楊運(yùn)宇，余 瑾，張 川，王健軍

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

磨損作為材料失效的主要形式，大約有50%的設(shè)備損壞是由于磨粒磨損所致[1].在礦山、港口、建筑工地等場(chǎng)所，機(jī)械設(shè)備的工作對(duì)象大多為含砂水流或含顆粒的流體.磨粒磨損的發(fā)生與設(shè)備材料的特性和設(shè)備的工況條件是緊密相連的.不同的工作環(huán)境下，對(duì)應(yīng)的磨粒磨損機(jī)理，磨損特性也有所不同.由于水為介質(zhì)，設(shè)備磨損的機(jī)理很復(fù)雜，這給研究帶來(lái)了一定困難[2].若以實(shí)際作業(yè)設(shè)備進(jìn)行研究，成本高，也不具有普遍性[3-5].水流沖磨屬于固液兩相流體的磨粒磨損，關(guān)于水流沖磨理論的研究成果較少，本試驗(yàn)利用自主研制的實(shí)驗(yàn)機(jī)，探索了相對(duì)磨損角度對(duì)過(guò)流部件磨損的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為“閉式側(cè)體旋轉(zhuǎn)型”漿料磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖.其主要結(jié)構(gòu)由三大部分組成：(1)智能控制臺(tái)——精準(zhǔn)設(shè)置并控制運(yùn)轉(zhuǎn)速度、時(shí)間以及各項(xiàng)安全反饋機(jī)制操作，以確保試驗(yàn)機(jī)安全有效地運(yùn)行；(2)一體式電機(jī)減速機(jī)；(3)試驗(yàn)機(jī)主體系統(tǒng).將過(guò)流部件試樣加工出一定傾斜角度，裝入容器側(cè)壁，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)使?jié){液旋流沖刷試樣.試驗(yàn)時(shí)，試樣位置如圖2所示.分別對(duì)不同傾角的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，以研究相對(duì)沖磨角度對(duì)過(guò)流部件磨損的影響規(guī)律[3].

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic experimental equipment diagram

圖2 試驗(yàn)機(jī)主體系統(tǒng)Fig.2 Test subject system

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試料硬度及加工

試驗(yàn)前對(duì)低速環(huán)流砂粒設(shè)備中不同部位過(guò)流部件材料的表面硬度進(jìn)行測(cè)試.分別選取C鋼Q235、合金鋼40Cr、鋁合金ZL102作為試驗(yàn)機(jī)管路、軸桿以及基座和外殼的材料[6-8].對(duì)3種材料表面硬度的測(cè)試結(jié)果列于表1.

表1 材料的表面硬度值

將以上3種材料分別按相對(duì)底面斜度為0°，15°，30°，45°，60°，90°進(jìn)行加工，加工后對(duì)其表面進(jìn)行清洗、烘干，備用.

1.2.2 試驗(yàn)步驟

將清洗、烘干的試樣進(jìn)行編號(hào)、稱(chēng)重后，裝入試驗(yàn)機(jī)一端，然后將一定粒徑的含砂量100 g/L的漿料加入試驗(yàn)機(jī)內(nèi).將變頻器調(diào)至50HZ(試驗(yàn)機(jī)內(nèi)相對(duì)運(yùn)行速度為2.0 m/s)，設(shè)計(jì)每天工作8 h，每隔6天對(duì)過(guò)流部件試樣進(jìn)行稱(chēng)量，并計(jì)算磨損量.

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了判斷含砂粒水流對(duì)過(guò)流部件的磨損程度和不同材料的抗磨損性能，在砂粒磨損試驗(yàn)中，常采用“磨損強(qiáng)度”來(lái)表征砂粒磨損[9-11].質(zhì)量磨損強(qiáng)度Qm定義為單位時(shí)間48 h內(nèi)，材料單位表面積被磨損的質(zhì)量，如式(1).

Qm=△m/S.

(1)

式(1)中△m——試樣質(zhì)量損失；S——試樣過(guò)流表面積.

為了比較不同密度材料的磨損強(qiáng)度，需同時(shí)比較單位面積材料被磨損的體積.因?yàn)橛行┑兔芏炔牧系馁|(zhì)量損失小而其體積磨損特別大，體積損失大，其磨損強(qiáng)度同樣不好.設(shè)備部件尺寸的變化對(duì)其工作性能的影響要比其質(zhì)量變化大很多.因此，采用體積損失計(jì)算更合理.但考慮實(shí)際情況中，破壞痕跡是不均勻的，體積磨損難于測(cè)量，在質(zhì)量磨損強(qiáng)度Qm的基礎(chǔ)上定義體積磨損強(qiáng)度Qv=Qm/ρ，ρ為試樣密度，單位mm.即由理論公式推算可知，體積磨損強(qiáng)度Qv的物理意義為單位面積內(nèi)試樣的平均磨損深度.

表2 試樣密度

根據(jù)自定義的判斷數(shù)據(jù)——質(zhì)量與體積磨損強(qiáng)度，主要對(duì)不同工況條件下過(guò)流部件材質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ妊芯縖12-14].

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 相對(duì)沖磨角度對(duì)磨損強(qiáng)度的影響

在漿料含砂量100 g/L、相對(duì)運(yùn)行速度2.0 m/s、砂粒粒徑0.5 mm的試驗(yàn)條件下，相對(duì)沖磨角度對(duì)Q235，40Cr，ZL102三種材料的質(zhì)量磨損強(qiáng)度Qm與體積磨損強(qiáng)度Qv的影響如圖3和圖4所示.由圖3可知，相對(duì)沖磨角度對(duì)三種材料質(zhì)量磨損強(qiáng)度的影響規(guī)律基本相同.隨相對(duì)沖磨角度的增大，質(zhì)量磨損強(qiáng)度增加到某一峰值后緩慢下降.材料Q235的最大質(zhì)量磨損強(qiáng)度出現(xiàn)在30°附近，40Cr的最大質(zhì)量磨損強(qiáng)度出現(xiàn)在45°附近，ZL102的最大質(zhì)量磨損強(qiáng)度出現(xiàn)在15°附近.3種材料磨損后，Q235質(zhì)量損失高于其他兩者.由圖4可知，隨相對(duì)沖磨角度的增大，體積磨損強(qiáng)度增加到某一峰值后緩慢下降.材料Q235的最大體積磨損強(qiáng)度出現(xiàn)在30°附近，40Cr的最大體積磨損強(qiáng)度出現(xiàn)在45°附近，ZL102的最大磨損強(qiáng)度出現(xiàn)在15°附近.3種材料磨損后，ZL102的體積損失最為嚴(yán)重.

圖3 相對(duì)沖磨角度對(duì)質(zhì)量磨損強(qiáng)度的影響Fig.3 Relationship between the relative impact angle and the mass wear strength

圖4 相對(duì)沖磨角度對(duì)體積磨損強(qiáng)度的影響Fig.4 Relationship between the relative impact angle and the volume wear strength

2.2 相對(duì)沖磨角度對(duì)磨損形式的影響

砂粒沖磨材料表面時(shí)，砂粒的速度方向與材料表面之間的夾角為相對(duì)磨損角度α.圖5為砂粒沖磨試樣表面的示意圖(忽略砂?？赡芤蜃赞D(zhuǎn)帶來(lái)的影響).

圖5 砂粒沖磨試樣表面的示意圖Fig. 5 The schematic diagram of sand abrasion the surface of the sample

對(duì)于表面被具有一定速度v(沖磨動(dòng)能)的砂粒所造成的磨損，可以分為下列兩種情況進(jìn)行討論，詳見(jiàn)圖6.

(1)磨損為純變形磨損(圖6曲線Ⅰ)：砂粒沖磨動(dòng)能的垂直分量決定材料的磨損量.在小角度范圍內(nèi)(α=0°～α0°)砂粒垂直分量不足以使材料產(chǎn)生變形磨損.隨α增大，其垂直動(dòng)能分量增加，磨損強(qiáng)度增加.在α=90°時(shí)產(chǎn)生的磨損量最大.

(2)磨損為純切削磨損(圖6曲線Ⅱ)：砂粒沖磨動(dòng)能的垂直分量確定其壓入試樣表面的深度，其水平分量完成切削運(yùn)動(dòng)，最終造成體積微損失.在α=0°或α=90°時(shí)(不計(jì)砂粒自轉(zhuǎn))材料無(wú)切削磨損.α=0°時(shí)砂粒不能壓入材料表面，α=90°時(shí)砂粒不能水平切削運(yùn)動(dòng).在0°～90°之間的某一角度αmax有最大磨損量.

圖6 相對(duì)沖磨角度-磨損特性曲線Fig.6 Relative grinding angle and wear characteristic curve

典型脆性材料不接受塑性變形，無(wú)切削磨損，其磨損量是由材料反復(fù)變形和碎裂構(gòu)成的，對(duì)應(yīng)圖6特性曲線Ⅰ.典型彈性材料未能達(dá)到使其破裂的臨界值時(shí)，無(wú)變形磨損，對(duì)應(yīng)圖6特性曲線Ⅱ.

一般金屬材料的特性介于脆性材料與彈性材料之間，均屬于韌性材料.故實(shí)際試樣在磨損過(guò)程中，均包含切削與變形磨損兩個(gè)部分，其相對(duì)沖磨角度-磨損特性如圖6中曲線Ⅲ所示.ZL102硬度低而軟，因此其相對(duì)沖磨角度-磨損特性曲線更接近典型的柔性材料，大約在αmax為15°左右有最大磨損量.隨相對(duì)沖磨角度增大，磨損量減輕.在三種材料中40Cr試樣的表面硬度最大，αmax為45°左右，脆性?xún)A向最明顯.而普通碳鋼Q235介于兩者之間，其特性曲線的峰值約在 20°～40°之間.對(duì)三種試樣材料在相對(duì)沖磨角度0°～90°范圍，出現(xiàn)最大磨損量所對(duì)應(yīng)的角度隨材料硬度(脆性)增大而增大.

3 結(jié) 論

(1)隨相對(duì)沖磨角度的增大，Q235、40Cr和ZL102三種材料的質(zhì)量磨損強(qiáng)度和體積磨損強(qiáng)度增加到某一峰值后緩慢下降，其最大質(zhì)量磨損強(qiáng)度和體積磨損強(qiáng)度分別出現(xiàn)在30°，45°和15°附近.

(2)金屬材料的特性介于脆性材料與彈性材料之間，在磨損過(guò)程中均包含切削與變形磨損兩個(gè)部分.在相對(duì)沖磨角度0°～90°范圍，出現(xiàn)最大磨損量對(duì)應(yīng)的角度隨材料硬度(脆性)增大而增大.

(3)用Q235材料制備的過(guò)流部件應(yīng)避免出現(xiàn)20°～40°彎角，并應(yīng)根據(jù)使用年限相應(yīng)加厚管路壁厚；用40Cr材料制備的過(guò)流部件可在設(shè)備中做關(guān)鍵零部件，如精度要求高的軸件等，需設(shè)計(jì)成與漿液低角度沖磨，以降低磨損量；ZL102材料的密度小、質(zhì)量輕可作為設(shè)備外殼，輕巧耐用，其表面易自然產(chǎn)生一層致密牢固的氧化膜，能很好地保護(hù)設(shè)備不受腐蝕，并應(yīng)避免小角度沖磨切削.