердостью 840 кГ/мм2 переход к срезу начинается при углеоколо, но процесс разрушения происходит медленно вследствие относительно небольшого соотношения значений твердости изнашиваемого материала и абразива (0,65). Заметим, что скорость изнашивания этой стали при ударном действии потока абразива выше, чем у стали с твердостью 128 кГ/мм2. Это позволяет характеризовать процесс разрушения материала как хрупкий,‘доля которого велика и при всех остальных углах атаки.

Для осуществления среза необходимы определенные соотношения значений твердости материала и абразива, в то время как хрупкое разрушение связано в первую очередь с кинетической энергией частиц. Твердость этих частиц не имеет самостоятельного значения, определяя только своего рода концентрацию контактных напряжений. Кинетическая энергия абразивных зерен частично поглощается при упругом деформировании материала. Именно с этим связана высокая износостойкость резин и других эластичных материалов при ударном действии потока твердых частиц.

Максимум износа мягких сталей наблюдается при углах падения абразива 30—42°, однако при изменении скорости потока и массы отдельных частиц положение кривых может изменяться. По данным В. Н. Кащеева, наибольший износ для мягких металлов наступает при угле 20°, а для более твердых и хрупких — при 90° (для медно-алюминиевых сплавов при относительно низкой скорости удара частиц). Работы Н. Г. Залогина показали, что изнашивание происходит наиболее интенсивно при угле падения частиц, равном 36°. Во всех этих данных не имеется разногласий, так как они относятся к испытаниям различных материалов и в разных условиях. Между тем с увеличением твердости материала максимум износа, как показывают опыты, смещается в сторону больших углов падения абразивных частиц и может совсем не выявляться, как на углеродистой стали с твердостью 840 кГ/мм2. Положение максимума износа зависит также от скорости в момент удара, массы и твердости абразивных зерен.

Рис. 1. Зависимость скорости изнашивания сталей (1 и 3) и резины (2) от угла падения потока абразивных частиц

Знание зависимости скорости изнашивания от углов падения частиц имеет важное практическое значение при разработке конструктивных (мероприятий по снижению износа. В этом направлении достигнуты значительные результаты по повышению срока службы труб водяных экономайзеров, лопаток дымососов и других деталей котлоагрегатов, выходящих из строя вследствие «эолового износа».

Для большинства изнашивающихся деталей характерно наличие периода приработки с повышенной скоростью изнашивания. По мере улучшения условий трения износ постепенно снижается и достигает нормального уровня, отвечающего состоянию полной прирабо-танности сопряженных деталей. При изнашивании криволинейных поверхностей в абразивной струе наблюдается обратная картина: с изменением угла атаки вследствие износа поверхности интенсивность изнашивания повышается. На рис. 29 показана схема износа трубы экономайзера котельных установок, из которой видно, что после некоторого износа трубы угол атаки для большей части поверхности приблизится к значению, соответствующему наибольшей скорости изнашивания.

Износостойкость при ударном действии абразивных зерен для некоторых материалов является [мерой хрупкости. Но для пластичных (таких, как свинец) или эластичных (резина) материалов износостойкость является функцией других механических свойств — сопротивления срезу, усталости и пр.

Наибольшей износостойкостью, как видно, обладают резина и металлокерамические твердые сплавы—материалы совершенно различной природы и свойств.

Углеродистые и инструментальные стали, чистые металлы и чу-гумы по износостойкости в этих условиях изнашивания близки друг к другу. Самое низкое положение по износостойкости занимают природно хрупкие минеральные материалы (базальт, стекло и пр.).

Достаточно изменить, например, твердость абразива, как взаимное положение материалов по износостойкости сейчас же изменится и, может быть, самым существенным образом. На рис. 3 показаны кривые износа нескольких материалов, порядок износостойкости которых в зависимости от твердости абразива может иметь следующие вариации (в скобках указана твердость абразива): 3—1—2—4 (300 кГ/мм2) 1—3—2—4 (700 кГ/мм2) 1—2—3—4 (900 кГ/мм2 и выше).

Рис. 2. Схема износа трубы экономайзера котельных установок под действием потока частиц золы

Как видно из рис. 3, износ первоначально возрастает с увеличением твердости абразива (всплеск кривых при твердости 500 кГ/мм2 обусловлен весьма острыми кромками частиц стекла),, а затем уже не изменяется.

Рис. 3. Влияние твердости абразива на износ резины (1), сталей (2 и 3) и литого базальта (4) при нормальном направлении потока абразивных частиц

Рис. 4. Схематическое изображение влияния скорости потока абразивных частиц на износ материалов

Интенсивность изнашивания при увеличении скорости частиц (выше критических значений) также зависит от свойств материалов Таким образом, порядок расположения материалов по износостойкости может существенно изменяться в зависимости от указанных выше параметров. Резина, например, имеет более высокую износостойкость, чем углеродистые стали при низких скоростях потока абразивных частиц, и уступает сталям при высоких значениях скорости. Известно широкое промышленное применение листовой резины для обкладки внутренних поверхностей камеры дробеметов. Под действием потока округлых дробинок, летящих со скоростью около 50—70 м/сек, резина изнашивается во много раз меньше стали.

• *

Большой опыт в области испытаний на износ показывает, что оценка износостойкости материалов не может производиться в отрыве от условий изнашивания деталей. В связи с этим не имеется возможности дать общие, справедливые во всех случаях рекомендации по применению тех или иных материалов. Только при исследовании определенной, специально подобранной группы материалов в широком диапазоне условий изнашивания можно подготовить справочные материалы, позволяющие конструктору выбрать оптимальный вариант, сообразуясь с заданными частными параметрами процесса изнашивания и имеющимися технологическими возможностями.

• *

Порядок расположения материалов по их износостойкости в случае малых углов падения абразивных частиц существенно отличается от рассмотренного выше, что объясняется различием в’механизме изнашивания в этих двух случаях. Малые углы атаки абразива характерны для деталей с криволинейными поверхностями, таких, как лопасти вентиляторов и дымососов,

а также для труб пневматической закладки, сопел пескоструйных аппаратов и пр. Износостойкость материала здесь уже не связана со способностью его поглощать кинетическую энергию ударяющихся частиц, на первый план выходят прочностные свойства, а именно — сопротивление материала хрупкому разрушению или срезу в условиях высокой скорости приложения нагрузки (разрушение материала вследствие многократного деформирования при небольших углах атаки абразива представляется маловероятным).

К. Веллингер и Г. Уетц испытывали ряд материалов на износ пропусканием через отверстие трубы потока абразива, полагая, что такое испытание равноценно изнашиванию при угле падения абразива 5°.

Самую высокую износостойкость показал спеченный корунд, далее в порядке убывания износостойкости следуют углеродистые стали, чугун, базальт и резина. Как видно, при скользящем ударе эластичные материалы не выдерживают абразивного воздействия: и изнашиваются с весьма высокой интенсивностью. То же самое относится и к минеральным материалам, которые при больших скоростях удара твердых частиц разрушаются хрупко во всем’ диапазоне углов падения абразива и притом быстрее любых других материалов.

Износостойкость сталей слегка повышается с ростом твердости (примерно в таких же пределах, как и при испытании трением о шкурку с очень твердым абразивом) и мало изменяется при легировании. Так, сроки службы котельных труб, изготовленных из углеродистой, хромомолибденовой и хромоникелевой (ЭИ-257) сталей, мало различаются между собой; эти трубы подвержены «золовому износу».

Белый чугун ;в силу более высокой хрупкости поверхностного слоя изнашивается с такой же большой скоростью, как и мягкая углеродистая сталь, хотя последняя имеет почти в 4 раза меньшую твердость.

Стойкость сопел пескоструйных аппаратов может быть резко увеличена, если их изготовлять не из закаленных сталей или белого чугуна, а из минералокерамики или металлокерамических твердых сплавов (твердосплавная промышленность выпускает такие изделия). По данным наших испытаний, проведенных на пескоструйной установке завода «Пневматика», износостойкость сопел из минералокерамики типа ЦМ-332 в десятки раз выше, чем из цементированной и закаленной стали 12Х2Н4А. Скорость изнашивания стальных сопел составляла в среднем 180 мг/мин, при этом характерно, что снижение твердости с 61 до 49 Rc из-за наличия остаточного аустенита (Привело к увеличению износостойкости примерно на 20% (этот пример показывает, что при изнашивании в потоке быстро летящих абразивных частиц в поверхностных слоях возможны фазовые превращения).

Испытания на склерометре СТ-4 показали также, что сопротивление минералокерамики типа ЦМ-332 хрупкому разрушению при -скользящем ударе значительно выше, чем на закаленных сталях и примерно равно таковому для металлокерамических твердых – сплавов.

• *

Лопасти шахтных вентиляторов, изготовленные из мягкой стали, изнашиваются сравнительно медленно, но в случае сквозного износа происходит разрушение лопасти, нарушается баланс ротора, что в отдельных случаях заканчивается серьезной аварией.

Внешний вид изношенной поверхности лопасти вентилятора, взятой с шахты «Южная-Нежданная» (комбинат Ростовуголь), показан на рис. 32. На поверхности видны характерные для эрозионных процессов чередующиеся волны, образование которых связано, по нашему мнению, с пристенным завихрением потока, несущего абразивные частицы. В местах завихрений скорость частиц выше, чем,в ламинарной части потока, и поэтому изнашивание здесь идет интенсивней.

В качестве защиты лопастей вентиляторов от износа могут быть использованы покрытия резиной, пластмассой или эмалью. Стойкость этих покрытий зависит от условий работы вентилятора и его аэродинамических качеств.

В. С. Ломакин и В. И. Савченко провели исследование стойкости эмалированных лопастей двухступенчатого высоконапорного осевого вентилятора ЦАГИ-В. Лопасти были изготовлены из стали 30 и затем покрыты эмалью № 401 по грунтовой эмали № 27/35/18 (толщина слоя в пределах 0,7—1,5 мм).

При промышленных испытаниях вентилятора с эмалированными лопастями концентрация пыли в воздухе составляла 570 мг/м3, а относительная влажность — 59%. За каждые сутки через вентилятор проходило около 3,7 г угольной пыли. Через 2840 час работы эмалевый слой местами износился насквозь, но на нижележащей стальной поверхности следов износа еще не было. На стальных лопастях, испытанных в этих же условиях, полоска износа вдоль лобовой кромки была такой же ширины, как и на эмалированных лопастях, но глубина износа доходила до 1,8—2 мм. Из сопоставления величин износа стали и эмалевого покрытия следует, что последнее имеет примерно в 1,5—2,5 раза большую износостойкость. Авторы этой работы считают, что эмалирование лопастей повышает срок службы вентилятора на 3000 час.

Рис. 5. Внешний вид изношенной поверхности лопасти вентилятора

Указанная выше связь скорости изнашивания материала с углом атаки абразивного потока проявляется, в частности, в том, что в трубопроводах различных пневматических транспортных систем для перемещения сыпучих материалов более всего страдают от износа участки, на которых происходит изменение направления потока материалов. В целях повышения срока службы колен может быть, в частности, использован следующий конструктивный прием, описанный М. В. Токаревым. В месте перегиба трубопровода устанавливается специальный отросток трубы, который при работе забивается транспортируемым материалом и тем самым защищает колено от действия потока твердых частиц под наиболее опасным углом атаки. Колена с отростком автор рекомендует применять на перегибах трубопровода под 90° (при этом колено может иметь два отростка — на продолжении подающей трубы и рядом — под углом 45°).