MIKROSTRUKTURA I WŁACIWOCI STOPÓW NA ŁOPATKI RZUTOWE OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO CIERNYCH

Transkrypt

1 MIKROSTRUKTURA I WŁACIWOCI STOPÓW NA ŁOPATKI RZUTOWE OCZYSZCZAREK STRUMIENIOWO CIERNYCH Stanisław RZADKOSZ 1, Leopold STASZCZAK 2, Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 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 posiadajcych pewn energi, które wywołuj niekorzystne zjawiska prowadzce do ubytków w warstwie przypowierzchniowej. cierniwem jest stosowany do oczyszczania rut eliwny, stalowy lub staliwny o rónym kształcie, wielkoci i twardoci oraz piasek kwarcowy zmieszany ze rutem, którego 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, które zawiera dodatkowo inne dodatki stopowe. W referacie omówiono, w oparciu o literatur oraz badania własne: mikrostruktur i właciwoci takiego eliwa. Wskazano na wady odlewów pogarszajce właciwoci eksploatacyjne łopatek i rol obróbki cieplnej. 2. Mechanizmy zuycia ciernego. Sposoby niszczenia materiałów metalowych podczas cierania okrelane s jako: bruzdowanie lub inaczej mikroskrawanie (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 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. 1 dr hab. in., prof. AGH rzadkosz@uci.agh.edu.pl 2 dr in. staszcz@uci.agh.edu.pl 5

2 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Stosunkowo najlepiej zostało opisane teoretycznie zuycie erozyjne zwizane zarówno z oddziaływanie 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 0 ) oddziaływania czstek na powierzchni korzystne jest zastosowanie materiałów twardych np. eliwa białego, natomiast dla duych katów (>50 0 ) korzystne jest zastosowanie materiałów odpornych na uderzenia czstek tj. posiadajcych pewn plastyczno, wysok granic sprystoci i du wytrzymało np. staliwa Hadfielda; 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. 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. 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 od 400 do 430 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. Przy wzgldnie duym obcieniu spowodowanego du prdkoci strumienia uderzajcego o powierzchni, tworzywa twarde i kruche nie s w stanie odkształca si plastycznie, co powoduje pkanie i wykruszanie si materiału, zwikszajce w konsekwencji jego zuycie. 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 wirniczków 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 6 Nowa Sól r

3 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. eliwo z tej grupy jest szeroko wykorzystywane w urzdzeniach do przeróbki rud i minerałów, mieszarkach, pompach dla górnictwa, rurocigach transportujcych i urzdzeniach sortujcych materiały mineralne oraz w oczyszczarkach strumieniowych. W dotychczas opracowanych 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, równomierne rozmieszczenie, były izolowane od siebie osnow oraz dobrze utwierdzone w osnowie metalowej. Konkretnym warunkom cierania w rónych urzdzeniach odpowiada okrelona mikrostruktura stopów. Jej ustalenie moliwe jest jedynie na drodze eksperymentalnej. W oparciu o dotychczasowe prace w tym zakresie mona przyj za ogóln zasad, e budowa strukturalna tworzywa powinna by wielofazowa i koniecznie makroskopowo jednorodna. Na podstawie danych literaturowych i praktyki mona stwierdzi, e na elementy wirników w oczyszczarkach strumieniowych najczciej zalecane jest i stosowane eliwo wysokochromowe (12 20%Cr) zawierajce równie dodatkowe składniki stopowe. Korzystne właciwoci cierne tego eliwa wi si z wystpowaniem w mikrostrukturze wglika typu (Fe,Cr) 7 C 3 i w miar jednorodnej budowy stopu. 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. Wglik ten pojawia si przy wyszych zawartociach chromu w eliwie. Zwikszenie zawartoci wgla wymaga dalszego zwikszenia zawartoci chromu. Dodatki stopowe (Si, V, Al., Ni, Mo, W) pozwalaj uzyska wglik typu (Fe,Cr) 7 C 3 przy mniejszej zawartoci chromu. Jak wykazuj badania odporno na cieranie omawianego eliwa zwiksza si wraz ze wzrostem udziału fazy wglikowej. Dotyczy to stopów podeutektycznych i eutektycznych, albowiem 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 dodatkowych pierwiastków. Dyspersj wydziele wglikowych zwikszaj: molibden (1 4%), tytan (do 05 %), azot (do 0,1%), mangan (2 3%) a take wolfram i wanad. Molibden ponadto zwiksza jednorodno rozmieszczenia wglików w mikrostrukturze i zwiksza hartowno eliwa. 7

4 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Rys. 1. Wystpowanie rónych rodzajów wglików w eliwie wysokochromowym w zalenoci od zawartoci wgla i chromu [7]. 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 robocz 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. 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 wyej pierwiastki, poprzez oddziaływanie na mikrostruktur, zwikszaj twardo eliwa, jego wytrzymało oraz odporno na cieranie. Pierwiastki te (w rónych kombinacjach) wystpuj w wielu gatunkach eliwa wysokochromowego typowanego do zastosowania w warunkach cierania. Badania własne autorów referatu dotyczyły moliwoci poprawy jakoci odlewów łopatek wykonanych z odpornego na cieranie 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 oraz mieszaniny eutektycznej ferrytu i wglika typu M 7 C 3 (głównie). Z powodu niekorzystnych właciwoci odlewniczych eliwa wysokochromowego, niektóre wykonane z niego odlewy miały wady w postaci jam skurczowych i rzadzizn skurczowych. 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 [15] wynika, e w miejscach wystpowania wad materiałowych powierzchniowych i podpowierzchniowych 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). 8 Nowa Sól r

5 a) b) Rys.2. Mikrostruktura eliwa wysokochromowego: a) podeutektycznego, b) eutektycznego. Pow. x 150. 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 zastosowanego tworzywa poprzez obróbk ciepln. W praktyce odlewy łopatek stosuje si bd bez obróbki cieplnej (jeli odlewy surowe wykazuj odpowiednio wysok twardo) lub w stanie obrobionym cieplnie. Cele jakie realizuj 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 szeregu publikacji [np. 8 14] 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 raczej chłodzenie w powietrzu, albowiem w niektórych przypadkach chłodzenie w oleju powoduje pknicia. Przeprowadzone nastpnie odpuszczanie w temperaturze ok 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 C z chłodzeniem w spokojnym powietrzu 62HRC, po hartowaniu w wodzie 63HRC (pknicia w odlewie) i po chłodzeniu razem z piecem 37 HRC. 9

6 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Rys. 3. Jama skurczowa w zamku łopatki. a) b) Rys.4. Wady powierzchni roboczej odlewu łopatki (a) i nierównomierno zuycia zwizana z wad wewntrzn (b). 5. Podsumowanie. Na podstawie przeprowadzonych bada i analiz literaturow mona sformułowa nastpujce wnioski: 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. 3. Majc na uwadze zmniejszenie prawdopodobiestwa wystpienia w łopatkach rzutowych pkni, wykrusze i wyłama z zamka, naley eliminowa łopatki wadliwe przed ich zamontowaniem w urzdzeniu stosujc ich starann kontrol m.in. przez badania nieniszczce. 10 Nowa Sól r

7 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 próby zastosowanie technologii odlewania skorupowego pozwala na wyeliminowanie niecigłoci materiału łopatek, popraw gładkoci powierzchni oraz zwikszenie dokładnoci 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 Bitter J.G. Wear, 1963, nr 6, s Kilarski J., Studnicki A., Sucho J., Bartocha D. Przegld Odlewnictwa, 2005, nr 4, s Norman T.Z. Gisserei-Praxis, 1969, nr 20, s Zibulla F.- Gissereitechnik, 1966, nr 5, s Kitajgora N.J. Lit. Proizw., 1972, nr 2. s Fremunt P., Pascal B., Varhaniczek J. Midzynarodowy Kongres Odlewników, Moskwa 1973, referat nr Wojnow D.A. Iznostoikije spławy i pokrytia. Maszinostrojenie, Moskwa Kitajgora N.J. - Lit. Proizw.., 1972, nr 8, s Kitajgora N.J. MiTOM, 1975,nr 5, s Zurow A.A., Silman G.J., Frolcow m.s. Iznostoikije oliwki i kompleksjo - legirowanych biełych czugunow. Maszinostrojenie, Moskwa Popow W.S., Nagornyj Ł. Lit. Proizw., 1971, nr 9, s Rzadkosz S., Staszczak L. Badania metaloznawcze eksploatowanych łopatek rzutowych wykonanych z eliwa wysokochromowego (nie publ.). Kraków