Эрозионное изнашивание. 
Основы трибологии

Эрозионное изнашивание происходит при воздействии на поверхность материала потока жидкости или газа.

В зависимости от вида воздействующих сред вещества различают гидроэрозионные, газоэрозионные, электроэрозионные виды изнашивания, а также кавитацию и абляцию.

Характерной особенностью проявления эрозионного изнашивания является образование неровностей и огрубление поверхности в результате удаления локальных микрообъемов материала при воздействии потока среды.

Интенсивность эрозионного изнашивания зависит от скорости потока, угла атаки, механических свойств и концентрации воздействующих частиц, агрессивности среды, физико-механических и химических характеристик поверхностных и приповерхностных слоев материала.

Гидроэрозионное изнашивание представляет собой изнашивание в результате воздействия на твердое тело потока жидкости. Разрушение твердого тела обусловлено трением и ударами сплошного потока о поверхность. Трение вызывает расшатывание и вымывание микрообъемов материала. Скорость изнашивания в этом случае мала. Динамическое (ударное) воздействие потока или струи способно в зависимости от свойств материала вырывать объемы материала или группы зерен с неблагоприятной ориентацией в отношении к действующим силам. В пластичных материалах, обладающих способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда их способность к упрочнению исчерпается, они разрушаются и удаляются. Жидкость, внедряющаяся в образовавшиеся при ударах микротрещины, раздвигает подобно клину боковые стенки.

Гидроэрозионному изнашиванию подвержены острые кромки золотников гидравлических агрегатов, клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических систем и т. д.

Кавитационное изнашивание. При воздействии на твердое тело потока жидкости, содержащего пузырьки газа, которые схлопываются вблизи поверхности гидроэрозионное изнашивание переходит в кавитационное изнашивание.

Этот вид изнашивания происходит в потоке, движущемся с большой скоростью, при его сужении и наличии препятствий его движению. В результате этого давление в потоке может упасть до давления, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. Происходит разрыв потока и нарушение его сплошности. Образовавшаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Пузырьки с размерами порядка десятых долей миллиметра перемещаются вместе с потоком и попадают в зоны высоких давлений. Водяной пар конденсируется, газы растворяются, а в образовавшиеся микропустоты с ускорением устремляются частицы жидкости. Происходит восстановление сплошности потока, сопровождаемое ударом. Ударные волны, воздействуя на поверхность, приводят к отделению микрообъемов материала. Кавитационный износ характерен для деталей машин, эксплуатируемых в жидких средах. На поверхности трения образуются микродефекты, называемые кавернами. Частота образования каверн Н характеризуется критерием Струхаля:

(9.3).

где Н — число каверн, возникающих в секунду; d — характерный размер тела; V — скорость потока жидкости.

При кавитационном изнашивании происходит увеличение шероховатости поверхности, подобное химической коррозии.

Этому виду изнашивания подвержены гребные винты, лопатки центробежных и пропеллерных насосов, лопасти гидравлических турбин.

Уменьшить кавитационный износ можно конструктивными решениями, проектируя гидромеханическую систему таким образом, чтобы давление во всех точках потока не опускалось ниже давления парообразования. Другим способом борьбы с кавитационным изнашиванием является введение в воду веществ, образующих или способствующих образованию эмульсий, понижающих поверхностное натяжение жидкой среды. Стойкость к кавитационному изнашиванию увеличивают также легированием сталей никелем, хромом или применяя специальные методы обработки: закалку с нагревом ТВЧ, цементацию, наплавку твердыми материалами.

Газоэрозионное изнашивание представляет разновидность эрозионного изнашивания в результате воздействия на поверхность твердого тела потока газа. Механизмы газоэрозионного и гидроэрозионного изнашивания подобны.

Газоэрозионное изнашивание, например, происходит на поршневых кольцах авиационных двигателей в результате прорыва газов. При этом наименее прочные частицы сплава в результате локального разогрева рабочей поверхности кольца отрываются и уносятся потоком газов. Более прочные структурные составляющие сплава, оказываясь изолированными, в дальнейшем также разрушаются. На поверхности трения образуются характерные продолговатые раковины с ответвлениями.

Если газовая среда имеет высокую температуру, то наблюдается абляционное изнашивание, при котором происходят химические превращения и деструкция поверхностных слоев материала изделия. Абляционному изнашиванию подвержены наружные элементы космических объектов при прохождении ими плотных слоев атмосферы, головки плазменных горелок, сопла реактивных двигателей и т. д.

Электроэрозионное изнашивание происходит при воздействии электрических разрядов на поверхности трения. Этот вид изнашивания характерен для электрических контактов, токосъемников, коллекторов электрических машин и является результатом нескольких видов изнашивания: механического и электрического.

Электрическое изнашивание зависит от механизма токопрохождения через контакт и материала контактных элементов и в основном обусловлено переносом ионов материала одного элемента на другой, фриттингом оксидных пленок, приводящим к увеличению молекулярных сил сцепления между чистыми металлами и последующим микросхватыванием и вырыванием; искрением и дугообразованием, приводящим к выделению в зазоре между контактами большой тепловой энергии и испарению или разбрызгиванию металла в контактный зазор с резким ухудшением гладкости поверхности, что в свою очередь увеличивает механический износ пары трения.

Механическое изнашивание в электрических контактах происходит по механизмам, аналогичным для пар трения, работающих с небольшими нагрузками. Уменьшение величины электроэрозионного изнашивания электрических контактов достигается применением специальных смазочных составов.