ВЕСТНИК ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМ. АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

Проведены испытания на адгезию эпоксидного компаунда К-153, содержащего разное количество бронзового порошкового наполнителя. В качестве бронзового порошка были использованы бронзовые опилки, полученные опиливанием катаного прутка из алюминиевой бронзы БрАЖНМц9-4-4-1. Условный размер частиц бронзы оценивали по значению средней длины хорды сечения частиц, составляющему 18 мкм. Эпоксидные составы наносили на пластины из бронзы БрАЖНМц9-4-4-1. Указанная бронза выбрана как очень близкая по составу к бронзе БрА9Ж4Н4Л, применяемой для литья гребных винтов. Толщина пластин 4-5 мм, размеры пластин в плане составляли примерно 50 × 100 мм. Пластины перед заливкой компаундом шлифовали на шкурках разной зернистости, среднее арифметическое отклонение профиля шлифованной поверхности пластин находилось в диапазоне 0,500 … 0,900 мкм. Заливка и выдержка пластин производились при температуре 19 ± 1 ºС и относительной влажности воздуха 50 ± 5 %. Средняя толщина эпоксидного покрытия на пластинах составила 2,1 мм. Эксперименты на адгезию проводили после выдержки эпоксидного покрытия в течение семи дней. Испытания проводили по схеме, регламентированной ГОСТом 32299-2013 «Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом отрыва с использованием механического адгезиметра». Согласно данной схеме к покрытию приклеивали металлические грибки диаметром 19,5 мм, предварительно обработав места приклеивания шкуркой и протерев их растворителем. После этого вокруг каждого грибка делали круговой вырез в покрытии, отрывали грибки под действием усилия, направленного перпендикулярно покрытию, и регистрировали прочность на отрыв. Было установлено, что добавка металлического порошка не оказывает влияния на значение прочности отрыва, т. е. осаждение частиц бронзы в эпоксидном компаунде при его отверждении не приводит к уменьшению площади контакта эпоксидной смолы с поверхностью бронзы. Этот вывод подтверждается также расчетным способом: оценка толщины слоя эпоксидной смолы между частицей бронзы и поверхностью пластины показала, что к моменту полного отверждения эпоксидного компаунда толщина указанного слоя на три порядка превысит размер молекулы диановой смолы. Значит, вязкость эпоксидных смол слишком высока, а размеры и масса частиц используемых металлических порошковых наполнителей слишком малы, чтобы имело место хотя бы частичное выжимание смолы из-под частицы при ее медленном погружении.

Выполнен сравнительный анализ результатов измерений гидроабразивного износа форсунок струйных насосов, используемых на гидроперегружателях, задействованных на перекачке суспензии воды с песком, и результатов моделирования потока в камере всасывания насоса в районе форсунок.

Моделирование осуществлялось с использованием программного комплекса Fluent в составе программного продукта Ansys. При этом вместо пульпы во всасывающем патрубке смоделирована чистая вода с учетом того, что концентрация песка в суспензии составляет примерно 10 % по объему, поэтому траектории движения частиц песка совпадают с линиями тока воды.

Результаты моделирования показали, что углы атаки на ближнюю к пульпопроводу поверхность форсунки, примыкающую к ее выходному отверстию, близки к нулю, тогда как углы атаки на поверхность форсунки, дальнюю от пульпопровода, существенно отличаются от нуля и составляют 20-50о - значения, при которых гидроабразивный износ возрастает в несколько раз по сравнению с углами атаки, близкими к нулю.

Результаты моделирования подтверждены также обследованием изношенных форсунок: их носовая часть изнашивается по окружности неравномерно - с большей скоростью изнашивается сторона, дальняя от пульпопровода, что приводит к появлению скоса плоскости носового отверстия форсунок, при этом угол скоса достигает 20-25о. Значения микротвердости носовой части изношенной форсунки также соответствуют результатам моделирования.

Измерения показали, что микротвердость носовой части форсунок неравномерна по окружности и наиболее изнашиваемая сторона носика форсунки имеет наименьшую микротвердость. Данный факт свидетельствует о том, что разные районы поверхности носовой части форсунок отличаются друг от друга жесткостью схемы напряженного состояния при гидроабразивном воздействии, что может быть в дальнейшем использовано при выборе режимов лабораторных испытаний на гидроабразивный износ.

Темой работы является исследование хромовых электролитических покрытий, широко применяемых на водном транспорте для повышения износостойкости деталей ответственного оборудования, в том числе для защиты водоохлаждаемых поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей от кавитационного воздействия.

В работе предпринята попытка связать шероховатость хромовых блестящих покрытий с характером распределения в них трещин и, как следствие, с кавитационный износостойкостью покрытий. Были испытаны семь покрытий из блестящего хрома, нанесенных при разных режимах и имеющих разную обработку поверхности, отличающихся друг от друга толщиной, микротвердостью и характером распределения трещин. Хромирование выполнялось в стандартном электролите - водном растворе хромового ангидрида и серной кислоты - следующего состава: хромовый ангидрид (CrO3) - 250 г/л; серная кислота (H2SO4) - 2,5 г/л; содержание трехвалентного хрома - не более 5 г/л; содержание ионов трехвалентного железа - не более 10 г/л. Электролит готовился на дистиллированной воде однократной перегонки. Хром наносили на образцы из серого чугуна СЧ21, вырезанные из втулок цилиндров судового дизеля, бывших в эксплуатации. Испытания на кавитационный износ проводили в пресной воде при температуре воды 20 ± 3 оС на ультразвуковом магнитострикционном вибраторе при частоте и амплитуде колебаний торца концентратора, равных примерно 22 кГц и 28 мкм соответственно.

Расстояние между поверхностью испытываемого покрытия и торцом колеблющегося концентратора выставляли равным 0,5 мм. В процессе испытаний образцы периодически взвешивали на аналитических весах с дискретностью показаний 0,1 мг, при этом наряду с потерями массы образцов оценивали шероховатость поверхности покрытий в очаге износа по значению среднего арифметического отклонения профиля.

Структуру покрытия исследовали на металлографическом микроскопе на поперечных нетравленых шлифах до и после испытаний.

Учитывали, что износостойкость хромовых электролитических покрытий при кавитации определяется двумя факторами: характером трещин в покрытии и толщиной покрытия, а также то, что толщина покрытия влияет на его долговечность, а характер трещин - как на долговечность, так и на скорость изнашивания хромового покрытия.

Густота сетки трещин, выходящих на поверхность, и их ширина определяют шероховатость поверхности, а поскольку кавитационный износ начинается с районов покрытия, примыкающих к берегам трещины в начальный период кавитационного воздействия, происходит хрупкий откол частиц от покрытия путем его разрушения по уже имеющимся трещинам в исходном покрытии, должна прослеживаться зависимость между скоростью изнашивания и высотным параметром шероховатости Ra, что подтверждается результатами экспериментов.

Существование зависимости скорости изнашивания от среднего арифметического отклонения профиля исходной поверхности хромового покрытия позволяет сделать вывод о том, что поверхность втулок цилиндров после хромирования необходимо подвергать шлифованию мелкозернистым инструментом и по возможности полированию. При этом покрытие должно быть плотным, а именно не содержать большое количество широких протяженных трещин.

Исследована смачиваемость водой материалов, применяемых для изготовления дейдвудных подшипников, работающих при смазывании водой: капролона и резины 8130, а также материалов, применяемых для изготовления облицовок гребных валов: стали 12Х18Н10Т и оловянистой бронзы БрО5Ц5С5. Оценка смачиваемости выполнена по значению краевого угла смачивания.

По результатам опытов выполнено построение моделей второго порядка, описывающих значения краевого угла смачивания от содержания солей в воде и шероховатости поверхности.

Выявлен схожий характер влияния исследуемых факторов на смачиваемость бронзы и нержавеющей стали, который для полимеров не только существенно отличается от аналогичного для металлических сплавов, но и характер изменения смачиваемости капролона при изменении этих факторов отличается от характера изменения смачиваемости резины.

Отмечается, что содержание солей в морской воде оказывает слабое влияние на смачиваемость материалов облицовок, заметное влияние на нее оказывает шероховатость поверхности, при этом существует значение высотного параметра Ra, при котором смачиваемость достигает максимального значения. Для резины, наоборот, шероховатость поверхности имеет слабое влияние на смачиваемость водой, но однако содержание солей в воде оказывает на нее очень сильное влияние (в пресной воде резина проявляет выраженные гидрофильные свойства, а в морской становится гидрофобной). Гидрофильность капролона как при увеличении содержания солей в воде, так и при увеличении шероховатости его поверхности, показывает умеренное увеличение.

Предлагается использовать в дейдвудном трибосопряжении, смазываемом водой, гидрофильный материал подшипника в сочетании с выраженным гидрофобным материалом облицовки, и, соответственно, в морской воде целесообразно вместо резинометаллических подшипников использовать капролоновые.

На основании полученных в работе результатов представляется целесообразным выполнить исследования по замене бронзы и нержавеющей стали при изготовлении облицовок из иного материала с выраженной гидрофобностью.