1. Wprowadzenie Erozja każdego materiału, rozumiana jako ubytek masy lub jego objętości, jest skutkiem oddziaływania sił dynamicznych w strefie warstwy wierzchniej. Decydujący wpływ na odporność materiału na ścieranie (erozję mechaniczną) ma właśnie rodzaj oraz stan tej warstwy. Ścieranie materiału sprowadza się zatem do procesu niszczenia (zużycia) omawianej warstwy w wyniku mechanicznego i korozyjnego oddziaływania cząstek ciał stałych lub cieczy o dużej energii kinetycznej. Takie warunki obciążenia powierzchni wystę- pują najczęściej na łukach pyłoprzewodów, łopatkach wentylatorów, cyklonach, wirnikach pomp oraz przenośnikach ślimakowych. W artykule przedstawiono grupę materiałów kompozytowych chroniących powierzchnie metali przed niszczącym działaniem różnych mediów abrazyjnych.
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów ubytków masy i objętości dla różnych kompozytów Belzona w teście na ścieranie SJE
2. Wytrzymałość erozyjna w środowiskach abrazyjnych mokrych – próba wytrzymałości na ścieranie metodą SJE (SlurryJetErosion test) dla różnych materiałów
Istnieje wiele sposobów określenia wytrzy- małości erozyjnej materiałów konstrukcyj- nych; jednym z nich jest test SJE polegający na skierowaniu specjalnej strugi cieczy na próbkę badanego materiału. Struga uderza z dużą prędkością – 16 m/s. To uderzenie jest znacznym obciążeniem dla materiału, gdyż zawiera dużo cząstek stałych, silnie abrazyjnych. Struga cieczy jest mieszanką wody i piasku krzemowego w stosunku 10:1.
W teście SJE struga mieszanki jest kierowana na płaską powierzchnię próbki pod różnymi kątami: 90o, 45o, 20o. Narażenie każdego z materiałów na działanie mieszanki ściernej trwa 120 minut. W czasie trwania próby mieszanka wody z piaskiem krzemowym podlega recyrkulacji w układzie instalacji do badań. Schemat instalacji przedstawiono na rys. 1. Badaniom poddano następujące kompozyty: Belzona®2111 (D&A Hi-Build), Belzona ®1811(Ceramic Carbide), Belzona®1812, Belzona®4181 i Belzona®4811 oraz dla porównania stale: stal na rury, typu Armco, nierdzewną 316L oraz stal chromową. Na zakończenie każdego badania dokonywano pomiaru ubytków wagowych i objętościowych próbki. Wyniki przeprowadzonego testu dla kompozytów zestawiono w tabeli 1.
Wyniki zamieszczone w tabeli 1 mogą posłużyć jako wskazówka przy wyborze materiałów do ochrony przeciw erozji różnych elementów, zwłaszcza metalowych, poddanych silnej erozji w warunkach transportu cieczy z dużą zawartością cząstek stałych, np. pomp wirowych do hydrotransportu. Z badań wynika, że najbardziej narażone na erozję będą powłoki ochronne, gdy kąt natarcia czynnika roboczego będzie wynosił ok. 45o; obserwuje się wówczas największy ubytek objętościowy badanej próbki (wyjątek stanowi Belzona® 2111). Posługując się ww. możemy w jednym urządzeniu zastosować różne kompozyty w zależności od kąta natarcia strugi na przewidzianą do ochrony część urządzenia.
Na podstawie wyników badań porównawczych (rys. 2) można stwierdzić, że istnieje duża różnica w odporności na erozję kompozytów Belzona® w porównaniu z niektórymi stalami poddanymi ścieraniu w tych samych warunkach obciążenia. Trzy z badanych kom- pozytów Belzona® wykazały wyższą odporność erozyjną od niektórych stali powszechnie uważanych za odporne na ścieranie. Najlepszą wytrzymałość wykazał kompozyt Belzona®2111. Dobrą odporność erozyjną ma również kompozyt Belzona®1811, który jest kompozytem wzmocnionym podobnie jak Belzona®1812 – cząstkami tlenku glinu (rys. 3 i 4).
Rys. 1. Schemat instalacji do badań materiałów na działanie strugi abrazyjnej w teście SJE
Rys. 2. Zestawienie wyników badań porównawczych odporności na erozję kompozytów Belzona i niektó- rych stali (test SJE)
Rys. 3. Budowa wewnętrzna oraz system wzmocnienia cząstkami tlenku glinu Al2O3 kompozytu Belzona®1811 
Rys. 4. Budowa wewnętrzna oraz system wzmoc- nienia cząstkami rozdrobnionego tlenku glinu Al O , kompozytu Belzona®1812
3. Wytrzymałość erozyjnaw środowiskach abrazyjnych suchych – wysoce odporny na ścieranie system kompozytowy Belzona®9811
Belzona®9811 to system kompozytowy, którego głównym składnikiem są sześciokątne, bardzo twarde płytki tlenku glinu (korundu). Tlenek ten należy do jednych z najtwardszych materiałów mineralnych występujących na ziemi. Twardość tlenku glinu porównywalna jest z twardością wolframu czy węgliku krzemu i wynosi 9 w 10-stopniowej skali Mohsa (rys. 5) (twardość diamentu w tej skali wynosi 10).
Sześciokątne płytki Belzona®9811 (rys. 6) otrzymuje się w technologii spiekania w bardzo wysokich temperaturach mikrokryształów tlenku glinu (Al2O3) o wysokiej czystości. Technologia ta pozwala wytworzyć materiał o bardzo wysokiej wytrzymałości na ścieranie (tab. 2). Wysoka twardość płytek oraz podatność podłoża, na którym są one osadzane (rys. 7), np. na kompozycie Belzona®1111, sprawiają, iż jako system Belzona® wykazuje znacznie większą trwałość na sztywnych po- wierzchniach narażonych na silną erozję.
Do osadzania płytek Belzona®9811 zaleca się, w zależności od warunków pracy (temperatura, media chemiczne), następujące kompozyty oprócz wspomnianego Belzona®1111: Belzona®1121, Belzona®1311, Belzona®1511, Belzona®1321, Belzona®1391. Do wypełnień powstałych spoin (między płytkami) zaleca się zastosować kompozyty Belzona®1812 lub Belzona®1813. Grubość pojedynczej płytki Belzona®9811 wynosi 5 mm, a bok sześciokątnej płytki – 10 mm. Materiał dostarczany jest w gotowych do stosowania arkuszach o wymiarach 250 mm × 170 mm.
Rys. 5. Diagram ilustrujący twardości minerałów w skali Mohsa (korund – tlenek glinu)
Rys. 6. Pakiety płytek kompozytu Belzona®9811
Rys. 7. Sposób osadzenia płytek w kompozycie Belzona®9811 (wypełnienie czarne po lewej oraz zielone po prawej) na kompozycie Belzona® z grupy 1000
Autor: Roman Masek