14_Antonuk.doc Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 87 Антонюк Д.А., Редька М.О. Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, Україна ЗНОСОСТІЙКІСТЬ МАТЕРІАЛІВ В УМОВАХ ЗНОШУВАННЯ НАПІВЗАКРІПЛЕНИМ АБРАЗИВОМ З ЛОКАЛЬНИМИ УДАРНИМИ НАВАНТАЖЕННЯМИ ТА ЗАЩЕМЛЕННЯМ ЧАСТОК Вступ Згідно статистичних даних [1], середній рівень використання промислових відходів в Україні є меншим за 30 %, у той час як у Росії він сягає 53 %, а в деяких високорозвинених країнах – 80 - 90 %. Слід враховувати, що близько 80 % від загальних твердих промислових відходів складають шлаки мета- лургійних підприємств, які є основними бюджетоутворюючими підприємствами України. Отже, ефекти- вне використання вторинних ресурсів, особливо в кризові періоди, є нагальною проблемою як світової, так і української промисловості. Постановка проблеми Значні обсяги шлакових відвалів металургійних виробництв обумовлюють можливість повтор- ного їх використання в багатьох галузях промисловості України після відповідного подрібнення, розді- лення та фракціонування. Особливістю цих матеріалів є наявність у структурі металевих включень у ви- гляді зростків металу та шлаку. Разом з цим у поверхневих шарах шлаку, окрім безпосередньо вкраплень металу, відбувається утворення склоподібної та дрібнокристалічної фази, яка характеризуэться високою твердістю та абразивністю [2, 3]. Тому під час подрібнення шлаків у диспергаторах, дезінтеграторах, спеціальних дробарках та інших установках їх робочі органи (била, молотки, пластини тощо) працюють в умовах складного механізму ударно-абразивного руйнування, а тому мають низький строк експлуата- ції. Перспективним методом збільшення терміну служби цих інструментів є вибір оптимального зносо- стійкого матеріалу (підбір марки сталі та режимів термічного оброблення; отримання покриття шляхом наплавлення зносостійкими сплавами; використання комбінованого інструменту «сталь – зносостійка вставка» тощо) з урахуванням факторів зовнішнього середовища, умов зношування диспергаторів, мате- ріалознавчих і технологічних параметрів отримання металу. Аналіз літературних джерел Відповідно до запропонованого раніше багатокритеріального підходу до дослідження зносостій- кості деталей машин [4, 5], аналіз апріорної інформації проводили шляхом поетапного вивчення характе- ристик робочого органу, умов зношування та властивостей зовнішнього середовища, а також структур- но-фазового стану й фізико-механічних показників матеріалів для цього механізму контактної взаємодії. Характеристика робочого органу. Процеси подрібнення шлакових відходів відбувається у від- центрово-ударних установках (диспергаторах, дробарках, дезінтеграторах), які випускаються провідними світовими виробниками [6]: «Barmac» (США), «Kolberg Pioneer» (США), «Krupp» (Німеччина), «SBM» (Австрія), «Kroft Imprise» (Великобританія) тощо. Для подрібнення різних фракцій фероматеріалів засто- совуються біла, молотки, пластини різної форми, конструкції та геометричних розмірів (рис. 1), які хара- ктеризуються високою зносостійкістю, здатністю легко замінюватися, витримувати значні ударні наван- таження та навантаження від відцентрових сил. Робочі органи зазвичай виготовляють зі сталі 110Г13Л, що забезпечує їх досить високу зносостійкість, але іноді ускладнює конструкцію кріплення до ротора че- рез складність механічної обробки цієї сталі. а б в г д Рис. 1 – Зовнішній вигляд робочих органів відцентрово-ударних установок: а, б – молотки; в, г, д – била PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 88 Під час розроблення конструкції бил і молотків беруть до уваги можливість їх багаторазового використання шляхом перестановок, перевертання тощо. Молотки, зазвичай, також мають декілька ро- бочих поверхонь. Після зносу однієї сторони їх переставляють, і вони продовжують служити майже та- кий самий час. Одним із шляхів підвищення зносостійкості робочих органів диспергаторів є наплавлення їх зно- состійкими сплавами. В цьому випадку їх виготовляють зі звичайної сталі, а на робочі поверхні за допо- могою спеціальних присадкових матеріалів наплавляють шар зносостійкого металу. Цей спосіб дозволяє використовувати широку гаму зносостійких сплавів для умов зношування робочих органів диспергаторів та проводити наплавлення без демонтажу бил і молотків. Умови зношування. Результати спостереження за динамікою спрацьовування робочих елементів [7, 8] свідчать про незначний термін їх експлуатації (16 годин), що пояснюється складними умовами зношування (високі швидкості, тиск, ударні навантаження). Аналіз контактної взаємодії (рис. 2) дозволяє пояснити механізм зношування як сукупність складних процесів руйнування. Рис. 2 – Схема зношування бил диспергатора: А – защемлення, Б – ударна та ковзна взаємодія На торці робочих органів диспергаторів відбувається защемлення, подрібнення та стирання аб- разиву між торцем била та стінкою корпуса. На передній лобовій частині спостерігається зношування напівзакріпленим абразивом при ковзній взаємодії з кутом атаки 45–80º, а також наявність незначних ло- кальних ударних навантажень, а на бокових поверхнях – лише ковзний контакт з кутом атаки аатаки =5– 10º. Хоча специфіка механізму контактної взаємодії робочого органу диспергатору з абразивним середо- вищем практично не вивчена, зазначене вище дозволяє дійти висновку про наявність процесів зношуван- ня напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями та защемленням часток. Однак повне розуміння трибологічних та фізичних процесів в контактній парі «робочий орган – абразивне сере- довище» вимагає проведення додаткових спрямованих досліджень. Характеристика матеріалів для робочих органів диспергаторів. Аналіз літературних джерел [9 - 13] свідчить, що високу зносостійкість в умовах абразивного зношування показують матеріали з не- стабільною аустенітною, аустенітно-карбідною структурою, а також зі структурою мартенситу з нестабі- льним аустенітом. Легований аустеніт за міцністю посідає проміжне місце між феритом і мартенситом, має значну в'язкість, близькі параметри ґратки з карбідною фазою, що сприяє кращому закріпленню кар- бідів в основі матеріалу, тим самим підвищує ударно-абразивну зносостійкість [11]. Недостатня зносо- стійкість стабільного аустеніту призводить до необхідності застосування для умов зношування закріпле- ним і напівзакріпленим абразивом комплексної матриці, що містить аустеніт і мартенсит. Визначення оптимального співвідношення фаз мартенсит / аустеніт залежить від кількості й властивостей твердої фа- зи, а також від наявності та величини ударного навантаження. Чим воно більше, тим більше в сплаві по- винно бути аустеніту. При цьому рекомендується, щоб мартенсит був низьковуглецевим. Це пов'язане з тим, що поверхня такого матеріалу має високу опірність абразивному зношуванню, а наявність в’язкої аустенітної серцевини забезпечує відсутність тріщин і відколів металу. Щодо виготовлення бил диспер- гаторів відсутня однозначна оцінка необхідної кількості метастабільного аустеніту в структурі наплавле- ного металу. Саме тому, вважаємо, що для умов зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями та защемленням часток доцільно випробувати матеріали із аустенітною, аус- тенітно-мартенситною та ледебуритною структурою з наявністю зміцнювальної фази у вигляді карбідів, боридів і карбоборидів. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 89 За результатами літературного огрляду, мету дослідження можна сформулювати як: теоретич- ний та експериментальний аналіз зносостійкості сталей і сплавів, які використовуються для умов абрази- вного, ударно-абразивного зношування напівзакріпленим і закріпленим абразивом, у промислових умо- вах експлуатації диспергаторів. Для цього були поставлені такі завдання: 1. Спроектувати та розробити експериментальний диспергатор-подрібнювач для проведення се- рії промислових випробувань. 2. Запропонувати геометричну форму експериментального била з можливістю наплавлення ро- бочої ділянки зносостійкими сплавами. 3. Провести випробування серії сталей і сплавів, які використовуються для умов інтенсивного абразивного й ударно-абразивного зношування. 4. Сформулювати основні вимоги до хімічного складу, структурно-фазового стану та фізико- механічних властивостей матеріалу для деталей, що працюють в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями та защемленням часток. Методика проведення дослідження Дослідження матеріалів в аналізованих умовах зношування проводили за допомогою спеціально розробленого обладнання (рис. 3), призначеного для перероблення шлакових відвалів металургійних під- приємств. Конструктивно воно складалося з диспергатору – установки для подрібнення фероматеріалів окремої фракції і повітряних класифікаторів, які є альтернативою віброгрохотам при фракціонуванні дрі- бних фракцій (менше 5 мм). Оскільки процес подрібнення визначається лише кінетичною енергією гео- метрії била, в роботі використали робочі органи за формою рис. 4. Рис. 3 – Конструкція установки диспергатора-подрібнювача АИСС-07/50: 1 – рамний корпус; 2 – завантажувальний желоб; 3 – патрубок для вивантаження; 4 – ротор; 5 – диск кріплення бил; 6 – било (робочий орган диспергатора); 7 – електропривод; 8 – клино-ременна передача; 9 – шкаф керування; 10 – механізм вилучення тіл, що не подрібнені; 11 – повітряний класифікатор; 12 – транспортний вентилятор Рис. 4 – Форма експериментального била диспергатора-подрібнювача та схема його наплавлення PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 90 Для промислових випробувань стандартних матеріалів, що застосовуються для умов інтенсивно- го абразивного та ударно-абразивного зношування напівзакріпленим і закріпленим абразивом, виконува- ли наплавлення за схемою рис. 4. В якості абразивного матеріалу використовували шлаки металургійних підприємств м. Запоріж- жя фракції 0 - 10 мм та 10 - 60 мм (табл. 1, рис. 5). Таблиця 1 Фізико-механічні характеристики шлаків для промислових випробувань дослідних зразків Хімічний склад, % Межа міцності Н ай м ен ув ан ня м ат ер іа лу M gO A l 2 O 3 Si O 2 C aO T iO 2 C r 2 O 3 M nO Fe O Т ве рд іс ть по М оо су на с ти ск пр и уд ар і на р оз да вл . Ф ор м а зе ре н 0 - 10 мм не магнітний 13,5 4,15 27,0 24,2 0,8 2,1 2,2 25,13 6,9 - 7,2 0,9 × 10 Н/м2 97,5 МПа 16,6 % ку- това 10 - 60 мм не магнітний 16,3 4,34 26,8 24,4 0,9 2,24 2,15 16,2 6,9 - 7,2 0,7 × 10 Н/м2 97 Па 16,6 % ку- това а б Рис. 5 – Зовнішній вигляд шлаків фракцією 0-10 мм (а) та 10-60 мм (б) У роботі досліджували сталі та сплави із різним співвідношенням γ / α, твердістю, мікротвердіс- тю зміцнювальної фази тощо. Для проведення експериментів використовували наплавлювальні матеріа- ли (електроди, порошкові дроти, порошки) Т-590, Т-620, НР-70, ЦС-1, 300Х20Р2Ф1, ПГ-Ср3 (50Х15Н78С5Р6), ПП-202 (ІЕЗ ім. Є.О. Патона). Натурні зразки бил виготовляли зі сталі 110Г13, високо- хромистого чавуну 300Х16Г5 і сталі Х12 із різними режимами термічного оброблення. Окрім цього ви- пробували металокерамічні пластини з твердого сплаву ВК-8. Твердість HRC визначали на твердомірі типу ТК-2. Для більш детального дослідження властиво- стей наплавлених сплавів вимірювали мікротвердість основних структурних складових за допомогою мі- кротвердоміру ПМТ-3 при навантаженні на індентор 50 г. Результати дослідження Для вирішення поставленого завдання систематизовані відомості про зносостійкі матеріали, що застосовуються для умов інтенсивного абразивного і ударно-абразивного зношування. Проведені випро- бування дозволили розрахувати масовий знос експериментальних бил та, виходячи з цього, відносну зно- состійкість дослідних матеріалів (табл. 2, рис. 6). Виходячи з втрат маси за однаковий проміжок часу, досліджувані сталі та сплави умовно розпо- ділили на кілька груп: 1) сталі та сплави із агрегатною твердістю < 52–54 HRC та мікротвердістю зміцнювальної фази Нμ < 12 – 16 ГПа: електроди Т-590 та Т-620, сталь 110Г13Л, електрод НР-70, порошок для наплавлення та напилення ПГ-СР3; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 91 2) матеріали, що схильні до зміцнення в процесі взаємодії із абразивним середовищем через γ → α перетворення: сталь Х12 із температурами закалки 975, 1100 та 1170 ºС, 300Х16Г5; 3) гетерогенні сплави, що містять > 60 % зміцнювальної фази у вигляді карбідів, боридів і кар- боборидів із мікротвердістю > 18 ГПа: 300Х20Р2Ф1, ПП-АН202, металокерамічний сплав ВК-8. Перша група матеріалів характеризується незначною зносостійкістю в умовах зношування бил диспергаторів через недостатню агрегатну твердість та мікротвердість основи й надлишкової зміцнюва- льної фази. Матеріали другої групи, в структурі яких міститься мартенсит деформації, схильний до зміц- нення в процесі взаємодії з абразивним середовищем, проявили себе краще в умовах зношування напів- закріпленим абразивом із локальними ударними навантаженнями та защемленням часток. При чому оп- тимальне співвідношення γ / α для величини енергії удару та особливостей процесу зношування робочих органів диспергаторів напівзакріпленим абразивом у цих сталей складає 40/60. Високу зносостійкість по- казав сплав 300Х16Г5, що пояснюється тим, що його структурно-фазовий стан представлений легованим аустенітом (має значну в'язкість, близькі параметри ґратки з карбідною фазою) та карбідною фазою. Це підвищило його ударно-абразивну зносостійкість. Сплави третьої групи мають найбільшу зносостійкість, однак через низькі технологічні властивості на дослідних зразках з’явилась значна кількість тріщин та відколів унаслідок дії ударних навантажень. Рис. 6 – Інтенсивність зношування сталей і сплавів в умовах експлуатації бил диспергаторів PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 92 Таблица 2 Середній вміст легуючих елементів у сплаві, % Фазовий склад,% № з ра зк а Матеріал С Сr Mn Si Ni W V B Інші Т ве рд іс ть H R C α γ К іл ьк іс ть зм іц ню ва ль но ї ф аз и, % 1 Т-590 2,75 22,5 1,3 1,93 - - - 1,0 - 50-55 90 10 50 2 Т-620 3,25 22 1,1 2,2 - - - 1,2 1,2Ti 50-60 65 35 55 3 НР-70 0,38 1,0 2,0 0,15 - - - - 0,9Мо 42 100 - 1,5 4 ЦС-1 3,0 27 1,35 3,5 4,0 - - - - 45-54 70 30 60 5 ПГ-СР3 1,0 16,5 2,5 3,5 78,0 0,4 - 3,8 - 47-52 - - - 6 300Х20Р2Ф1 3,0 19,5 - - - - 0,9 1,7 - 60 70 30 70 7 ПП-АН202 - - - - - - - - - 50-55 90 10 60 8 110Г13Л 1.4 1,0 14 0.8 1,0 - - - 0,3Cu 59 - 100 2,5 9 300Х16Г5 т.о. 3,0 16,5 5,4 0,45 0,35 - - - - 60 - - 70 10 Х12 t3=975 С 2,2 14,0 0,45 0,40 0,35 0.2 0,15 - 0,3Cu 59-62 60 40 19 11 Х12 t3=1100 С 2,2 14,0 0,45 0,40 0,35 0.2 0,15 - 0,3Cu 52 23 87 9 12 Х12 t3=1170 С 2,2 14,0 0,45 0,40 0,35 0.2 0,15 - 0,3Cu 55 0 - 100 13 ВК-8 металокерамічний сплав 92% WC, W2C та 8% Co 92 WC 88HRA - - 92 00 Еталон Сталь 45 t3=870 С 0,45 0,25 0,65 0,32 - - - - 0,3Cu HV166 - - 8,73 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 93 Висновки Проведені дослідження дозволили дійти таких висновків. 1. Внаслідок інтенсивного абразивного зношування робочі органи диспергаторів для подрібнен- ня шлаків металургійних виробництв потребують застосування зносостійких матеріалів та впровадження відповідних технологій зміцнення, однією з яких є нанесення зносостійких наплавок. 2. Специфіка механізму контактної взаємодії робочого органу диспергатору з абразивним сере- довищем практично не вивчена, однак результати проведених досліджень дозволяють дійти висновку про наявність процесів зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаження- ми та защемленням часток. Детальне розуміння трибологічних та фізичних процесів у контактній парі «робочий орган – абразивне середовище» вимагає проведення додаткових спрямованих досліджень. 3. Спроектовані та розроблені дослідний диспергатор-подрібнювач, а також експериментальне било з можливістю наплавлення робочої ділянки зносостійкими сплавами, дозволили створити умови для проведення серії досліджень матеріалів в умовах зношування напівзакріпленим абразивом з локальними ударними навантаженнями та защемленням часток. 4. Аналіз результатів промислових випробувань стандартних сталей і наплавлювальних матеріа- лів, які застосовуються для умов інтенсивного абразивного та ударно-абразивного зношування, показав, що для зміцнення робочих органів диспергаторів доцільно рекомендувати матеріали з аустенітною чи аустенітно-мартенситною структурою, наявністю не менше 40 - 50 % зміцнювальної фази за агрегатної твердості 60HRC із мікротвердістю зміцнювальної фази не менше Hμ = 22 - 24 ГПа, орієнтовною вихід- ною мікротвердістю основи сплаву Hμ = 0,5 - 0,6 ГПа та одержаною мікротвердістю в межах 0,8 - 1,0 ГПа. Література 1. Шадрунова И.В. Перспективы применения центробежно-ударной техники для переработки металлургических шлаков [електронний ресурс] / И. В. Шадрунова, Е. В. Колодежная. – 2011. – Режим доступу: www.uralomega.ru/infonews/articles/perspectives2/. 2. Довгопол В.И. Использование шлаков черной металлургии / В. И. Довгопол. – М.: Металлур- гия, 1978. – 289 с. 3. Купряков Ю.П. Шлаки медеплавильного производства и их переработка / Ю. П. Купряков. – М.: Металлургия, 1987. – 201 с. 4. Износостойкость сплавов, восстановление и упрочнение деталей машин: учебное пособие / Под ред. В.С. Попова. – Запорожье: Изд-во ОАО «Мотор Сич», 2006. – 420 с. 5. Попов С. Н. Решение задач трибоматериаловедения на основе системных многокритериаль- ных методов математического анализа износостойкости сталей и сплавов / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк, Т.В. Попова // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2004. – № 4. – С. 172-181. 6. Обзор рынка дробильного оборудования России [електронний ресурс]. – 2010. – Режим досту- пу: http://maxi-exkavator.ru/news/inf_news/~id=1750. 7. Попов С.М. Аналіз механізму зношування бил диспергаторів / С.М. Попов, Д.А. Антонюк, М.О. Редька // Тези міжнар. наук.-практ. конференції «Ольвійський форум – 2011: стратегії України в ге- ополітичному просторі» – Миколаїв: Вид-во ЧДУ ім. Петра Могили, 2011. – Том 11. – С. 3-4. 8. Попов С.М. Підвищення зносостійкості робочих органів диспергаторів для подрібнення шла- ків металургійного виробництва / С.М. Попов, Д.А. Антонюк, М.О. Редька // Матеріали Міжнар. науко- во-технічної конференції «Сучасні аспекти металознавства та термічної обробки металів» (м. Маріу- поль). – Маріуполь.: ПДТУ, 2010. – С. 130 - 131. 9. Лившиц Л.С. Основы легирования наплавленного металла / Л.С. Лившиц, Н.А. Гринберг, Э.Г. Куркумелли. – М.: Машиностроение, 1969. – 188 с. 10. Виноградов В.Н. Изнашивание при ударе / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин, А.Ю. Альбагачи- ев. – М.: Машиностроение, 1982. – 192 с. 11. Малинов В.Л. Разработка экономнолегированных наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания: дис. … канд. техн. наук: 05.03.06 / Малинов Владимир Леонидович. – Мариуполь, 1999. – 135 с. 12. Попов В.С. Износостойкость прессформ огнеупорного производства / В.С. Попов, Н.Н. Брыков, Н.С. Дмитриченко. – М.: Металлургия, 1971. – 220 с. 13. Данильченко Б.В. Выбор износостойкого наплавленного металла для работы в условиях аб- разивного изнашивания / Б.В. Данильченко // Сварочное производство. – 1992. – № 5. – С. 31-33. Надійшла 16.07.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.uralomega.ru/infonews/articles/perspectives2/ http://maxi-exkavator.ru/news/inf_news/~id=1750 http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com