Міністерство освіти України

Технологічний університет Поділля

Стечишин Мирослав Степанович

УДК 620:193.16.664

МЕТОДИ ОЦІНКИ І ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ДЕТАЛЕЙ ОБЛАДНАННЯ ХАРЧОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ ПРИ КОРОЗІЙНО-МЕХАНІЧНОМУ ЗНОШУВАННІ

Спеціальність 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня доктора технічних наук

Хмельницький, 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький)

Науковий консультант - Доктор технічних наук, професор

Олександр Іванович Некоз, Український державний університет харчових технологій, зав. кафедрою

(м. Київ)

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, професор Євдокімов Вадим Дмитрович, Одеський державний морський університет, зав. каф. судоремонту, м. Одеса;

2 Доктор технічних наук, професор Тищенко Генадій Петрович, Український державний хіміко-технологічний університет, проф. каф. хімічного опору матеріалів і захисту від корозії, м. Дніпропетровськ;

3 Доктор технічних наук, професор Кислий Олександр Олександрович, академія прикордонних військ України, зав. каф. загальнонаукових та інженерних дисциплін, м. Хмельницький.

Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м.Київ

Захист відбудеться “24” грудня 1998 р. о 10–й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, Ш учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці університету за адресою:

280016, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/2.

Автореферат розісланий “23” листопада 1998 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Калда Г. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз роботи обладнання підприємств хар-чо-вої промисловості свідчить, що його недостатня надійність і довго-віч-ність, в багатьох випадках, зумовлена інтенсивним корозійно-механічним зно-шу-ван-ням (КМЗ) деталей при їх контакті з корозійно-активними сере-до-ви-щами (КАС) харчових виробництв. КАС харчової промисловості - це водні роз-чи-ни, які в широких межах відрізняються між собою реакцією (РН 2...14), тем-пературою, густиною, в’язкістю, вмістом різних розчинних і нерозчин-них компонентів, насамперед цукрози (15...65%), органічних кис-лот, поверхнево-активних речовин, абразивних домішок тощо. Тому дос-лідження процесів КМЗ в технологічних середовищах харчових вироб-ництв має не тільки прак-тичне, але і наукове значення. Крім того, проблема надійності роботи обладнання харчової промисловості важлива тому, що виве-ден-ня його з ладу спричиняє не лише зниження продук-тив-ності під-приємства, але і часто призводить до його повної зупинки та значних втрат внаслідок псування продуктів і вихідної сировини.

Про економічне значення проблеми підвищення надійності і довго-віч-ності свідчить той факт, що за 10 років на ремонт обладнання харчових підприємств України витрачаються кошти, які дорівнюють повній вартості основних виробничих фондів, а вартість добового простою одного цукро-во-го заводу середньої потужності складає біля 40 тисяч гривень.

У зв’язку з переходом України до умов ринкової економіки, з одно-час--ним зростанням вимог до продуктивності, надійності і ефек-тив-ності робо--ти обладнання виникає проблема забезпечення мінімаль-них витрат при його виготовленні та експлуатації. Тому прогнозування і мето-ди оцінки дов-го-віч-ності та надійності роботи технологічного облад-нан-ня, машин і апаратів харчових виробництв мають важливе значен-ня. Вже на стадії проектування і виготовлення деталей необхідно мати розрахункові показники надійності та довговічності їх роботи залеж-но від умов експлуатації, виду та агресивності робочого середовища, типу термічної і хіміко-термічної обробки (ХТО) металів тощо.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота відповідає приоритетним напрямкам розвитку науки та техніки (п.3, п.6) затвердженими Постановою ВР України № 2705 від 16.10.92 р. і Наказом Міносвіти України № 330 від 04.12.95 р., відповідає Державній науково–технічній програмі 05.44.11 “Застосування в промисловому виробництві іонно–плазмової технології ” та плану проведення науково–дослідних робіт кафедри машинознавства ТУ Поділля за темою: “Підвищення надійності і довговічності роботи деталей машин”.

Мета та задачі дослідження полягають у розробці на базі теоретичних і експери-ментальних досліджень наукових основ і методів оцінки зносо-стій-кості при КМЗ металів, підвищення надійності та довговічності робо-ти деталей техноло-гічного облад-нання з використанням досягнень сучасних, прогресивних технологій зміцнення. Цій меті підпорядковані такі задачі:

1. Розробка методів комплексного дослідження зносостійкості мате-ріалів і деталей в корозійно-активних середовищах. 2. Теоретичні та експериментальні дослідження зношування та руйнування поверхневих шарів матеріалів і оцінка їх зносостійкості при терті та при мікроударному навантаженні в КАС. 3. Дослідження ролі корозійного фактору руйнування залеж-но від характеристик робочих рідин, активності їх дії на поверхню при кавітації та від умов навантаження фрикційного контак-ту при терті. 4. Одержання фізико–механічних моделей руйнування поверхне-вих шарів матеріалів при КМЗ в рідинних середовищах і прогнозу-ван-ня на цій основі довговічності деталей обладнання. 5. Розробка та практична перевірка нових технологічних рішень підвищення довговічності деталей обладнання хар-чо-вої про-мис--ло-вості шляхом обгрунтованого вибору конструкцій-них мате-рі-а-лів, захис-них покриттів, видів і оптимальних режимів зміц-ню-вальних техно-ло-гій, а також розробка та впровадження у виробниц-тво нових способів і прогресивних технологій зміцнення деталей.

Для вирішення поставлених задач застосо-ву-вались теоретичні та експериментальні методи і засоби досліджень КМЗ матеріалів з урахуванням комплексу явищ, що супро-воджують зношування поверхонь у рідинних робочих середовищах.

Дослідження процесів руйнування при КМЗ у середовищах прово-ди-лось на основі положень фізико-хімічної механіки матеріалів, розроблених П.О. Ребіндером, О.О. Ахматовим, Г.В. Карпенко, Г.О. Прей-сом, М.А. Сологу-бом, О.І. Некозом та іншими дослідниками, а при каві-та-ційному руйнуванні на основі структурно-енергетичної теорії зношу-ван-ня, розвинутих Л.І. Пого-да-євим, О.І. Некозом, Ю.М. Цвєт-ко-вим, яка базується на структурно-енергетичній теорії втомлюваності металів В.С. Іванової, втомної теорії зношування І.В. Крагельського, явищ стру-к-тур-ного пристосування поверхне-вих шарів при терті Б.І. Костецького, положень кінетичної теорії міцності С.М. Журкова з використанням теорії дислокацій, фізики міцності та пластичності металів.

Експериментальні дослідження містили:

1. Аналіз умов роботи деталей технологічного обладнання і видів їх зношування. 2. Дослідження процесів зношування матеріалів на лабо-ра-тор-них стендах у модельних розчинах і робочих середовищах харчових вироб-ництв. 3. Вивчення процесів руйнування поверхневих шарів з допомогою мета-лографічного, рентгеноструктурного, феромагнітного (ФМР), електро-хі-мічного та інших методів аналізу. 4. Дослідження зміни характеру дефор-му-вання і руйнування робочих поверхонь зразків та деталей після прове-ден-ня різних видів поверхне-во-го зміцнення. 5. Апробацію одержаних теоретич-них і експерименталь-них результатів у виробничих умовах.

При виконанні роботи широко застосовувались ЕОМ і сучасні методи ммтематичної статистики – активне планування експерименту, коре-ля-ційний аналіз даних, теорія графів.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Одержано нові дані про вплив КАС на процеси зношування та руй-ну-вання робочих поверхонь, що дало можливість на основі положень фізико-хімічної механіки матеріалів розробити науково обгрунтовану схему аналізу та дос-лідження процесів КМЗ матеріалів.

2. На базі структурно-енергетичної теорії зношування, гідродинаміч-ної теорії по-ши-рення ударних хвиль та рів-нянь неоднорідних суцільних середо-вищ в пружно-пластичній області одержані критерії та основні рівняння кавітаційно-ерозійної зносостійкості мате-ріалів.

3. Розвинена методика визначення корозійного фактору при КМЗ металів шляхом комп’ютер-ної обробки поляризаційних кривих, внаслідок чого одержано аналі-тич--ні залежності та співвідношення між корозійним і механічним факто-рами руйнування, що, в свою чергу, дало можливість роз-робити методи оцінки та прогнозування довговічності деталей облад-нан-ня.

4. Встановлено взаємозв’язок між складом, структурою зміцненого шару, параметрами кристалічної будови та довговічністю азотованих деталей при їх КМЗ.

5.  З позицій теорії дислокацій розглянуто циклічний характер зміни енергоємності поверхневих шарів металів і їх зносостійкості при КМЗ в аг-ресивних середовищах.

6. На основі попереднього наводнювання повер-хонь ме-талів розроблено нові спосо-би та технології ХТО, що підтверджені ав-торсь-кими свідотцтвами і на основі яких досягнуто значного підвищення зно-состійкості деталей.

7. На базі моделей Орована і Мотто-Набарро вико-на-но теоретичні розрахунки зміцнення зон внутрішнього азотування, які пока-за-ли значні потенційні можливості одержання азотованих поверхонь з мак-си--маль-ними характеристиками міцності за рахунок оптимального легу-ван-ня матриці нітридами і карбідами та цілеспрямованого керуван-ня морфо-ло-гією цих фаз. Показано, що висока гнучкість пристосування азотованих повер-хонь до зміни зовнішніх умов навантаження поясню-ється функціо-нальною по-ведінкою “debris  шару” та умовою мінімізації E/A, що дає змогу нау-ко-во-обгрунтовано керувати зносостійкістю зміцнених поверхонь при їх КМЗ.

Практичне значення одержаних результатів

Одержано статистичні дані про надійність та довговічність деталей обладнання при їх зношуванні в КАС харчових виробництв, зокрема проведено комплексне дослідження зносостійкості деталей відцентро-вих насосів. Розроблені способи і методи прискореного визначення зносо-стій--кості матеріалів при КМЗ. Розроблені методики оцінки довго-віч-ності захисних полімер-ком--по-зиційних, термодифузійних та іонно-азотованих покриттів, що дозво-ляє науково обгрунтовано підходити до вибору зміц-ню-вальних техноло-гій, створенню нових способів та тех-но--логій ХТО. Роз-роб-ле-ні рекомендації по вибору матеріалів і застосу-ванню зміцнювальних техно-логій обробки деталей обладнання з метою підвищен-ня їх дов-го-віч-ності. Впроваджені у виробництво нові способи термодифузійного хромування та іонного азотування; визначені опти-мальні режими хрому-вання та азоту-ван-ня; на основі методів кореляцій-ного аналізу і теорії графів одержані рівняння регресії, що дозволяють прогнозувати довговіч-ність одержаних покриттів.

Реалізація результатів роботи. Основні результати роботи переві-рені у виробничих умовах і використовуються на ряді підпри-ємств України: Хмельницький м’ясокомбінат, Хмельницький завод АДВІС-Запчастина, ВАТ Тернопільський комбайновий завод, Кам’янець-Подільський цукрозавод, Тернопільський завод безалкогольних напоїв та інші. Розроблені ме-то-дики оцінки кавітаційно-ерозійної стійкості металів і захис-них покриттів використовуються в Київському НВО “Харчомаш”, фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України при виборі і створенні нових зносостійких матеріалів і покриттів.

Одержані результати використовуються у навчальному процесі Українського державного університету харчових технологій (м. Київ), Тех-но-ло-гіч-ного університету Поділля (м. Хмельницький) та в Тернопіль-ському приладобу-дівному інституті.

Особистий внесок здобувача

-Виявлення, на основі аналізу і узагальнення сучасних результатів та даних власних досліджень, природи корозійно-механічного зношування та механізму його протікання, що стало основою для проведення експериментальних та аналітичних досліджень;

- розробка аналiтичних моделей та основних рiвнянь кавiтацiйно –ерозiйного зношування матерiалiв з врахуванням корозiйної активностi середовищ;

- обгрунтування, розробка та розвиток основних принципiв i методик прог-но-зування зносостiйкостi поверхневих шарiв матерiалiв при їх корозiйно-механiчному зношуваннi;

- дослiдження, розробка та впровадження технологiй змiцнення поверхонь шляхом iнтенсифiкацiї дифузiйних процесiв при ХТО;

- обгрунтування та розробка методик експериментальних дослiджень та комплексного визначення стану поверхневих шарiв матерiалiв при їх контактi з середовищами-електролiтами;

-участь у постановцi та проведеннi експериментальних дослiджень, узагальнення їх результатiв.

-перевірка результатів досліджень в виробничих умовах та впровадження їх у виробництво.

Окремі результати роботи одержані з використанням положень структурно-енергетичної теорії кавітаційно - ерозійного зношування металів, обговорювалися і уточнювалися з її автором Л. І. Погодаєвим, дістали подальший розвиток і доповнені положення нового розділу фізико-хімічної механіки КМЗ металів у середовищах харчових виробництв, започаткованих Г. О. Прейсом, М. А. Сологубом, О. І. Некозом. В роботі також використані наукові основи іонного азотування та обладнання для його реалізації розроблені В. Г. Каплуном.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі розділи допові-да-лись і обговорювались з 1982 по 1998 р. на 42 симпозіумах, науково-технічних конференціях і семінарах, з них 5 міжнародних, 9 всесоюзних, 10 рес-публіканських та міжрегіональних, 18 регіональних та обласних, у т.ч. на: Міжнародному симпозіумі Прочность материалов и элемен-тов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагру-же-ния (Київ, 1984); всесоюзній науково-технічній кон-фе-ренції Новые материалы и технологии термической обработки метал-лов (Київ, 1985); республі-канській науково-технічній конференції Повыше-ние надежности и долго-веч-ности машин и сооружений (Дніп-ро--пет-ровськ, 1985); всесо-юз-ній науково-технічній конференції Новые мате-ри-алы и упрочняющие техноло-гии на основе прогрессивных мето-дов в термической и химико-термической обработке в автостроении (Тольят-ті, 1986); всесоюзній науково-технічній конференції Интенси-фи-ка-ция технологических процес-сов механической об-ра-ботки (Ленін-град, 1986); зональній науково-тех-ніч-ній конференції Про-г-рес-сив-ные технологии упрочнения деталей ма-шин и инструмента с приме-не-нием источников с высокой концентрацией энергии (Пенза, 1986); всесоюз-но-му науково-технічному семінарі Техно-логия и оборудование для но-вых прогрессивных методов ХТО деталей тракторов и сельхоз-ма-шин (Волгоград, 1988); всесоюзній науково-тех-нічній конференції Конст-рук-тивно-технологические методы повышения надежности и их стан-дарти-зация (Тула, 1988); всесоюзній науково-тех-нічній конферен-ції Повышение надежности и долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-терми-ческой обработ-ки (Хмельницький, 1988); всесо-юзній науково-технічній конфе-рен-ції Новые материалы и ресур-со-сберегающие технологии термичес-кой и ХТО деталей машин и инструмен-тов (Махачкала, 1989); всесоюзній науко-во-технічній конфе-рен-ції Износостойкость машин (Брянськ, 1991); між-рес-публіканській науково-технічній конференції Качество и надежность узлов трения (Хмель-ниць-кий, 1992); ІІІ науково-технічній конференції Розробка та впровадження прогресив-них технологій та обладнання у харчову та переробну промис-ловість (Київ, 1995); IV міжнародній конференції з механіки неоднорідних структур (Тернопіль, 1995), ІІІ міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 1997).

Публікації. Основні положення і результати досліджень опублі-ковані в 87 роботах (у тому числі 1 монографія) і 3 авторських свідоцтвах на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, основних висновків по роботі, списку цитованої літератури з 302 назв і 5 додатків, викладена на 289 сторінках основного та 433 сторінках повного тексту, містить 119 рисунків і 52 таблиці обсягом 144 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обгрунтування актуальності теми та коротку анотацію змісту дисертації.

В першому розділі подано загальну характеристику середовищ хар-чової промисловості та проведено аналіз корозійно-механічного зно-шу--ван-ня деталей відцентрових насосів та іншого обладнання харчових ви-роб-ництв. На основі знайдених параметрів надійності показано, що надій-ність і довго-віч-ність роботи насосів, які перекачують корозійно-активні середо-ви-ща, насампе-ред, виз-начається зносостійкістю робочих коліс, вузлів ущіль-нен-ня, а також корпусів і кришок. Аналіз довго-віч-ності робочих коліс відцен-тро-вих насосів показав, що інтен-сивність їх відмов у кислих середовищах значно вища ніж у лужних і ней-тральних. При цьому швидкість руйнування робо-чих коліс визначається коловою швидкістю, а акумуляційний період (час до по-чатку руйнування) визначає час настання максимального (кри-тич-ного) напруженого стану повер-хне-вих шарів металу. Встановлено, що між і коловою швидкістю робочих коліс існує статистична залежність:

, (1)

де К, год. - залежить від типу насосу і робочого середовища, наприклад, К=2,5103 год. - для робочих коліс насосів СОТ-30 і К=5,3103 год. - для коліс насосів СОТ-150 в дифузійному сокові; в = i / min - відносна колова швидкість обертання коліс; min - мінімальна колова швидкість обертання; i –швидкість, що відповідає і зоні руйнування.

Аналіз та узагальнення характеру руйнування поверхонь тертя при наявності корозійно-активних середовищ на основі сучасних науко-вих дос-лід-жень та експериментальних даних дозволяє розглядати КМЗ металів як процес, в основі якого лежить втомно-електрохімічна приро-да. При терті різ-но--рід-них металів у КАС на фрикційному контакті вини-кає корозійний макроелемент, який характери-зу-єть-ся величиною електродного потенціалу. Внаслідок імпульсного характеру проце-сів тертя можна виділити дві складові потенціалу: , де,  - постійна і змінна частини електродного потенціалу відповідно. При цьому адсорбція контро-лю-ється встановленим потенціалом , а на локалізовану адсорбцію поверх-нево-активних речовин (ПАР) значний вплив мають коливання потен-ціалу . Ад-сор-бція приводить до суттєвого зниження поверхневих бар’єрів, що гальмують рух дислокацій і полегшується їх вихід на повер-х-ню. Внас-лі-док гетерогенно – електрохімічної корозії виникаючі мікроеле-мен-ти спри-я-ють активному анодному розчинен-ню металу, особливо в міс-цях ви-хо-ду дислокацій. Останнє сприяє полег-шенню втомного руйнування в цих місцях. Таким чином КМЗ - це складний процес, в яко-му електро-хімічні про-цеси відіграють роль каталізатора втомного руй-ну-ван-ня. Тертя і каві-та-ція, в свою чергу, активі-зують протікання електро-хіміч-ної корозії. При цьому необхідно підкреслити, що в роботі розгля-да-ють-ся і аналі-зу-ються процеси КМЗ не тільки в системі метал 1 + метал 2 + сере-довище (М1+М2+С), але і КМЗ в системі метал + середовище (М+С).

Критичний аналіз теорій кавітаційно-ерозійного зношування пока-зав, що структурно-енергетична теорія зношування Л.І. Погодаєва в най-біль-шій мірі дозволяє дослідити кінетику та закономірності кавіта-цій-ного і абра-зивного зношування матеріалів. На базі цієї теорії, використовуючи рівняння неоднорідних суцільних середовищ в пружно-плас-тичній області та гідро-ди-намічну теорію поширення ударних хвиль, отримано рівняння енерге-тич-но-го балансу при деформації кінце-во-го об’єму зношуваного металу. Вра-ху-вав-ши термодинамічні процеси при зношуванні та уявивши зношуваний матеріал у вигляді гетероген-но-го середовища, яке складається з матриці в відносній кількості і більш пружних включень другої фази , так що , отримано рівняння зношування при циклічному мікро-удар-ному навантаженні:

, (2)

де VN - об’ємний знос після N циклів навантаження; е - коефіцієнт поглинання енергії металом; і - усереднена в об’ємі зношуван-ня критична і початкова густина потоку потужності деформації; f(N) - функція зміни числа ударів у часі; - швидкість удару; Eвн. - загальна затрачена енергія.

Величина , як показав аналіз експериментальних і теоре-тич--них досліджень, може бути використана як критерій зносо-стій-кості матеріалів:

, (3)

де - густина внутрішньої енергії матеріалів; кр - критична швидкість удару; - істинна питома енергія в зоні руйнування мате-ріалу; - коефіцієнт акумулювання внутрішньої енергії і рівномірність її розпо-ділу в поверхневих шарах матеріалів.

Використавши вихідне рівняння інтенсивності кавітаційно-ерозійного зношу-ван--ня у вигляді

, (4)

де t=ti-ак; N=Ni-Nак і враховуючи нормальний закон розподілу кавітаційних імпульсів, одержимо рівняння інтенсивності кавітаційно-ерозійного зношування

, (5)

де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти мікроу-да-рів; n=2 - при гідродинамічній і n=1,45 при вібраційній кавітації.

Інтегруючи залежність (5) і нехтуючи зносом на початковій ста-дії руйнування, одержуємо залежність об’ємного зношування від часу

, (6)

де Nак - число імпульсів за час ак; V0 - знос за час ак; h - відхилення випадкових динамічних напружень i від т (прийнято, що втомне руйнування матеріалу прохо-ди-тиме в випадку перевищення періодично виникаючих напружень i гра-ни-ці текучості т, яка зміню-ється від початкового то до найбільшого значення в момент макси-мального накопичення енергії деформації, що відповідає Hmax на рис. ); - інтеграл вірогідності, який свідчить про імовірність того, що довговічність T при заданій інтенсивності зношу-ван-ня за абсолютним значенням менша t, тобто .

Аналіз одержаних результатів вказує на можливість представ-лен-ня інтенсивності зношування J0 в формулі (6) у вигляді степеневої і експоненціальної функції, а саме:

(7)

, (8)

де - густина потоку енергії кавітаційних імпульсів; m - показник степе-ня, що для більшості конструкційних матеріалів змінюється в межах від 0,67 до 2,0.

Вплив корозійних процесів на загальні втрати об’єму при значній перевазі механічного фактору руйнування можна врахувати , де kк = 1,0...1,1 - коефіцієнт корозії (визначений по даних дос-ліджень на установці з магнітострикційним вібратором). При суттєвому впливі коро-зійного фактору зношування загальні втрати при руйнуванні розглядаються як сума втрат від дії механічного та корозійного факторів, тобто

Vзаг=Vмех+Vкор, або Gзаг=Gмех+Gкор. (9)

Отже, основні рівняння кавітаційно-ерозійного зношуван-ня (5...9) необхідно доповнити аналітичними залежностями корозійного фактору руй-ну-вання, що враховували б електрохімічні характеристики робочих сере-до-вищ.

В другому розділі на основі обстеження обладнання харчової промисловості вибрані матеріали для проведення досліджень, а також підібрані розчини, що моделюють нейтральні, кислі і лужні середовища харчових виробництв.

На основі аналізу літературних даних з врахуван-ням специфіки взаємодії матеріалів з середовищем, його електро-хі-міч-ни-ми ха-рак-те-ристиками, відповідністю результатів дослід-жень експлуа-та-цій--ним да-ним та можливістю порівняння результатів з дани-ми дослід-жень, що прово-дяться в Україні та за кордоном, вибрано типи лабо--ра-тор-них установок для проведення досліджень при КМЗ матеріалів. Згідно цього було сконструйовано та виготовлено ряд стендів для проведення досліджень, а також розроблені методики проведення досліджень на них, що в сукупності дозволило реалізувати поставлені в роботі завдання. Порівняльній аналіз попередніх дослідних даних, зумовив остаточний вибір експериментальних стендів. В результаті каві-таційно-ерозійна стійкість матеріалів досліджувалась на установці з маг-ніто-стрик-цій-ним вібратором (МСВ), на ударно-ерозій-но-му стенді (УЕС) та з вико-рис-тан-ням у спрощеному варіанті гідродинамічної труби (ГТ). КМЗ мате-рі-а-лів при терті - досліджувалось на установці торцевого тертя (рис. ).

Аналіз процесів руйнування матеріалів отриманих на стендах (МСВ, УЕС і ГТ) дав можливість розробити конструкцію установки (А.с. СРСР № ), яка споживає в 4 рази менше енергії при гомогенізації і емульгуванні молока порівняно з відомими аналогами.

Для розуміння процесів КМЗ матеріалів необхідно мати точні дані про співвідношення корозійного та механічного факторів руйну-ван-ня в за-леж-ності від енергії зовнішньої дії середовища, його фізико-хімічних хара-к-те-ристик, складно-напруженого стану поверхні, виду її обробки тощо. Коро-зійний фактор руйнування визначали за величи-ною струму корозії згідно рівнянь Тафеля, з врахуванням омічного па-дін-ня напруження при наявності на поверхні металу окисних плівок або покриттів

, (10)

де b - коефіцієнт Тафеля; in - струм поляризації; iк - струм корозії; R - опір приелектродного шару електроліту.

Рис. 1 - Схеми експериментальних стендів: а) ударно-ерозійний (УЕС), де 1 - зразок, 2 - ротор, 3 - розподілювач струменю, 4 - фільтр, 5 - насос, 6 - бак; б) гідродинамічна труба (ГТ), де 1 - камера, 2 - зразок, 3 - кавітатор; в) з магнітострикційним вібратором (МСВ), де 1 - вібратор, 2 - верхній і 3 - нижній зразки; г) торцевого тертя, де 1 - хвостовик, 2 - верхній і 3 - нижній зразки, 4 - ємкість

Оцінка відповідності одержаних параметрів поляризаційних кри-вих (ПК) експериментальним даним проводилась по величині середньоква-дра--тич-ної похибки , де fje і fjт - відповідно експериментальні і теоретичні значення струму корозії при заданому значенні потенціалу; n - число експериментальних точок.

За параметрами b і R, що визначались на ЕОМ для групи ПК (зви-чай-но 35), одержували дійсні ПК і екстраполяцією або за поляри-за-цій-ни-м опором визначали швидкість корозії. Різниця втрат мас, виз-на-чених гравіметричним і електрохімічним способами, не перевищує 7%.

Дослідження кількісної оцінки корозійного фактору руйнуван-ня, на основі створеної методики, дозволило розробити спосіб визна-чен-ня від-носної кавітаційно-ерозійної стійкості металів в КАС. Спосіб грунтується на інтенсифікації корозійних процесів анодною поляриза-ці-єю. Змінюючи амплітуду коливань МСВ і струм поляризації, відповід-но можна керува-ти співвідношенням корозійного і механічного фактору руйнування. Цим самим забезпечується можливість отримання показни-ків кавітаційно-ерозійної стійкості металів в лабораторних умовах, близьких до аналогічних показників, що отримані в умовах експлуатації деталей обладнання, і на цій основі виконувати розрахунки для прогно-зування їх довговічності. Крім того, на цій же ідеї грунтується і спосіб дослідження кавітаційно-ерозійної стійкості корозійностійких матеріалів (А.с. СРСР №1569668). Величина струму анодної поляризації визначається за формулою: , де m=1,2...1,4 - показник степеня, визначе-ний експериментально; iк - густина струму корозії досліджуваного матері-алу; Kпідс. - значення прискорення вели-чини об’ємного зношування на установці з МСВ порівняно з умовами експлуатації (). Запропонова-ний спосіб дослідження кавітаційно-ерозійної стійкості металів дозволяє в 3 рази скоротити час, необхідний для проведення досліджень.

В багатьох випадках існуючі методики визначення довговічності захисних покриттів (тер--мо-дифузійних, гальванічних, полімеркомпозиційних та інших) за втра--тами маси не забезпечують необхідної точ-нос-ті вимі-рю--вання і достовірність одержаних даних. Тому для оцінки характе-ристики зносостійкості покриттів введено новий параметр - довго-вічність пок-риття д , яка визначається на основі швидкості руйнування та електро-хі-мічних вимірювань (рис. 2).

Рис. - Залежність швидкості руйнування р і потенціалу термо-дифузійно хромованої сталі 45 від часу випробу-вання (д - час від початку випробування до моменту різкої зміни швидкості руйнування і потенціалу зразка з покриттям)

Для комплексної оцінки захисних властивостей покриттів їх суцільність контролювалась на основі критерію Піллінга–Бедворта , де M'-M - зміна маси при ХТО, а ' - густина покриття. Однак суцільність покриття може бути порушена наявністю в ньо-му мікропор. Мікропористість оцінювали за величиною сумарного корозій-ного струму згідно методики, розробленої І.О. Розенфельдом і Л.В. Фроло-вою. Наприклад, для визначення захисних властивостей хро-мо--вих покриттів у розчинах хлориду натрію, знімали в них катодну ПК і на неї наносили стаціонарні потенціали зразків з покриттями різної товщини, за якими визначали струми корозійних елементів системи покриття-метал. Із зменшенням величини цих струмів мікропористість та інші мікродефекти зменшуються (рис. 3).

В цьому розділі подані також технології термодифузійного хрому-ван-ня, іонного азотування, термічної і термоциклічної обробок, а також ме-то-дика визначення залишкових напружень після ХТО з врахуванням модуля пружності матеріалу, що залишається в процесі травлення зразка.

В третьому розділі на основі проведених досліджень розвинені і розширені основні положення нового розділу ФХММ – фізико-хімічної механіки кавітаційно-ерозійного зношування (КЕЗ) матеріалів в середо-ви-щах харчових виробництв, започаткованої О.І. Некозом.

Рис. – Визначення сумарних струмів корозійних елементів покриття залежно від товщини карбідної зони хромованого шару на СЧ18, мкм: 1 – 38; 2 – 47,7; 3 – 49,2; 4 – 52,2; 5 – 56,5.

Методом феромагнітного резонансу (ФМР) встановлено цик-ліч--ний характер зміни міцності поверхневих шарів металів при КЕЗ, а також вперше показано вплив концентрації розчину на кінетику зміни їх енерго-ємності (рис. ).

Оскільки H лінійно залежить від густини дислокацій, то пито-ма енер-гоємність поверхневих шарів матеріалів визначається енергією дис-лока-цій, що беруть участь в процесах деформування і руйнування , а інтенсивність зношування

(11)

де K1, K2 - коефіцієнти пропорційності; Hmax, Hmin - максимальне і мінімальне значення амплітуди коливань ліній ФМР (H) за один цикл; н і - відповідно, періоди зміцнення і всього циклу зміцнення-руйнування (по кривих на рис. ).

Отже, встановлено, що КАС, сприяючи виходу дислока-цій на поверхню, зменшують енергоємність поверхневих шарів металів і їх зносостійкість при КЕЗ.

Одержано дані про корозійну стійкість металів і сплавів у роз-чи--нах хлориду натрію залежно від його концентрації. Досліджено елек-тро-хі-мічну поведінку матеріалів, визначені струми корозії та інтен-сив-ність зношу-вання металів залежно від енергії зовнішньої взаємо-дії з сере-до-ви-щем (амплітуди коливань МСВ) і корозійної активності середовища при КЕЗ. Встановлено, що за характером зміни ПК при КЕЗ в розчинах хлориду натрію досліджені матеріали умовно можна розді-ли--ти на три групи: 1) метали з низь-кою корозійною стійкістю (на ПК, зня-тих в статичних умовах, відсутня дільниця пасивного стану); 2) метали з задовільною корозійною стійкістю (на ПК, знятих в статичних умовах, є дільниці пасивного стану, але вони відсутні при кавітації); 3) метали з високою корозійною стійкістю (на ПК, знятих в статичних умовах і при каві-тації, зберігаються дільниці пасивного стану).

Рис. 4–Зміна ширини ліній ФМР H нікелю від часу випро-бу-вання в воді - 1 і в розчинах NaCl, %: 2–3; 3-10; 4-15; 5–20, в лужному (PH 12,5) – 6, та в кислому (PH 4,5) середовищах –7.

На основі аналізу ПК знайдені межі застосування різних сплавів для виготовлення деталей обладнання харчових виробництв.

Проведені дослідження дозволили на базі даних електрохіміч-них вимірювань прогнозувати кавітаційну стійкість матеріалів, тобто встано-вити взаємозв’язок між корозійною та кавітаційною зносостій-кістю

, (12)

де C i n – дослідні коефіцієнти.

Встановлено, що для цілого ряду матеріалів (крім сталі 12Х18Н10Т) в умовах інтенсивного кавітаційного руйнування в нейтральних середовищах можна користуватися залежністю .

В той же час рівняння (12) дозволяє оцінити вплив корозійної активності рідин на кавітаційно-ерозійну стійкість матеріалів при зміні концентрації хлориду натрію у воді від 0 до 3 %. З метою практичного використання цієї залежності для ряду матеріалів знайдені коефіцієнти пропорційності С та показники степені n.

При цьому обємний знос в морській воді (3% розчин NaCl) приб-лизно в 1,85 раз більший, аніж в прісній (), а коефі-цієнт відносної ерозійної стійкості матеріалів, порівняно з еталонами (сталь 25Л і Fe-) не міняється . Останнє дозволяє визначати масовий або обєм-ний знос досліджуваного матеріалу в морській воді при відомому зносу еталонного матеріалу в морській воді, тобто:

(14)

Наведені дані по відносній ерозійній стійкості в морській воді ос-нов-них матеріалів, що використовуються при виготовленні насосів, гвинтів морських суден тощо.

На основі положень структурно-енергетичної теорії зношуван-ня, кінетичної теорії міцності С.М. Журкова і кінетики хімічних реакцій прове-де-но аналіз співвідношення інтенсивності корозій-но-го і механіч-ного факто-рів руйнування

, (13)

де A і B - константи, що залежать від умов випробування, a - амплі-туда коливань МСВ.

З графіків залежності відносного зносу від амплітуди коливань МСВ (рис. ), які аналогічні кривим поверхневої втоми, витікає, що вони можуть мати три чітко розмежовані дільниці:

1) дільниця інтенсивного корозійно-втомного руйнування з перева-жа--ю-чим впливом корозійних процесів (пружна зона, a5 мкм);

2) дільниця бага-тоциклового поверхневого корозійно-втомного руй-ну-вання при суттєвому впливу корозії на сумарний механо-хімічний знос (пружна зона, a=5...20 мкм);

3) дільниця інтенсивного малоциклового руйнуван-ня при несуттєвій ролі корозійного фактору (зона переважно пластичної дефор-ма-ції, a20 мкм). Тому єдиною залежністю описати весь діапазон навантажень неможливо, але є можливість отримати залежності інтенсивності зношування на зазначених дільницях, враховуючи корозійний та механічний фактори руйнування і енергію зовнішньої дії рідини на поверхню (амплітуда коливань), що показано на рис. 5.

Рис.  – Зміна відносних втрат маси в залежності від ам-плі--ту-ди коливань МСВ при ви-про--буванні сталі 45 на КЕЗ на протязі 2 год. В прісній (І) і мор-ській (ІІ) воді: 1 – відношен-ня загальних втрат до корозійних; 2 – відношення зносу від дії ме-ха-нчного фактору до втрат маси від корозії.

Розглядаючи процеси КЕЗ з позицій кінетичної теорії міцності та структурно-енергетичної теорії зношування, одержимо:

, (15)

де – критичне значення коефіцієнту інтен-сив-нос-ті напруження при заданому рівні локального напруженого стану; Kз - те ж, що відповідає початковому енергетичному рівню; 0, C1 і C2 - дослідні коефіцієнти; k - постійна Больцмана; Va - елементарний обєм руйну-вання; - швидкість потоку рідини; * - густи-на потоку потужності дії на метал з боку рідини; Q - енергія активації реакції; p - залишковий тиск; V* - мольний об’єм; R - універсальна газова постійна; T - температура; m=3 - багатоциклове і m=1 - малоциклове навантаження.

При КЕЗ з переважаючим впливом механічного фактору руйнування:

, (16)

де ; kк – коефіцієнт, що враховує вплив актив-ності середовища.

Враховуючи результати подані на рис. 5, залежність загального зношування від амплітуди коливань можна представити у вигляді

, (17)

де С=1 і m=3 при багатоцикловому і С=2, а m=1 при малоцикловому навантаженні.

Встановлені закономірності зношування з врахуванням корозійних процесів, зокрема ідентичність рівнянь (16) і (17) підтверджують правомірність моделювання процесів кавітаційного руйнування матеріалів з позиції кінетичної теорії міцності твердих тіл і кінетики протікання електрохімічних реакцій.

Відповідно до виразу (16) залежність зношування від критерію зносостійкості матеріалів має вид. Дослідні дані автора та обробка результатів інших авторів свідчить про можливість одержання єдиної експоненціальної залежності швидкості кавітаційного руйнування матеріалів залежно від відносної енергоємності їх поверхневих шарів (рис. 6).

(18)

Рис. 6 – Вплив відносної енергоємності поверхневих шарів матеріалів на швидкість кавітаційного руйнування сталей (1…11) в прісній воді (крива I) і нікелю в розчинах хлориду натрію (крива II): 1–Н28; 2–Г38; 3–Н36; 4–; 5–1Х18Н9; 6–Г30; 7–Г38; 8–60Х12Н15; 9–Г25; 10–Г28; 11–12Х18Н10Т; цифрами на кривій II позначена концентрація NaCl

Отримані результати свідчать про правомірність застосування структурно-енергетичної теорії для аналізу процесів кавітаційно-урозійного зношування матеріалів в корозійно-активних середовищах.

Узагальнення багаточисельних експериментальних результатів КЕЗ матеріалів в КАС, електрохімічні дослідження, аналітичний аналіз даних випробувань дозволили розробити і експериментально підтвер-ди-ти прис-ко-рений метод оцінки відносної ерозійної стійкості металів з врахуванням коро-зійного фактору руйнування. Практична реалізація ідеї такої оцінки полягає в досягненні рівності відношення загального зносу до корозійного в лабораторних і натурних умовах і може бути пред-ставлена у вигляді схеми:

, (17)

де Wлаб і Wнат - густина потужності зовнішньої енергії рідини, відпо-відно, в лабораторних та натурних умовах.

Перехід від при незмінній Wлаб здійснювали за ра-ху-нок збільшення швидкості корозійних процесів шляхом анодної поля-ризації, а рівність коефіцієнтів та при WлабWнат і рівних коефіцієнтах kB досягається експериментально-аналітичним під-бо-ром амплі-туди коливань МСВ.

В четвертому розділі шляхом аналізу механізму КЕЗ і літе-ра-тур-них даних визначені перспективні методи та способи підвищення КЕЗ мате-рі-алів у КАС: термодифузійне хромування, іонне азотування і нанесення полімеркомпозиційних покриттів.

Дослiдження впливу термоциклiчної обробки (ТЦО) на КЕЗ вуглецевих сталей, проведених “маятниковим” та середньо темпера-тур-ним способом, показали неефективність застосування термоциклюван-ня для пiдвищення довговiчностi деталей обладнання при їх КЕЗ.

Вивчено характер i механiзм КЕЗ полiмеркомпозицiйних пок-рит-тiв на основi епоксидних смол та нiтрильного каучуку iз наповнюва-чем, що скла-дається з суміші тугоплавких з’єднань у КАС. Визначено межi опти-мального спiввiдношення мiж матрицею i наповнювачем, що дозволяє, як показали виробничi випробування, в 2 рази пiдвищити довговiчнiсть роботи робочих колiс i в 5 раз довговiчнiсть корпусiв і кришок насосiв, що перека-чують кислоти, стабiлiзувати їх гiдродина-мiч-нi характеристики та значно скоротити витрати на ремонт. Показано, що пiдвищення довговiчностi дета-лей обумовлене пiдвищенням коро-зiйної стiйкостi (в 1,5...2 рази) і демпфу-ючими властивостями покриттiв.

Дослiджено вплив iонного азотування i термодифузiйного хромування в порошках на КЕЗ вуглецевих сталей i сiрих чавунів у розчинах хлориду натрiю. Встановлено, що в результатi iонного азотування їх зносо-стiй-кiсть пiдвищується в 5...9, а пiсля хромування - в 4...6 разів. Показа-но, що пiд-вищення зносостiйкостi деталей пiсля iонного азоту-вання обумов-лене ут-во-ренням нiтридного i дифузiйного шарiв, якi сут-тє-во пiдвищують меха-нiч-нi характеристики, зокрема втом-ну мiц-нiсть i корозiйну стiйкiсть. Кавiтацiйна стiйкiсть хромованих покриттів в ос-нов-но-му визначається глиби-ною карбiд-ної зони, величиною i харак-те-ром розподiлу залишкових напру-жень стиску. ТЦО хромованих пок-рит-тів знижує їх кавiтацiйну стiйкiсть. Виробничi вип-ро-бування пiдтвер--дили результати лабораторних дослiджень.

Показана ефективнiсть i перспективнiсть iмпульсного лазер-но-го змiц---нен--ня сплавiв алюмiнiю в результатi якого швидкiсть кавiтацiй-ного руй-нування дюралюмiнiю Д16 в морськiй водi зменшується в 1,5 рази.

Для одержання максимальної величини зносостійкості деталей ефек-тивне обєднання різних способів зміцнення поверхневих шарів. Так, плаз-мове напилювання вуглецевих сталей нержавіючою хромоніке-левою сталлю 12Х18Н10Т і наступне термодифузійне хромування доз-во---ляє одержати поверхневі шари, які за кавітаційно-ерозійною стійкістю в КАС майже не поступаються сталі 12Х18Н10Т.

В п’ятому розділі на основі розробленого способу інтенсифікації дифузійних процесів при ХТО металів і сплавів, що включає навод-ню-вання перед ХТО (електролітичним – при катодній поляризації; хіміч-ним – при взаємодії з кислими середовищами, а також з розчинами, що містять сірко-во-день; іонно-плазмовим способами) розглянуто принци-пово нові технології зміцнення деталей машин та їх вплив на власти-вості поверхонь.

Електролiтичне наводнювання зразкiв проводили катодною по-ля-ри-за--цi-єю платиновим анодом, а деталей - анодом з нержавiючої сталi в 26 %–му розчинi H2SO4 вiд джерела постiйного струму. В ре-зуль-татi по-пе-реднiх дос-лiджень визначенi межi можливої оптимiзацiї режи-мiв на-вод-нювання i пiсля реалiзацiї повного факторного експери-менту дру-го-го порядку одержанi рiв-нян-ня регресiї: h=32,75+2,00+2,75 (сталь 20); h=176,5-5,0+8,5

(сталь 45); h=51,15+1,20+2,70 (СЧ18),

де h, мкм - глибина карбiдної зони хро-мованого шару; , мА/мм2 - густина струму поляризацiї; , хв - час поляризацiї.

Методом крутого сходження по градiєнту знайдено оптимальнi режими наводнювання матерiалiв, що забезпечують максимальну глибину карбiдної зони: і=2 мА/мм2, =40 хв. - для вуглецевих сталей та і=1,5 мА/мм2, =45 хв. - для чавунiв.

У порiвняннi з традицiйними способами хромування глибина карбiдної зони на сталях 45, 20 i чавунi СЧ18 збiльшилась вiдповiдно в 5,8; 3,4 i 1,5 рази (А.с. СРСР 1277633).

Дослiдження впливу властивостей хромових покриттiв на їх КЕЗ в розчинах хлориду натрiю за допомогою кореляцiйного аналiзу даних дозволило одержати рiвняння регресiї, що встановлюють взаємозв’язок між вивченими властивостями: д - довговiчнiсть покриття, h - глибина карбiдної зони, iк - сумарнi струми корозiйних елементiв на поверхнi покриття, - залишковi напруження стиску, Vp - швидкiсть руйнування, Gз - втрати маси за 3 години випробувань.

Застосування положень теорiї графiв та рiшення методом визна-чен-ня iтерованої сили “задачi про лiдера” дозволило встановити, що вивченi властивостi за ступенем впливу на КЕЗ розмiщуються в ряд: h, Gз, iк, Vp. На цiй основi розроблено схеми прогнозування властивостей хромових пок-рит-тів по h і iк, що найбiльш легко визначаються експери-мен-тально.

Застосування методiв математичної статистики дозволило знайти оптимальнi режими наводнювання i в результатi зносостійкість при КЕЗ в нейтральних середовищах вуглецевих сталей i чавунiв збiльшилась в 10...25 разів порiвняно з нормалiзацiєю.

Дослiдження показали, що наводнювання вуглецевих сталей у сере-до--вищi сiрководню та наступна їх електроiскрова обробка дозволяє в 1,2 …1,5 рази пiдвищити кавiтацiйну стiйкiсть цих сталей, понизити на 15...20% коефi-цiєнт тертя та в 2,5 рази iнтенсивнiсть зношування в кислих середо-ви-щах, що в 3...5 разів пiдвищує довговiчнiсть роботи деталей машин. За дани-ми заво-ду “Цукоргiдромаш” застосування розробленого способу змiцнення робочих колiс дозволить скоротити їх потребу в Українi на 300 одиниць.

Унiверсальність розробленого способу iнтен-си-фiкацiї дифу-зiй-них процесiв підтверджено також наводнюванням матерi-алiв та деталей у плазмi тлiючого розряду в середовищi аргону і водню. Застосування розроб-ле-ного способу iонного азотування (А.с. СРСР №1324334) дозволяє в 1,5...1,9 рази пiдвищити глибину нiтридної зони та вiдповiдно в 1,45...1,6 разів збiль-шити зносостiйкiсть сталей i чавунів порiвняно з вiдомим способом азоту-вання.

У шостому розділі в результаті аналітичних та експерименталь-них досліджень процесу іонного азотування вивчено будову, фазовий склад, вста-новлені закономірності зміни параметрів кристалічної грат-ки і концен-трації азоту в залежності від параметрів азотування.

Рентгеноструктурним аналізом встановлено, що незалежно від скла-ду газової атмосфери в поверхневих шарах утворюються (Fe2-3N), (Fe4N) і -фази. При цьому фазовий склад і співвідношення між фазовими струк-ту-рами можна регулювати шляхом зміни параметрів азотування (рис. ). Ана-ліз одержаних залежностей показує, що най-більш суттєво впливає на кіль-кість утворення тієї чи іншої фази темпе-ра-тура іонного азотування. Так, з її підвищенням зменшується кількість -фази (рис. , а) і одночасно підви-щу-ється кількість та -фаз (рис. , б, в). Із