24/30 Solidification of Metal~ :md Alloys, No.23, 19<J5 /(rzepniecie Metali i Stopóll', Nr 23, 1995 PAN - Oddzial Katowice PL JSSN

Transkrypt

1 24/30 Solidification of Metal~ :md Alloys, No.23, 19<J5 /(rzepniecie Metali i Stopóll, Nr 23, 1995 PAN - Oddzial Katowice PL JSSN KOMPOZYTOWE KORPUSY POMP GÓRNICZYCH.t. CHOLEWA Mirosław, GAWROŃSKI Józef, SZAJNAR Jan Katedra Odlewnictwa, Politeclmika Śląska 44-l 00 Gliwice, ul. Towarowa 7, POLAND l. WPROWADZENIE Przedstawione opracowanie powstało na skutek potrzeb wskazanych przez Zab r z m1 ską Wytwó rnię Maszyn Górniczych "POWEN". Fabryka jest jedną z wielu produkujących pompy górnicze. Pompy te w czasie intensywnej eksploatacji, przy ograniczonych możliwo śc iach konse1wacji i napraw ulegają szybkiemu, przedwczesnemu zużyciu. Dotyczy to w szczególności takich elementów jak wirnik i korpus pompy w obszarze pracy wirnika. Ulegają one intensywnemu zużyciu erozyjnemu wskutek ścierającego dzialania naturalnych, mineralnych kruszyw obecnych w wodach i mulach wyrobisk kopalnianych. Wraz z erozyjnym zużyciem elementów pomp występuje także korozyjne oddziaływanie silnie zasolonych wód kopalnianych. Stwarza to konieczność stosowania materiałów o zwiększonej odporności na korozję i erozję jednocześnie. Ponadto szczególne wymogi bezpieczeństwa pracy w kopalniach takie pk: odporność na iskrzenie, nawet przy mechanicznych uszkodzeniach urządzenia jak również wymóg minimalnego ciężaru pompy wskazują na stosowanie stopów aluminium jako podstawowego materialu konstrukcyjnego korpusów pomp. Stopy aluminium powszechnie stosowane na korpusy to g łównie stopy z krzemem lub magnezem i manganem - jednak ich trwałość eksploatacyjna jest niezadowalająca. Wskazane potrzeby zwiększenia trwałości, żywotności pomp stanowiły podstawę dla przeprowadzonego eksperymentu, który mial na celu dobranie materialu o wysokich walorach u żytkowych. Zakres badań obejmowal kompozyty cząs tkowe wytwarzane technikami odlewniczymi. Przy określaniu warunków badań posłużono się parametrami technicznymi pracy korpusu typowej pompy o oznaczeniu producenta P-1 C C.

2 196 Do badań wytypowano kompozyty c ząs tkowe na bazie stopów aluminium z dodatkiem węglików krzemu i odniesiono wyniki do tradycyjnie stosowanych materiałów na korpusy. Przygotowanie kompozytu w stanie ciekłym oraz wykonanie odlewów próbnych przeprowadzono według własnej, sprawdzonej technologii. Technologia ta była wykorzystywana do wytwarzania kompozytów cząstkowych o szczególnych wła s nościach trybologicznych np. małym współczynniku tarcia i małym wskaźniku zużycia - kompozyt AI-Si+CJ!T [l, 2, 3]; dużym w spółczynniku tarcia i małym wskaźn iku zużycia - kompozyt Al-S i+ SiC [ 4, 5] itp. W zależności od wymagań proces odlewania kompozytów był wspomagany wirującym polem magnetycznym a także przez odlewanie do form wirujących. Podjęte w tym opracowaniu zagadnienie jest kontynuacją badaó w zakresie materiałów kompozytowych odpornych na zużyc ie. 2. BADANIA WŁASNE Odlewy próbn e wykonano przez odlewanie grawitacyjne do form skorupowych. Szczególną uwagę poświęcono przygotowaniu metalicznej osnowy kompozytu, co wynika z konie cz no śc i stosowania dodatków zbrojąc ych, których udzjał ze wzg lęd ów technol ogicznych nie może przekroc zyć S -7 l 0% wag. w kompozycie. Badania zużycia próbek kompozytowych wykonano przy za ło że niu ekstremalnych warunków zasolen ia wody (120 kgl(mj HcO)) zawierającej lu ź ne ście rniwo w postaci piasku kwarcowego o frakcji głównej 0.63 l 0.40 l 0.32 i wskaźniku jednorodności 70%. W celu uzyskan1a maksimum informacji zastosowano m e t odę odwróconego z u życia. Liniowa prędkość względna czynnika erozyjno-korozyjnego ustalono w zakresie [mls].Czas jednego cyklu badań wynosił 7 godzin (25.2 ks). Środowisko erozyj nokorozyjne s t anowi ło złoże zaw ierające 67% wag piasku przy kwasowości ph 6 i średniej temperaturze 26 C. Wyniki badań zestawiono na rys. l. Wielko ś ć zużycia podano w wielkościach bezwzględnych, gdyż analizowane materiał y różnią się nieznacznie gęstośc ią. Takie podanie wyników przy jednakowych wymiarach próbek daje bardziej porównywalne efekty. Na wykresie słupko wym pokazano ś rednie zu ży cie badanych materiałów. Odlewy kompozytowe próbka l i 2 zawiera ły 5% wag. cząstek zbrojących SiC o ziarnistośc iach odpowiednio 63 i 71 ~un. Na rys.2 przedstawiono mikrografie badanych mat eriałów. Ponadto dokonano oceny odporności na korozję odlewów próbnych w solance nie zaw ierającej piasku, w warunkach statycznych. Charakter korozji zmienia s ię znacznie przy braku erozyjnego działania ścierniwa, ponieważ w stopach aluminium szczelna warstwa tlenków na powierzchni nadaje im charakterystyc z ną odporność na postępującą korozję. Warstwa tlenków poddana intensywnemu skrawaniu jest ustawicznie niszczona. Wynika stąd konieczność zmiany skła du stopu stanowiącego osnowę tak., aby poprawić niekorzystny mechanizm odporności na korozję.

3 197 1,8 1,6 IB9 śr. zu ży ci ~ pcl pierws7.)111 cyklu bnd rul O ś r. zu żyt.:i~ pu Jrugim cyklu badm1 śr. zu ży ci!! ~.:ulkow it e 1,72 Rys.! Średnie zużycie erozyjno-korozyjne (czas trwaniajednego cyklu bada ll wynosił 7 godzin) l) kompozytu zawierającego 5% wag SiC o ziarnistości 63 ~t m 2) kompozytu zaw ierającego S% wag SiC o z i arnistości 71 ~un 3) materialu osnowy kompozytu bez cząstek zb rojących 4) stopu AI-Si a) b)

4 198., r (. f"" -. ~ r- j-..,. ~ (jo lo, l -~, ~ f,,, ~... ~\ l. }... :)4r ~ ::::..J -./ ~ \. ~. }....,: ).i ~ ~ J.:, ( , c) d) Rys.2 Mikrografie ś wietlne badanych próbek do badań zużycia erozyjno-korozyj nego, (zgład y nietrawione) a) i b) ko mpoz ~rt z cząstkami węglika krzemu 71 ~tm (próbka nr 2) pow. ( x 263) i (x 675) c) osnowa kompozytu-bez cząstek zbrojących (próbka nr 3) pow. (x 675) d) stopu AI-Si (próbka nr 4) pow. (x 675) Czas trwania badań wynosił 6 miesięcy. Próbki zostały zanurzone w solance zaw ierającej 120 kg/(m 3 H20) przy kwasowości ph 6 (skład kąpieli odpowiadał składowi z badań zużycia erozyjno-korozyjnego). Bezwzględny ubytek masy spowodowany koro zją w warunkach statycznyc h dla poszczególn ych prób wynosił: a) kompozyt z cząstkami 63 ~tm -~m = 14.7 mg b) kompozyt z cząstkami 71 ~un - ~m = 15.6 mg c) osnowa kompozytu -~m = 16.2 mg d) stop AI-Si -~m = mg 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Przedstawione mikrografie potwierdzają poprawność strefy przejścia osnowa-zbrojenie a także nierównoosiowy charakter cząstek zbrojących. Taki k sz tałt cząstek wpływa niekorzystnie na możliwość wprowadzania do osnowy większej liczby cząstek, bez pogorszenia własności lejnych ciekłego kompozytu.

5 199 Zużycie erozyjno-korozyjne kompozytu oraz samej osnowy jest mniejsze od zużycia stopu AJ Si. O ile w przypadku stopu AJ-Si zużyc i e jest proporcjonalne do czasu eksploatacji o tyle w pozostałych przypadkach pierwszy cykl badaó dawał mmejsze zużycie próbek Najmniejsze zużycie w pierwszym cyklu badaó wykaza ł y próbki sta n owiące osnowę kompozytu bez cząstek zbrojących. Po drugim cyklu najmmejsze zużyc i e wykazywa ł y próbki kompozytu z cząstkami o z iarni stości 71 pm. One również wykazały najmniejsze ca łk owite zużyc i e po obu cyklach badall, które jest o 30% mniejsze od z u życia próbek stopu AI-Si. Po drugim cyklu badall zuż.yc i e bylo mniejsze o 25%. Jedno cześn ie było ono średnio o 7% mniejsze od zużycia materiału osnowy kompozytu. Jest to wynik korzystny, choć różnica jest niewielka. Wynika to z niewielkiej ilości cząstek zbrojących (5% wag). Na l eży oczekiwać, że wynik ten pozostaje w ścisłym związku z udział e m powierzchniowym cząstek zbrojących. Na l eży podkre ślić, że zwiększona odporność na erozję jest wynikiem zarówno obecności zbrojenia, ale także korzystn ymi wła śc iwo ściami osnowy kompozytu. 4. UWAGJ KOŃCOWE l WNlOSKJ Czynnikiem dominującym, odpowiedzialnym za zużycie korpusów pomp jest erozja. Kompozyty cząstkowe odlewane grawitacyjnie dają mo ż li wość poprawienia odporności na z użycie erozyjno-korozyjne. Uzyskano około 30% wzrost odporności na zużycie w stosu nku do stopów AI-Si tradycyjnie stosowanych w budowie korpusów pomp. Dalszy wzrost odporności na zużycie można uzyskać m.m. przez zastosowanie zwiększonego (powyżej 5%) udziału cząstek zbrojących o ksztalcie zb li żo nym do kulistego. LITERATURA l. J.Gawrollski, M.Cholewa: Kompozyty aluminiowo-gralitowe. Wpływ Parametrów wytwarzania na własności eksploatacyjne. VII Ogólnopolska Konferencja "Tendencje Rozwojowe w Technologii Maszyn" Zielona Góra J.Gawrollski, M.Clwlewa: Alum inium-grapbite dispersive composite with favourable tribologie properties; I Polish Conference Composite Metal Materials, Kraków M.Cholewa, J.Gawrollski: Phenomena in transi tion zone between components of graphitealuminium 111-nd Sc. Conf "Achievements in the Mechanical and material E nginieering", Gliwice M.Cholewa, J.Gawrollski, J.SzaJnar: "Aluminium-SiC ceramie particles composites. The technology of shape composites production", lnter. Conf "CADCOMP" Univ. Southampton 1994 S. M Cholewa, J.Gawrollski, J.Szajnar: "Aluminium-SiC ceramie particles composites" II-nd lnter. Sc. Conf Achivements in the Mechanical and Material Engineering Gliwice 1993

6 200 COMPOSITlNG TRUNKS OF MlNES PUMlS ABSTRACT In destription represented opmwn about the properties of aluminium-sic ceramie particles composites, resistants to erosive-corosive influence of brine drossed by minerał corpuscules. The aim of investigation is selection of material on pumps trunks, intendend for runmng m mmes.