ELIWO WYSOKOCHROMOWE NA ŁOPATKI RZUTOWE OCZYSZCZAREK WIRNIKOWYCH

Transkrypt

1 5/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN ELIWO WYSOKOCHROMOWE NA ŁOPATKI RZUTOWE OCZYSZCZAREK WIRNIKOWYCH S. RZADKOSZ 1, L. STASZCZAK 2. Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE Opisano główne mechanizmy zuycia ciernego oraz zasady doboru stopów odlewniczych odpornych na cieranie. Wicej uwagi badawczej skierowano na eliwo o zwikszonej zawartoci chromu stosowanemu do wytwarzania łopatek rzutowych do oczyszczarek wirnikowych. Omówiono wpływ zawartoci składników tego eliwa na jego odporno na cieranie oraz na właciwoci odlewnicze, decydujce o powstawaniu jam skurczowych i rzadzizn, które obniaj trwało eksploatacyjn łopatek. Podano sposoby obróbki cieplnej łopatek z eliwa wysokochromowego, której efektem jest zwikszenie twardoci łopatek oraz zmniejszenie napre własnych. Key words: shot-blasting machine, high chromium cast iron,, wear resistance 1. WPROWADZENIE W oczyszczarkach strumieniowo-ciernych elementy niektórych zespołów konstrukcyjnych naraone s na intensywne zuycie cierne. Nale do nich [1,2]: wyłoenie kabiny roboczej, korpus wirnika rzutowego, koło rzutowe, łopatki rzutowe, tuleja regulacyjna i wirniczek rozdzielczy. Zuywanie si tych elementów ma nie tylko aspekt ekonomiczny. Wpływa take, z upływem czasu eksploatacji, na efektywno oczyszczania odlewów. Niszczenie elementów konstrukcyjnych oczyszczarek nastpuje wskutek oddziaływania na ich powierzchni lunych czstek cierniwa. cierniwem jest stosowany do oczyszczania odlewów rut eliwny, stalowy lub staliwny o rónym kształcie, wielkoci i twardoci oraz piasek kwarcowy zmieszany ze rutem, którego 1 dr hab. in., prof AGH, rzadkosz@uci.agh.edu.pl 2 dr in., staszcz@uci.agh.edu.pl

2 ródłem s odlewy silnie zanieczyszczone mas formiersk. Wymienione elementy oczyszczarek wykonywane s obecnie najczciej z bardzo twardego i trudnocieralnego białego eliwa o wysokiej zawartoci chromu zawierajcego dodatkowo inne dodatki stopowe. 2. MECHANIZMY ZUYCIA CIERNEGO Sposoby niszczenia materiałów metalowych podczas cierania okrelane s jako: bruzdowanie (wystpuje w warunkach duych obcie mechanicznych jakie maj miejsce np. w przypadku zbów koparek, szczk kruszarek i łamaczy itp.), erozja (wystpuje w przypadku małych czstek, poruszajcych si wzgldnie swobodnie po powierzchni i nie wywołujcych wikszych napre w czciach roboczych; ma miejsce w urzdzeniach mieszajcych i transportujcych piasek i minerały, sortownikach, oczyszczarkach rutowych itp.) i cieranie zmczeniowe (ma miejsce gdy ciało cierajce np. minerał odkształca warstw wierzchni, co prowadzi do wykruszania jej fragmentów [3]. Bruzdowanie wystpuje przy ostrym kcie oddziaływania czstek cierajcych na powierzchni, podczas gdy cieranie zmczeniowe ma miejsce przy kcie oddziaływania bliskim 90. Obydwa mechanizmy działaj równoczenie, a udział kadego z nich zaley nie tylko od kata uderzenia czstek, ale równie od właciwoci materiału ciernego oraz prdkoci czstek. Stosunkowo najlepiej zostało opisane teoretycznie zuycie cierne zwizane zarówno z oddziaływaniem czstek padajcych na powierzchni pod małymi katami jak i duymi katami. Opisuje go dobrze teoria Bittera [4], której zgodno z praktyk wykazano w wielu badaniach m.in. omówionych w publikacjach [3, 5]. Dla małych któw (< 20 ) oddziaływania czstek na powierzchni korzystne jest zastosowanie materiałów twardych np. eliwa białego, natomiast dla duych katów (> 50 ) korzystne jest zastosowanie materiałów odpornych na uderzenia czstek tj. posiadajcych pewn plastyczno, wysok granic sprystoci i du wytrzymało; w tym przypadku twardo materiału nie jest głównym kryterium doboru materiału [5]. W zakresie któw zawartych w przedziale zuywanie si materiałów jest nadmierne i w praktyce naley go unika [5]. Niezalenie od materiału cieranego i kta padania strumienia czstek, na zuycie elementów konstrukcyjnych wpływa twardo czstek, ich prdko, kształt, ostro, wielko i masa. Mniejsze zuycie wystpuje wówczas, gdy twardo materiału ciernego jest mniejsza od twardoci materiału elementu konstrukcyjnego. Bdzie ono wzrasta wraz ze zwikszeniem twardoci czstek cierniwa. Wzrost ten nie przebiega stopniowo lecz odbywa si z nagłym przejciem od poziomu niskiego do poziomu wyszego. Obszar przejciowy zaczyna si mniej wicej tam, gdzie twardo czstek zrównuje si z twardoci materiału elementu konstrukcyjnego. Przy znanej twardoci ziaren materiału ciernego mona z góry oszacowa, czy dane tworzywo bdzie si znajdowa w dolnym czy górnym zakresie zuycia. 72

3 Do oczyszczania powierzchni odlewów stosuje si rut eliwny, staliwny lub stalowy city o granulacji od 0,6 do 1,6 mm, dobierany w zalenoci od pocztkowego stanu powierzchni i zamierzonego efektu kocowego oczyszczania. Twardo poszczególnych rodzajów rutu jest zrónicowana i tak: dla rutu stalowego citego z blachy niskowglowej zawiera si w przedziale HV, dla rutu staliwnego niskowglowego HV (dla rutu staliwnego wysokowglowego jest jeszcze wiksza) oraz dla eliwnego ok. 360 HV [1]. Z danych eksploatacyjnych wynika, e intensywne zuywanie si elementów wirnika wywołuje rut eliwny oraz rut staliwny wysokowglowy. Mniej niszczco działa rut wykonany z mikszych materiałów. W przypadku oczyszczarek due niszczenie wirnika wywołuje piasek kwarcowy wmieszany w strug rutu. Przytoczone dane potwierdzaj ogólne tendencje w zakresie intensywnoci zuycia ciernego w zalenoci od twardoci materiału cierajcego. Zuycie spowodowane uderzeniem strumienia czstek zwiksza si take wraz ze wzrostem prdkoci czstek. W oczyszczarkach rutowych prdko wylotowa rutu zawiera si w granicach m/s [1]. Z dowiadcze eksploatacyjnych wynika, e zwikszanie prdkoci powyej 80 m/s zwiksza nie tylko koszty energii, ale przede wszystkim silnie zwiksza zuycie łopatek rzutowych oraz wirników i z tych powodów jest nieuzasadnione. Z teorii Bittera wypływaj pewne ogólne zasady doboru materiału. Biorc pod uwag udział wielu czynników w procesach cierania oraz bardzo róne warunki pracy elementów konstrukcyjnych naley zauway, e mechanizmy i morfologia zuycia, a take dobór materiałów na te elementy musz by rozpatrywanie indywidualnie, co najwyej z pewnymi analogiami. Z tych samych powodów próby laboratoryjne wykorzystywane do oceny odpornoci materiałów na cieranie nie maj pełnego odniesienia do ich zachowania si w konkretnych zastosowaniach. Z tego powodu najlepszym sprawdzianem przydatnoci materiału do konkretnych warunkach eksploatacyjnych s próby przemysłowe. 3. STOPY ODLEWNICZE ODPORNE NA CIERANIE Lane stopy odporne na cieranie, mona ogólnie uszeregowa wg malejcej odpornoci nastpujco [6]: eliwo białe z du zawartoci chromu, eliwo białe martenzytyczne ze redni zawartoci dodatków stopowych, eliwo białe podeutektyczne, eliwo martenzytyczne o redniej i duej zawartoci wgla, staliwo austenityczne managanowe, niskostopowe staliwo perlityczne i staliwo niskowglowe. Najlepsz odpornoci na cieranie charakteryzuj si gatunki eliwa z dua zawartoci chromu i najczciej z dodatkiem molibdenu o mikrostrukturze martenzytycznej. W dotychczas opracowanych odlewniczych stopach elaza odpornych na cieranie, podstawowymi fazami mikrostruktury s wgliki pierwiastków przejciowych (głównie chromu) oraz martenzyt i austenit. Oprócz mikrotwardoci wglików wany jest ich udział, kształt, wielko i rozmieszczenie. Wymaga si aby wydzielenia wglikowe miały du dyspersj i równomierne rozmieszczenie, były izolowane od siebie oraz dobrze utwierdzone w osnowie metalowej. 73

4 Konkretnym warunkom cierania w rónych urzdzeniach odpowiada okrelona mikrostruktura stopów. Jej ustalenie moliwe jest jedynie na drodze eksperymentalnej. Na podstawie danych literaturowych i praktyki mona stwierdzi, e na elementy wirników w oczyszczarkach strumieniowych jest najczciej zalecane i w praktyce stosowane eliwo wysokochromowe (12 20%Cr) zawierajce równie dodatkowe składniki stopowe. 4. ELIWO WYSOKOCHROMOWE NA ŁOPATKI RZUTOWE. W stopach Fe-C-Cr skład fazowy mikrostruktury uzaleniony jest od zawartoci wgla i chromu, a praktycznie od stosunku Cr/C. Na rys. 1 zamieszczono uproszczony wykres wystpowania rónych rodzajów wglików w tym eliwie. Z tych wglików najwysz twardoci ( HV) charakteryzuje si wglik (Fe,Cr) 7 C 3 i ze wzgldu na odporno na cieranie dobiera si taki skład chemiczny eliwa, który zapewnia wystpienie takiego typu wglika. Rys. 1. Wystpowanie rónych rodzajów wglików w eliwie wysokochromowym w zalenoci od zawartoci wgla i chromu [7] Fig. 1. The diagram of different carbide presence in high chromium cast iron vs. carbon and chromium contents [7] Jak wykazuj badania odporno na cieranie omawianego eliwa zwiksza si wraz ze wzrostem udziału fazy wglikowej. Dotyczy to stopów podeutektycznych i eute 74

5 ktycznych. W stopach nadeutektycznych pierwotne wydzielenia wglików mog by wykruszane, zwikszajc w ten sposób zuycie. Drobne wydzielenia wglików, korzystne ze wzgldu na odporno na cieranie, uzyskuje si przy wikszych prdkociach krystalizacji oraz w wyniku oddziaływania niektórych dodatkowych pierwiastków (Mo, Ti, N, Mn, W, V).. W praktycznie wykorzystywanych gatunkach eliwa wysokochromowego odpornego na cieranie osnowa metalowa moe by: bainityczna, martenzytyczna i ferrytyczna. W warunkach cierania erozyjnego, gdy naciski dynamiczne na powierzchnie robocze s niedue, najlepsz osnow jest osnowa martenzytyczna o wysokiej zawartoci wgla. Korzystnie, z punktu widzenia odpornoci na cieranie, wpływaj na osnow metalow: mangan, nikiel i molibden. Pierwiastki te (w ronych kombinacjach) wystpuj w wielu gatunkach eliwa wysokochromowego stosowanego na łopatki rzutowe. Badania własne autorów referatu dotyczyły moliwoci poprawy jakoci odlewów łopatek wykonanych z eliwa o rónej zawartoci wgla i chromu (2,8-3,6 % C oraz 15,0-25,5% Cr). eliwo zawierało take dodatki niklu (0,2-1,8 %) oraz molibdenu (0,15-1,8 %). W łopatkach odlanych z tego eliwa wystpuje mikrostruktura podeutektyczna i eutektyczna (rys.2) złoona z ferrytu chromowego i wglika typu M 7 C 3 (głównie). a) Pow. x150 b) Pow. x150 Rys. 2. Mikrostruktura eliwa wysokochromowego: a) podeutektycznego, b) eutektycznego Fig. 2. Microstructure of high chromium cast iron: a) subeutectic structure, b) eutectic structure Z powodu niekorzystnych właciwoci odlewniczych badanego eliwa, niektóre wykonane z niego odlewy miały wady w postaci jam skurczowych i rzadzizn. Znajdowały si one przewanie w pobliu pogrubionej czci odlewu tj. w miejscu zamka (rys.3). Stwierdzono równie, e rodkowe czci łopatek maj mniej zwart struktur, czego konsekwencj jest nisza twardo eliwa w tych czciach. Z prowadzonych wczeniej bada łopatek po eksploatacji [8] wynika, e w miejscach wystpowania wad materiałowych powierzchniowych i podpowierzchniowych 75

6 znajdujcych si w czci roboczej (rzadzizny, dua chropowato, kratery, pcherze gazowe, wiksze wtrcenia egzogeniczne), wystpuj stosunkowo due ubytki materiału, potgujce si z czasem eksploatacji (rys. 4). Rys. 3. Jama skurczowa w zamku łopatki Fig. 3. Shrinkage cavity in the impeller s fastener Przyjmujc w lad za dotychczasowymi dowiadczeniami eksploatacyjnymi, e eliwo wysokochromowe jest dobrym tworzywem łopatek rzutowych, w badaniach skoncentrowano si na analizie moliwoci poprawy jakoci odlewów na drodze metalurgiczno-odlewniczej. Sugestie wynikajce z tych bada wymagaj osobnego omówienia poza niniejszym referatem. Badania dotyczyły take moliwoci poprawy odpornoci na cieranie badanego eliwa poprzez obróbk ciepln. W praktyce odlewy łopatek stosuje si bd bez obróbki cieplnej lub w stanie obrobionym cieplnie. Cele jakie realizuje si przez obróbk ciepln to: usunicie napre odlewniczych (s one w przypadku skomplikowanego odlewu z eliwa o wysokiej zawartoci wgla i chromu przyczyn pkni w czasie eksploatacji), zwikszenie twardoci i wytrzymałoci oraz poprawa obrabialnoci mechanicznej (jeli odlewy wymagaj tej obróbki). Według opinii autorów wielu publikacji obróbka cieplna zwiksza odporno na cieranie dziki zmianie osnowy metalowej. Z przeprowadzonych bada wynika, e najwysze wartoci twardoci (ok. 65 HRC) daje wyarzanie odlewów w temperaturze C przez 1,5 do 2 godz. z chłodzeniem w oleju lub w powietrzu (spokojnym lub spronym). Zaleci naley 76

7 a) b) Rys. 4. Wady powierzchni roboczej odlewu łopatki (a) i nierównomierno zuycia zwizana z wad wewntrzn (b) Fig. 4. The defects of working surface of impeller s casting (a), and heterogeneous of impeller wear caused by the internal defect (b) raczej chłodzenie w powietrzu, albowiem w niektórych przypadkach chłodzenie w oleju powoduje pknicia. Przeprowadzone nastpnie odpuszczanie w temperaturze ok. 200 C w małym stopniu zmniejsza twardo ( pozytywnie, jak mona przypuszcza wpłynie na naprenia). Chłodzenie odlewów z piecem po wygrzaniu w podanych wyej temperaturach prowadzi do zmniejszenia twardoci (zmikczenia). Taki zabieg cieplny bdzie korzystny w przypadku odlewów wymagajcych obróbki skrawaniem. Przykładowe relacje midzy wartociami twardoci w rónym stanie obróbki cieplnej eliwa zawierajcego 3,4%C, 15%Cr, 0,2% Ni i 0,2% Mo s nastpujce: w stanie po odlaniu 45HRC, po wyarzaniu w temperaturze 980 C z chłodzeniem w spokojnym powietrzu 62HRC, po hartowaniu w wodzie 63HRC (pknicia w odlewie) i po chłodzeniu razem z piecem 37 HRC. 5. PODSUMOWANIE Wyniki przeprowadzonych bada mona podsumowa nastpujco: 1. Mona przyj, e eliwo wysokochromowe o mikrostrukturze eutektycznej lub podeutektycznej jest odpowiednim tworzywem na łopatki rzutowe oczyszczarek strumieniowo-ciernych wykorzystujcych rut ze stopów elaza. Warunki metalurgiczno-odlewnicze wykonania odlewów powinny zapewnia du dyspersj fazy wglikowej i jednorodno jej rozmieszczenia. 2. Istotnymi czynnikami zapewniajcymi wiksz trwało eksploatacyjn łopatek rzutowych s: brak wad wewntrznych i powierzchniowych w odlewie oraz makroskopowa jednorodno budowy w całej łopatce. 77

8 3. Majc na uwadze zmniejszenie prawdopodobiestwa wystpienia w eksploatowanych łopatkach rzutowych pkni, wykrusze i wyłama z zamka, naley eliminowa łopatki wadliwe przed ich zamontowaniem w urzdzeniu. 4. Właciwoci uytkowe łopatek z eliwa wysokochromowego poprawia obróbka cieplna. Jej efekt polega przede wszystkim na zwikszeniu twardoci w wyniku zmiany osnowy; obróbka cieplna zmniejsza równie naprenia własne w odlewie łopatki. Efekt obróbki cieplnej wyranie zwiksza molibden. 5. Jak wykazuj wstpne próby, zastosowanie technologii odlewania skorupowego pozwala na wyeliminowanie niecigłoci materiału, popraw gładkoci powierzchni oraz zwikszenie dokładnoci wymiarowej i wagowej łopatek. LITERATURA [1] Piosik T.: Biuletyn V Konferencji Odlewniczej Technical 2002, Nowa Sól. [2] Fedoryszyn A., Zyzak P.: Biuletyn V Konferencji Odlewniczej Technical, 2002, Nowa Sól. [3] Uetz H.: Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, 1976, z.1 (25), s [4] Bitter J.G.: Wear, 1963, nr 6, s [5] Kilarski J., Studnicki A., Sucho J., Bartocha D.: Przegld Odlewnictwa, 2005, nr 4, s [6] Norman T.Z.: Gisserei-Praxis, 1969, nr 20, s [7] Zibulla F.: Gissereitechnik, 1966, nr 5, s [8] Rzadkosz S., Staszczak L.: Badania metaloznawcze eksploatowanych łopatek rzutowych wykonanych z eliwa wysokochromowego (nie publ.), Kraków HIGH CHROMIUM CAST IRON FOR IMPELLERS OF SHOT BLASING MACHINES SUMMARY The main mechanisms of attrition wear and the principles of the selection of wearresistant casting alloys have been described. More researches attention have been directed on high chromium cast iron usually applied for manufacturing impellers used in shot blasting machines. The results of investigation concerning influence of cast alloy ingredients contents on the wear-resistance and on the casting properties of the alloy, crucial for shrinkage cavity volume or porosity formation, which decreases of shot blasting impellers durability. The thermal treatment of shot blasting impellers have been proposed by the authors which resulted in increasing of impellers hardness and lowering of their own stresses. Recenzował: prof. dr hab. in. Józef Dako. 78