Кавитационного воздействия

увеличение скорости движения воды, облегчающее диффузию кислорода к поверхности корродирующего металла вследствие уменьшения толщины диффузионного слоя электролита, заметно повышает скорость коррозии. Дальнейшее увеличение скорости движения воды приводит к снижению скорости коррозии, вызываемому наступлением пассивности (образованием защитной пленки) при достаточно обильном поступлении кислорода. При очень больших скоростях движения воды вновь наблюдается увеличение скорости металла, обусловленное явлением механического (эрозионного и кавитационного) разрушения защитной пленки и самого металла.

Большой интерес представляет хромирование деталей, работающих в условиях кавитационного разрушения. Сопротивляемость электролитических осадков хрома кавитационному разрушению зависит от их твердости и типа. Твердость осадков, измеренная прибором ПМТ-3 при нагрузке на индикатор 50 Г, практически постоянна для слоя хрома толщиной свыше 20 мкм, а при нагрузке 100 Г — для слоя толщиной свыше 45 мкм, что объясняется влиянием сравнительно низкой твердости хромируемого металла. В области блестящих покрытий при температуре электролита 45—55° С твердость осадков изменяется незначительно. С увеличением блеска твердость повышается. Твердость молочных покрытий, получаемых при температуре выше 55° С, понижается вследствие изменения структурной модификации хрома и укрупнения зерна.

Исследования показали, что электролитическое хромирование можно применять для увеличения долговечности деталей, работающих в условиях кавитационного разрушения, например, стенки элементов уплотнений, работающих с вибрацией в соприкосновении с жидкостью, зубья колес, подверженных кавитационному разрушению, клапанные детали гидравлических прессов и др. Толщину слоя хрома следует назначить исходя из условий работы детали: чем жестче кавитационные условия и чем дольше надо защищать деталь от разрушения, тем больший слой хрома требуется. Слои тоньше 50 мкм наносить не рекомендуется. Для клапанных деталей гидропрессов слой должен быть толщиной 150—250 мкм.

Помимо железа и марганца распространенным легирующим компонентом алюминиевых бронз является также никель. Легирование алюминиевых бронз никелем способствует повышению их коррозионной стойкости и улучшению механических, а также технологических свойств. Никель особенно желателен в случае присутствия в сплаве железа, так как он задерживает образование включений железистой составляющей и тем повышает стойкость сплавов против кавитационного разрушения. Однако чрезмерного увеличения содержания никеля следует опасаться, так как он является дорогим и дефицитным материалом. Химические составы и механические свойства наиболее распространенных сплавов на медной основе системы Си—А1—Ni—Fe приведены в табл. I. 35. Анализ бронз этой системы показывает, что в промышленности используются сплавы типа отечественной бронзы Бр. АЖН10-4-4, отличающиеся хорошими механическими и антикоррозионными свойствами. Однако рекомендовать применение сплавов этой системы следует лишь в особых случаях, так как они содержат повышенное количество остродефицитного и дорогостоящего никеля. Кроме того, система Си—Al—Fe—Ni не может рассматриваться как достаточно перспективная для изыскания более высокопрочных сплавов без дополнительного легирования, так как промышленные сплавы этой системы содержат верхний оптимальный предел легирующих компонентов. В связи с этим целесообразно искать заменители этих дорогих сплавов, сосредотачивая усилия на замене никеля менее дефицитными металлами.

Калис [Л. 96] в докладе о механизме кавитационного разрушения утверждает о преобладающей роли коррозии в наблюдавшихся разрушениях, т. е. является сторонником электрохимической теории эрозии.

98. Гликман Л. А., Тэ хт В. П., 3 о б а ч е в Ю. Е., К вопросу о физической природе кавитационного разрушения, Журнал технической физики, XXV, 1955, вып. 2, стр. 280—298.

Зубья шестерен, клапанные детали гидравлических прессов, стеи-ки элементов уплотнения и другие детали, работающие в условиях кавитационного разрушения Гальваническое хромирование Повышение износостойкости по сравнению со сталью марки 45 без покрытия в 10 — 12 раз

Большой интерес представляет хромирование деталей, работающих в условиях кавитационного разрушения.

Применение наружной литой гофрированной поверхности гильз в зоне охлаждения водой является эффективным средством борьбы против кавитационного разрушения. В промышленных гильзах наружная поверхность покрыта накипью в два слоя, при этом первый слой отделяется от гильзы с трудом, а второй покрыт большим количеством мелких характерных пузырьков, являющихся зародышами кавитационного разрушения. Наружная поверхность гильз с орнаментом покрыта накипью в один легкоотделяемый слой, в котором практически отсутствует скопление пузырьков. Такое различие объясняется тем, что в промышленной гильзе процессы окисления и образования накипи на обработанной поверхности происходят одновременно.

Наблюдения показывают, что с появлением первых изъязвлений (шероховатостей) интенсивность дальнейшего кавитационного разрушения повышается. В равной мере процесс кавитационного разрушения ускоряется при наличии на поверхностях деталей шероховатостей, микротрещин и прочих местных дефектов. При захлопывании в этом случае кавитационных каверн, сопровождающемся гидравлическими микроударами высокой частоты, в порах (микротрещинах) развиваются высокие ударные давления, превышающие давление гидроудара при захлопывании каверны. Под действием этих ударов жидкость продавливается в поры, сжимая находящийся в них воздух, который нагревается до высоких температур. Очевидно, что некоторую роль в усилении кавитационного разрушения, наблюдающегося при наличии шероховатости, играет также и то, что шероховатость поверхности увеличивает ее площадь.

Для уменьшения разрушительного действия кавитации на детали гидроагрегатов применяют стойкие против коррозии материалы (стали с добавкой хрома и никеля) при одновременной тщательной обработке их поверхностей, омываемых кавитируемой жидкостью. Широко применяют также покрытия деталей материалом, стойким против кавитационного разрушения (бронзой, хромом и пр.). Как правило, стойкость материалов против кавитационного разрушения повышается с увеличением механической их прочности или химической (окислительной) стойкости, причем лучшие результаты дают материалы, в которых совмещаются оба эти качества. Наименее стойкими против кавитации являются чугун и углеродистая сталь; наиболее стойкими — бронза и нержавеющая сталь. Увеличение твердости материала повышает, как правило, антикавитационную стойкость. Практика показывает, что увеличение твердости нержавеющей стали со 150 до 400—420 НВ может повысить ее антикавитационную стойкость в десять с лишним раз. Разрушительное действие кавитации на поверхности стальных деталей можно ' ' уменьшить путем их нагар-товки. Наиболее стойким из известных материалов является титан.

Существенное значение в процессе ультразвуковой мойки имеет выбор жидкой среды в зависимости от характера загрязнения. Сильно упростив весь процесс очистки, можно представить его в виде двух операций: растворения, или эмульсирования жирных веществ, и удаления с поверхности пигментных веществ (грязи) при помощи кавитационного воздействия.

На рис. 40, а приводится карта кавитационно-абразивного износа быстроходной радиально-осевой гидротурбины, а на рис. 40,6 — турбины осевого типа. Различные детали гидротурбин, подверженные совместному кавитационно-абразивному воздействию, имеют главным образом гладкие изношенные участки, т. е. со следами только абразивного воздействия. Лишь на лопастях турбин можно встретить участки, где кавитацион-ный износ опережает абразивный. В этом случае на поверхности видны раковины — следы кавитационного воздействия.

Для того чтобы устранить это несоответствие между данными лабораторных испытаний и действительной стойкостью материалов, были предприняты попытки усовершенствования методики испытаний. Для этих целей было предложено проводить испытания на МСВ с чередованием кавитационного воздействия (5 мин) и коррозионного (24 ч) с одновременным снижением амплитуды колебания вибратора до 30 мкм [Л. 36], а также применять импульсный метод получения кавитационных воздействий [Л. 30]. Применение сочетания механических нагружений с коррозионными процессами позволило получить близкое к реальному соотношение между износостойкостью углеродистых и нержавеющих сталей. С той же целью для УЭС было рекомендовано снизить скорость соударения образца со струей воды.

Рис 148 Потеря массы твердость поверхности ИВ в глубина h наклепанного слоя образцов сталей ЗОХЮГ10 (/) н типа 08Х18Н8 (2) в процессе кавитационного воздействия (И Н Богачев Р И Мииц)

В кавитациошюм разрушении материала определенное значение имеет абразивное изнашивание, так как в потоке жидкости в том или ином количестве всегда имеются абразивные частицы [37]. На разрушение влияет и электрохимическая коррозия, которая сказывается в большей степени при малых скоростях потока. Наиболее весомым процессом, определяющим разрушение материала в процессе кавитации, является механическое силовое воздействие, приводящее к разрушению при контактировании. При таком воздействии разрушение может произойти вследствие усталости либо хрупкого или вязкого отделения частиц. Кавитация вызывает пластическую деформацию поверхностных слоев. При этом создается определенная степень деформационного упрочнения металла с возможным последующим разупрочнением. Однако, как правило, в процессе кавитации наблюдается повышение твердости, что указывает на преобладание процессов упрочнения. При увеличении кавитационного воздействия свойства металла (прочность, пластичность, твердость и др.) непрерывно изменяются. Энергия деформа-

ляется в повышении температуры на локальных участках до 260—600 °С [15—17], Участие процессов коррозии в кавитационном разрушении очевидно, однако доля коррозионных и эрозионных процессов меняется в широких пределах в зависимости от свойств среды и материала. Коррозионные среды всегда обладают адсорбционной активностью, так как в них содержатся поверхностно активные компоненты.. Поверхностно активные вещества (ПАВ) двояко влияют на кинетику кавитационного разрушения: уменьшают микроударное- воздействие, создавая на поверхности гидрофобный слой — буфер; облегчают деформацию и разрушение за счет проявления эффекта адсорбционного понижения прочности и пластичности (эффекта Ребиндера). Установлено, что влияние ПАВ зависит от интенсивности кавитационного воздействия: при высокой интенсивности добавки ПАВ ускоряют разрушение, а при невысокой—несколько уменьшают скорость разрушения.

Для определения кавитационной стойкости деталей, работающих под действием внешней нагрузки или при ползучести, используют такие показатели, как скорость ползучести в условиях кавитационного воздействия, время до разрушения, пластичность. Для оценки влияния кавитационных повреждений на уровень механических свойств последние определяют либо после определенного времени кавитационного воздействия на рабочую зону образца, либо непосредственно в процессе кавитационного нагружения.

делирование кавитационного воздействия возможно при стендовых испытаниях изделий (турбин, насосов, двигателей внутреннего сгорания и др.), однако такие испытания очень длительны, дороги и позволяют определять стойкость материалов только для конкретной серии изделий.

Для изучения механизма кавитационного воздействия и влияния внешних факторов (скорости потока, количества растворенных газов, наличия твердых частиц и др.) используются гидродинамические трубы [16]. Однако интенсивность получаемой в них эрозии невелика, а испытания длительны и трудоемки.

периодического расширения и сжатия кавитационной полости. Однако известно, что после кавитационного воздействия в микрообъемах обнаруживается пластическая деформация металла как результат микроударного воздействия жидкости. По-видимому, и в этом случае происходят гидравлические удары, вызывающие те же явления. Как видно, разрушение при кавитации вызывается сложным механическим воздействием малых объемов жидкости в условиях влияния физико-химических процессов, протекающих при кавитации.

Создание напряженного состояния металла при испытаниях экспериментальных образцов на лабораторных установках связано с определенными трудностями. Необходимо учитывать релаксацию напряжений, которая заметно проявляется в поверхностном слое образца в начальный период кавитационного воздействия. Для испытания образцов под напряжением необходимо постоянное влияние нагрузки на поле напряжений. При падении напряжения от кавитационного воздействия начальное напряжение должно непрерывно восстанавливаться постоянным нагружением образца.