關于沖蝕磨損的簡要分析

沖蝕磨損是指零件表面受到固體、液體、氣體微粒沖擊使材料從表面流失的現象，如水滴沖擊石頭，水煤漿沖刷輸送管道，河水沖擊水輪機葉片，煤塊沖擊風扇磨煤機葉片等。

 

氣體或液體所攜帶的磨粒以一定速度沖擊零件表面時．會發生能量交換，或者說是能量再分配。被沖擊的表面發生彈塑性變形與斷裂，磨粒破碎和反彈，所消耗的動能主要以熱的形式表現出來。材料的磨損過程與沖擊角度和速度、磨粒的性質相在載體中的濃度、環境條件及材料的性質有關。

圖1-16是能量分配的示意圖。垂直入射的球九沖擊后僅剩下入射能量的1％-10％，其余大部分能量均失散在表面上，其中包括對沖蝕不起作用的彈性波損耗(1-5％)及塑性壓痕所消耗的大量能量(1-90％)。消耗在材料上的總能量有80％變成效而失散，約10％以形成品體位帶或其他晶體缺陷而儲存在材料內。斜射的立方塊和球丸在能量分配上顯示出另外的比例關系。

在外來粒子的沖擊下，表面可能發生彈性變形和塑性變形，同時動能轉化為熱能，使材料表面升溫從而降低了材料的屈服強度、使材料表面產生壓痕。壓痕一般有四種類型：

(1)切削型；

(2)犁溝型；

(3)唇型；

(4)壓入型(凹坑型)。

各種壓痕出現的概率決定于沖擊角和磨粒形狀等，以普通鋼為靶材，以350-490μm的橄欖石（莫氏硬度6.5-7）為磨粒，沖擊角為30°時犁溝除出現的概率最大，垂直沖擊時，壓入坑占多數。

在磨料多次沖擊下，金屬材料表面以磨屑形式流失。磨屑形貌特征分為：

(1)切屑；

(2)薄片屑；

(3)簇團屑。

三類磨屑對應三種不同的沖蝕磨損機制：

(1)由于沖擊粒子的切削作用，材料以簇閉屑形式脫離表面。

(2)由于不斷沖擊，材料發生加工硬化最后斷裂，材料以薄片屑形式從沖擊形成的層狀表面脫離。

(3)由于沖擊時表面盾狀物或凸起部分發生斷裂，材料以簇團屑形式脫離表面。

脆性材料與韌性材料的磨損規律有些不同，它們是小變形或不變形，在磨粒的沖擊下受到最大拉應力而斷裂。

 

無論固體粒子還是高速液滴沖擊到材料表面上，只要入射速度達到某一臨界值，均會造成沖蝕。用噴砂型沖蝕定義的材料沖蝕率為單位重量粒子造成材料流失的雹量或體積，其量綱為mg／g或mm3／g。液體沖蝕或氣體沖蝕破壞除用單位時間的失重表示外，還可以用平均破壞深度，即一定面積上沖蝕的平均深度表示(材料沖蝕失重除以比重和沖蝕面積，單位為mm2)。沖蝕率不是材料的固有性質而是一個受系統因素影響的參數。它主要受三個方面因素控制：環境參數如粒子的速度、沖擊角、濃度、環境溫度等；磨粒性質如硬度、粒度、可破碎性以及材料性能如材料強度、熱物理性能等。

1．沖擊角的影響

塑性材料在20一30°沖擊射角時沖蝕率出現最大值，而脆性材料在一般情況下最大沖蝕率出現在接近90°角處。圖1-17是金屬鋁及氧化鋁受SiC粒子沖蝕時沖蝕串隨沖擊角變化情況。

2. 速度影響

沖蝕率與速度的關系式為：

圖1-18為8種材料沖蝕率與速度的關系曲線。

3．磨粒的影響

(1)磨粒硬度

不但比靶材碩的磨粒能沖蝕材料，比靶材軟的磨粒也會造成沖蝕磨損。對不同的天然和工業材料進行的沖蝕試驗，沖蝕宰相硬度關系為：

(2)磨粒形狀

多角形的磨粒比圓磨粒在同樣條件下的沖蝕率大，如果沖擊角是45°，兩者沖蝕率可相差4倍。甚至多角形磨粒硬度較低時，也比圓形的沖蝕能力大。

(3)磨粒大小

對于工程合金和彈性塑料，沖蝕串與磨粒大小之間有一臨界尺寸，大于這一臨界尺寸，磨粒尺寸影響基本消失。

4．沖蝕時間的影響

沖蝕磨損不同于粘著磨損和磨料磨損，它呈現出一個較長的孕育期。軟的塑性材料由固體粒子引起的沖蝕才有孕育期。一般固體材料、包括鋼在內，沒有明顯的孕育期。一般固體材料、包括鋼在內，沒有明顯的孕育期，立即進入穩定沖蝕磨損狀態。孕育可能是表面粗糙及加工硬化引起的，也可能由磨粒沉積引起的。

5．靶材性能的影響

如前所述，靶材性能的持點主要決定于脆性或是塑性。而不同材料的相對待性也決定于沖擊狀態。脆性材料在小粒子小沖擊角沖擊時較耐磨，而塑性材料則在大沖擊角下耐磨。