Pobierz - Technical Nowa Sól

IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
MIKROSTRUKTURA I WŁA CIWO CI STOPÓW NA ŁOPATKI
RZUTOWE OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO - CIERNYCH
MIKROSTRUKTURA I WŁA CIWO CI STOPÓW
NA ŁOPATKI RZUTOWE
OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO – CIERNYCH
Stanisław RZADKOSZ1,
Leopold STASZCZAK2,
Wydział Odlewnictwa AGH,
Kraków
1. Wprowadzenie.
W oczyszczarkach strumieniowo- ciernych elementy niektórych zespołów
konstrukcyjnych nara one s na intensywne zu ycie cierne. Nale
do nich [1,2]:
wyło enie kabiny roboczej, korpus wirnika rzutowego, koło rzutowe, łopatki rzutowe,
tuleja regulacyjna i wirniczek rozdzielczy. Zu ywanie si tych elementów ma nie tylko
aspekt ekonomiczny. Wpływa tak e, z upływem czasu eksploatacji, na efektywno
oczyszczania odlewów.
Niszczenie elementów konstrukcyjnych oczyszczarek nast puje wskutek
oddziaływania na ich powierzchni lu nych cz stek cierniwa posiadaj cych pewn
energi , które wywołuj niekorzystne zjawiska prowadz ce do ubytków w warstwie
przypowierzchniowej. cierniwem jest stosowany do oczyszczania rut eliwny, stalowy
lub staliwny o ró nym kształcie, wielko ci i twardo ci oraz piasek kwarcowy zmieszany ze
rutem, którego ródłem s odlewy silnie zanieczyszczone mas formiersk .
Wymienione elementy oczyszczarek wykonywane s obecnie najcz ciej z bardzo
twardego i trudno cieralnego białego eliwa o wysokiej zawarto ci chromu, które zawiera
dodatkowo inne dodatki stopowe. W referacie omówiono, w oparciu o literatur oraz
badania własne: mikrostruktur i wła ciwo ci takiego eliwa. Wskazano na wady odlewów
pogarszaj ce wła ciwo ci eksploatacyjne łopatek i rol obróbki cieplnej.
2. Mechanizmy zu ycia ciernego.
Sposoby niszczenia materiałów metalowych podczas cierania okre lane s jako:
bruzdowanie lub inaczej mikroskrawanie (wyst puje w warunkach du ych obci e
mechanicznych jakie maj miejsce np. w przypadku z bów koparek, szcz k kruszarek
i łamaczy itp.), erozja (wyst puje w przypadku małych cz stek, poruszaj cych si
wzgl dnie swobodnie po powierzchni i nie wywołuj cych wi kszych napr e w cz ciach
roboczych; ma miejsce w urz dzeniach mieszaj cych i transportuj cych piasek i minerały,
sortownikach, oczyszczarkach rutowych itp.) i cieranie zm czeniowe (ma miejsce gdy
ciało cieraj ce np. minerał odkształca warstw wierzchni , co prowadzi do wykruszania
jej fragmentów [3]. Bruzdowanie wyst puje przy ostrym k cie oddziaływania cz stek
cieraj cych na powierzchni , podczas gdy cieranie zm czeniowe ma miejsce przy k cie
oddziaływania bliskim 900. Obydwa mechanizmy działaj równocze nie, a udział ka dego
z nich zale y nie tylko od kata uderzenia cz stek, ale równie od wła ciwo ci materiału
ciernego oraz pr dko ci cz stek.
1
2
dr hab. in ., prof. AGH [email protected]
dr in . [email protected]
5
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
Stosunkowo najlepiej zostało opisane teoretycznie zu ycie erozyjne zwi zane
zarówno z oddziaływanie cz stek padaj cych na powierzchni pod małymi katami jak
i du ymi katami.
Opisuje go dobrze teoria Bittera [4], której zgodno z praktyk wykazano w wielu
badaniach m.in. omówionych w publikacjach [3,5]. Dla małych k tów (<200)
oddziaływania cz stek na powierzchni korzystne jest zastosowanie materiałów twardych
np. eliwa białego, natomiast dla du ych katów (>500) korzystne jest zastosowanie
materiałów odpornych na uderzenia cz stek tj. posiadaj cych pewn plastyczno , wysok
granic spr ysto ci i du
wytrzymało np. staliwa Hadfielda; w tym przypadku
twardo materiału nie jest głównym kryterium doboru materiału [5]. W zakresie k tów
zawartych w przedziale 20 – 500 zu ywanie si materiałów jest nadmierne i w praktyce
nale y go unika .
Niezale nie od materiału cieranego i k ta padania strumienia cz stek, na zu ycie
elementów konstrukcyjnych wpływa twardo cz stek, ich pr dko , kształt, ostro ,
wielko i masa. Mniejsze zu ycie wyst puje wówczas, gdy twardo materiału ciernego
jest mniejsza od twardo ci materiału elementu konstrukcyjnego. B dzie ono wzrasta wraz
ze zwi kszeniem twardo ci cz stek cierniwa. Wzrost ten nie przebiega stopniowo, lecz
odbywa si z nagłym przej ciem od poziomu niskiego do poziomu wy szego. Obszar
przej ciowy zaczyna si mniej wi cej tam, gdzie twardo
cz stek zrównuje si
z twardo ci materiału elementu konstrukcyjnego. Przy znanej twardo ci ziaren materiału
ciernego mo na z góry oszacowa , czy dane tworzywo b dzie si znajdowa w dolnym
czy górnym zakresie zu ycia.
Do oczyszczania powierzchni odlewów stosuje si rut eliwny, staliwny lub stalowy
ci ty o granulacji od 0,6 do 1,6 mm, dobierany w zale no ci od pocz tkowego stanu
powierzchni i zamierzonego efektu ko cowego oczyszczania. Twardo poszczególnych
rodzajów rutu jest zró nicowana i tak: dla rutu stalowego ci tego z blachy
niskow glowej zawiera si w przedziale 180-280 HV, dla rutu staliwnego
niskow glowego od 400 do 430 HV (dla rutu staliwnego wysokow glowego jest jeszcze
wi ksza) oraz dla eliwnego ok. 360 HV [1]. Z danych eksploatacyjnych wynika, e
intensywne zu ywanie si elementów wirnika wywołuje rut eliwny oraz rut staliwny
wysokow glowy. Mniej niszcz co działa rut wykonany z mi kszych materiałów.
W przypadku oczyszczarek du e niszczenie wirnika wywołuje piasek kwarcowy
wmieszany w strug rutu. Przytoczone dane potwierdzaj ogólne tendencje w zakresie
intensywno ci zu ycia ciernego w zale no ci od twardo ci materiału cieraj cego.
Zu ycie spowodowane uderzeniem strumienia cz stek zwi ksza si tak e wraz ze
wzrostem pr dko ci cz stek. Przy wzgl dnie du ym obci eniu spowodowanego du
pr dko ci strumienia uderzaj cego o powierzchni , tworzywa twarde i kruche nie s
w stanie odkształca si plastycznie, co powoduje p kanie i wykruszanie si materiału,
zwi kszaj ce w konsekwencji jego zu ycie.
W
oczyszczarkach
rutowych
pr dko
wylotowa
rutu
zawiera
si w granicach 70-80 m/s [1].Z do wiadcze eksploatacyjnych wynika, e zwi kszanie
pr dko ci powy ej 80 m/s zwi ksza nie tylko koszty energii, ale przede wszystkim silnie
zwi ksza zu ycie łopatek rzutowych oraz wirniczków i z tych powodów jest
nieuzasadnione.
Z teorii Bittera wypływaj pewne ogólne zasady doboru materiału. Bior c pod uwag
udział wielu czynników w procesach cierania oraz bardzo ró ne warunki pracy
elementów konstrukcyjnych nale y zauwa y , e mechanizmy i morfologia zu ycia,
a tak e dobór materiałów na te elementy musz by rozpatrywanie indywidualnie, co
najwy ej z pewnymi analogiami. Z tych samych powodów próby laboratoryjne
wykorzystywane do oceny odporno ci materiałów na cieranie nie maj pełnego
odniesienia do ich zachowania si w konkretnych zastosowaniach. Z tego powodu
6
Nowa Sól 08-09.06.2006 r
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
najlepszym sprawdzianem przydatno ci
eksploatacyjnych s próby przemysłowe.
MIKROSTRUKTURA I WŁA CIWO CI STOPÓW NA ŁOPATKI
RZUTOWE OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO - CIERNYCH
materiału
do
konkretnych
warunkach
3. Stopy odlewnicze odporne na cieranie.
Lane stopy odporne na cieranie, mo na ogólnie uszeregowa wg malej cej
odporno ci nast puj co [6]: eliwo białe z du
zawarto ci chromu, eliwo białe
martenzytyczne ze redni zawarto ci dodatków stopowych, eliwo białe podeutektyczne,
eliwo martenzytyczne o redniej i du ej zawarto ci w gla, staliwo austenityczne
managanowe, niskostopowe staliwo perlityczne i staliwo niskow glowe. Najlepsz
odporno ci na cieranie charakteryzuj si gatunki eliwa z du a zawarto ci chromu
i najcz ciej z dodatkiem molibdenu o mikrostrukturze martenzytycznej. eliwo z tej
grupy jest szeroko wykorzystywane w urz dzeniach do przeróbki rud i minerałów,
mieszarkach, pompach dla górnictwa, ruroci gach transportuj cych i urz dzeniach
sortuj cych materiały mineralne oraz w oczyszczarkach strumieniowych.
W dotychczas opracowanych stopach elaza odpornych na cieranie, podstawowymi
fazami mikrostruktury s w gliki pierwiastków przej ciowych (głównie chromu) oraz
martenzyt i austenit. Oprócz mikrotwardo ci w glików wa ny jest ich udział, kształt,
wielko i rozmieszczenie. Wymaga si aby wydzielenia w glikowe miały du dyspersj ,
równomierne rozmieszczenie, były izolowane od siebie osnow oraz dobrze utwierdzone
w osnowie metalowej.
Konkretnym warunkom cierania w ró nych urz dzeniach odpowiada okre lona
mikrostruktura stopów. Jej ustalenie mo liwe jest jedynie na drodze eksperymentalnej.
W oparciu o dotychczasowe prace w tym zakresie mo na przyj za ogóln zasad ,
e budowa strukturalna tworzywa powinna by wielofazowa i koniecznie makroskopowo
jednorodna.
Na podstawie danych literaturowych i praktyki mo na stwierdzi , e na elementy
wirników w oczyszczarkach strumieniowych najcz ciej zalecane jest i stosowane eliwo
wysokochromowe (12–20%Cr) zawieraj ce równie dodatkowe składniki stopowe.
Korzystne wła ciwo ci cierne tego eliwa wi
si z wyst powaniem w mikrostrukturze
w glika typu (Fe,Cr)7C3 i w miar jednorodnej budowy stopu.
4. eliwo wysokochromowe na łopatki rzutowe.
W stopach Fe-C-Cr skład fazowy mikrostruktury uzale niony jest od zawarto ci
w gla i chromu, a praktycznie od stosunku Cr/C. Na rys.1 zamieszczono uproszczony
wykres wyst powania ró nych rodzajów w glików w tym eliwie. Z tych w glików
najwy sz twardo ci (1200–1600 HV) charakteryzuje si w glik (Fe,Cr)7C3 i ze wzgl du
na odporno na cieranie dobiera si taki skład chemiczny eliwa, który zapewnia
wyst pienie takiego typu w glika. W glik ten pojawia si przy wy szych zawarto ciach
chromu w eliwie. Zwi kszenie zawarto ci w gla wymaga dalszego zwi kszenia
zawarto ci chromu. Dodatki stopowe (Si, V, Al., Ni, Mo, W) pozwalaj uzyska w glik
typu (Fe,Cr)7C3 przy mniejszej zawarto ci chromu.
Jak wykazuj badania odporno na cieranie omawianego eliwa zwi ksza si wraz
ze wzrostem udziału fazy w glikowej. Dotyczy to stopów podeutektycznych
i eutektycznych, albowiem w stopach nadeutektycznych pierwotne wydzielenia w glików
mog by wykruszane, zwi kszaj c w ten sposób zu ycie. Drobne wydzielenia w glików,
korzystne ze wzgl du na odporno
na cieranie, uzyskuje si przy wi kszych
pr dko ciach krystalizacji oraz w wyniku oddziaływania dodatkowych pierwiastków.
Dyspersj wydziele w glikowych zwi kszaj : molibden (1– 4%), tytan (do 05 %), azot
(do 0,1%), mangan (2 – 3%) a tak e wolfram i wanad. Molibden ponadto zwi ksza
jednorodno rozmieszczenia w glików w mikrostrukturze i zwi ksza hartowno
eliwa.
7
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
Rys. 1. Wyst powanie ró nych rodzajów w glików w eliwie wysokochromowym w
zale no ci od zawarto ci w gla i chromu [7].
W praktycznie wykorzystywanych gatunkach eliwa wysokochromowego odpornego
na cieranie osnowa metalowa mo e by : bainityczna, martenzytyczna i ferrytyczna.
W warunkach cierania erozyjnego, gdy naciski dynamiczne na powierzchnie robocz s
niedu e, najlepsz osnow jest osnowa martenzytyczna o wysokiej zawarto ci w gla.
Korzystnie, z punktu widzenia odporno ci na cieranie, wpływaj na osnow
metalow : mangan, nikiel i molibden. eliwo wysokochromowe jest skłonne do tworzenia
niekorzystnej struktury transkrystalicznej. Sprzyjaj jej wysoka temperatura odlewania
eliwa. Skłonno do tworzenia takiej budowy odlewów zmniejsza dodatek tytanu.
Wymienione wy ej pierwiastki, poprzez oddziaływanie na mikrostruktur ,
zwi kszaj twardo
eliwa, jego wytrzymało oraz odporno na cieranie. Pierwiastki te
(w ró nych kombinacjach) wyst puj w wielu gatunkach eliwa wysokochromowego
typowanego do zastosowania w warunkach cierania.
Badania własne autorów referatu dotyczyły mo liwo ci poprawy jako ci odlewów
łopatek wykonanych z odpornego na cieranie eliwa o ró nej zawarto ci w gla i chromu
(2,8-3,6 % C oraz 15,0 -25,5% Cr). eliwo zawierało tak e dodatki niklu (0,2 - 1,8 %) oraz
molibdenu (0,15-1,8 %). W łopatkach odlanych z tego eliwa wyst puje mikrostruktura
podeutektyczna i eutektyczna (rys.2) zło ona z ferrytu chromowego oraz mieszaniny
eutektycznej ferrytu i w glika typu M7C3 (głównie).
Z powodu niekorzystnych wła ciwo ci odlewniczych eliwa wysokochromowego,
niektóre wykonane z niego odlewy miały wady w postaci jam skurczowych i rzadzizn
skurczowych. Znajdowały si one przewa nie w pobli u pogrubionej cz ci odlewu tj.
w miejscu zamka (rys.3). Stwierdzono równie , e rodkowe cz ci łopatek maj mniej
zwart struktur , czego konsekwencj jest ni sza twardo
eliwa w tych cz ciach.
Z prowadzonych wcze niej bada łopatek po eksploatacji [15] wynika, e w miejscach
wyst powania wad materiałowych powierzchniowych i podpowierzchniowych
znajduj cych si w cz ci roboczej (rzadzizny, du a chropowato , kratery, p cherze
gazowe, wi ksze wtr cenia egzogeniczne), wyst puj stosunkowo du e ubytki materiału,
pot guj ce si z czasem eksploatacji (rys.4).
8
Nowa Sól 08-09.06.2006 r
MIKROSTRUKTURA I WŁA CIWO CI STOPÓW NA ŁOPATKI
RZUTOWE OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO - CIERNYCH
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
a)
b)
Rys.2. Mikrostruktura eliwa wysokochromowego:
a) podeutektycznego, b) eutektycznego. Pow. x 150.
Przyjmuj c w lad za dotychczasowymi do wiadczeniami eksploatacyjnymi,
e eliwo wysokochromowe jest dobrym tworzywem łopatek rzutowych, w badaniach
skoncentrowano si na analizie mo liwo ci poprawy jako ci odlewów na drodze
metalurgiczno-odlewniczej. Sugestie wynikaj ce z tych bada wymagaj osobnego
omówienia poza niniejszym referatem.
Badania dotyczyły tak e mo liwo ci poprawy odporno ci na
cieranie
zastosowanego tworzywa poprzez obróbk ciepln . W praktyce odlewy łopatek stosuje si
b d bez obróbki cieplnej (je li odlewy surowe wykazuj odpowiednio wysok twardo )
lub w stanie obrobionym cieplnie. Cele jakie realizuj si przez obróbk ciepln to:
usuni cie napr e odlewniczych (s one w przypadku skomplikowanego odlewu z eliwa
o wysokiej zawarto ci w gla i chromu przyczyn p kni
w czasie eksploatacji),
zwi kszenie twardo ci i wytrzymało ci oraz poprawa obrabialno ci mechanicznej (je li
odlewy wymagaj tej obróbki). Według opinii autorów szeregu publikacji [np. 8 – 14]
obróbka cieplna zwi ksza odporno na cieranie dzi ki zmianie osnowy metalowej.
Z przeprowadzonych bada wynika, e najwy sze warto ci twardo ci (ok. 65 HRC)
daje wy arzanie odlewów w temperaturze 950 – 10000C przez 1,5 do 2 godz.
z chłodzeniem w oleju lub w powietrzu (spokojnym lub spr onym). Zaleci nale y raczej
chłodzenie w powietrzu, albowiem w niektórych przypadkach chłodzenie w oleju
powoduje p kni cia. Przeprowadzone nast pnie odpuszczanie w temperaturze ok. 2000C
w małym stopniu zmniejsza twardo (pozytywnie, jak mo na przypuszcza wpłynie na
napr enia).
Chłodzenie odlewów z piecem po wygrzaniu w podanych wy ej temperaturach
prowadzi do zmniejszenia twardo ci (zmi kczenia). Taki zabieg cieplny b dzie korzystny
w przypadku odlewów wymagaj cych obróbki skrawaniem. Przykładowe relacje mi dzy
warto ciami twardo ci w ró nym stanie obróbki cieplnej eliwa zawieraj cego 3,4%C,
15%Cr, 0,2% Ni i 0,2% Mo s nast puj ce: w stanie po odlaniu – 45HRC, po wy arzaniu
w temperaturze 9800C z chłodzeniem w spokojnym powietrzu – 62HRC, po hartowaniu
w wodzie – 63HRC (p kni cia w odlewie) i po chłodzeniu razem z piecem – 37 HRC.
9
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
Rys. 3. Jama skurczowa w zamku łopatki.
a)
b)
Rys.4. Wady powierzchni roboczej odlewu łopatki (a) i nierównomierno
zwi zana z wad wewn trzn (b).
zu ycia
5. Podsumowanie.
Na podstawie przeprowadzonych bada i analiz literaturow mo na sformułowa
nast puj ce wnioski:
1. Mo na przyj , e eliwo wysokochromowe o mikrostrukturze eutektycznej lub
podeutektycznej jest odpowiednim tworzywem na łopatki rzutowe oczyszczarek
strumieniowo- ciernych wykorzystuj cych rut ze stopów elaza. Warunki
metalurgiczno-odlewnicze wykonania odlewów powinny zapewnia du
dyspersj fazy w glikowej i jednorodno jej rozmieszczenia..
2. Istotnymi czynnikami zapewniaj cymi wi ksz trwało eksploatacyjn łopatek
rzutowych s : brak wad wewn trznych i powierzchniowych w odlewie oraz
makroskopowa jednorodno budowy w całej łopatce.
3. Maj c na uwadze zmniejszenie prawdopodobie stwa wyst pienia w łopatkach
rzutowych p kni , wykrusze i wyłama z zamka, nale y eliminowa łopatki
wadliwe przed ich zamontowaniem w urz dzeniu stosuj c ich starann kontrol
m.in. przez badania nieniszcz ce.
10
Nowa Sól 08-09.06.2006 r
IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
MIKROSTRUKTURA I WŁA CIWO CI STOPÓW NA ŁOPATKI
RZUTOWE OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO - CIERNYCH
4. Wła ciwo ci u ytkowe łopatek z eliwa wysokochromowego poprawia obróbka
cieplna. Jej efekt polega przede wszystkim na zwi kszeniu twardo ci w wyniku
zmiany osnowy; obróbka cieplna zmniejsza równie napr enia własne w odlewie
łopatki. Efekt obróbki cieplnej wyra nie zwi ksza molibden.
5. Jak wykazuj próby zastosowanie technologii odlewania skorupowego pozwala na
wyeliminowanie nieci gło ci materiału łopatek, popraw gładko ci powierzchni
oraz zwi kszenie dokładno ci wymiarowej i wagowej łopatek.
6. Literatura.
1. Piosik T. – Wirnikowe oczyszczarki strumieniowo- cierne. Biuletyn Konferencji
Odlewniczej Technical 2002, Nowa Sól.
2. Fedoryszyn A., Zyzak P. – Charakterystyka podstawowych zespołów
oczyszczarek strumieniowo-sciernych. Biuletyn Konf. V Konferencji Odlewniczej
Technical 2002, Nowa Sól.
3. Uetz H. – Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, 1976, z.1 (25), s.7 – 29.
4. Bitter J.G. – Wear, 1963, nr 6, s.5-21.
5. Kilarski J., Studnicki A., Sucho J., Bartocha D. – Przegl d Odlewnictwa, 2005,
nr 4, s.284-287.
6. Norman T.Z. – Gisserei-Praxis, 1969, nr 20, s.359-364.
7. Zibulla F.- Gissereitechnik, 1966, nr 5, s.152-155.
8. Kitajgora N.J. – Lit. Proizw., 1972, nr 2. s.18-19.
9. Fremunt P., Pascal B., Varhaniczek J. – Mi dzynarodowy Kongres Odlewników,
Moskwa 1973, referat nr 16.
10. Wojnow D.A. – Iznostoikije spławy i pokrytia. Maszinostrojenie, Moskwa 1980.
11. Kitajgora N.J. - Lit. Proizw.., 1972, nr 8, s.33-34.
12. Kitajgora N.J. – MiTOM, 1975,nr 5, s.49-53.
13. Zurow A.A., Silman G.J., Frolcow m.S. – Iznostoikije oliwki i kompleksjo legirowanych biełych czugunow. Maszinostrojenie, Moskwa 1984.
14. Popow W.S., Nagornyj Ł. – Lit. Proizw., 1971, nr 9, s.30-33.
15. Rzadkosz S., Staszczak L. – Badania metaloznawcze eksploatowanych łopatek
rzutowych wykonanych z eliwa wysokochromowego (nie publ.). Kraków 2001.
11