Исследование абразивной износостойкости металла лопаток смесителя — пневмонагнетателя «СО 241»

№64-2,

Технические науки

Проведены сравнительные исследования абразивной износостойкости лопаток смесителя - пневмонагнетателя «СО-241» из следующих материалов: сталь “Hardox 450”, сталь 110Г13Л, сталь 15 с наплавкой Х10, серый чугун. Показано, что наилучшим комплексом служебных свойств обладают лопатки из стали 110Г13Л.

Похожие материалы

С целью определения износостойкости исследуемых образцов лопаток смесителя — пневмонагнетателя «СО — 241», используемых при приготовлении цементно — песчаных растворов, решались следующие задачи:

  • проектирование лабораторной установки;
  • изготовление установки, подготовка образцов к испытаниям;
  • разработка методики определения износостойкости на спроектированной установке;
  • обработка результатов эксперимента с их представлением в виде графиков.

За основу установки был взят сверлильный станок с регулируемой скоростью оборотов, позволяющий вращать образцы, как на малых, так и на высоких оборотах в направлениях — по часовой и против часовой стрелки.

В патрон сверлильного станка закреплялся вал диаметром 14 мм, в который продевался диск диаметром 162 мм с заранее просверленными в нём четырьмя отверстиями диаметром 8 мм под шпильки, расположенных друг относительно друга под углом 90˚ на равном отдалении от оси вала. Образцы закреплялись к шпилькам с помощью струбцин. Собранная установка погружалась в установленную на столе сверлильного станка ёмкость объёмом 40 см3 с загруженным в неё абразивным материалом.

Спроектированная и собранная установка позволяет проводить испытания на износостойкость различных материалов в абразивных средах.

Для исследования из новых лопаток были вырезаны пластины с размерами 6˟20˟30 из стали 110Г13Л, чугуна марки СЧ 25, стали 15 с износостойкой наплавкой Х10 и из стали Hardox 450.

Для создания более агрессивной среды по сравнению с реальными условиями работы в качестве абразивного материала использовался сухой грубый остроугольный песок из орловского карьера марки 4К2О103.

Песок перемешивали образцами со скоростью вращения 180 об./мин, предварительно закреплёнными к карусельной установке. В стакан ёмкостью 40 см3 (4) предварительно загружали абразивный материал(10), после чего включали двигатель, приводящий вращение вала (7) и закреплённого к нему держателя в форме диска с установленными в него образцами(6) [1].

Схема лабораторной установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Лабораторная установка для определения абразивной износостойкости: 1 — образец; 2 — струбцина; 3 — шпилька; 4 — карусель; 5 — стакан; 6 — гайка; 7 — вал; 8 — патрон; 9 — двигатель; 10 — песок

Общее время испытаний — 96 часов, после каждых 24 часов испытания образцы извлекали из стакана и определяли их массу с точностью до 0,01 г, затем заменяли песок после его измельчения на свежий и проводили ещё 3 цикла по 24 часа с последующей заменой песка и взвешиваниями после каждого цикла. Завершение испытания было предусмотрено после того, как один из образцов потеряет массу не менее 0,05 г. Точность взвешивания и минимальная потеря массы были выбраны для возможности корреляции полученных результатов с испытаниями, регламентируемыми ГОСТ 17367-71.

Разработанная методика позволяет исследовать и анализировать износостойкость образцов в условиях чисто абразивного износа.

Анализируя полученные данные по износу необходимо отметить, что в образце стали 15 с наплавкой (рис. 2), потеря массы образцом имела переменный характер, после первого цикла наблюдалась существенная потеря массы образца — 0,03 г, которая снижалась на втором и третьем цикле — до 0,01 г, а на четвёртом цикле возрастала — 0,02 г.

Зависимость потери массы образца из стали 15 от количеста циклов испытания
Рисунок 2. Зависимость потери массы образца из стали 15 от количеста циклов испытания

Металлографические исследования показали наличие значительного количества трещин в наплавленном металле, которые распространяются, как от зоны сплавления наплавленного металла с основным, (рис. 3, б), так и от рабочей поверхности, (рис. 3, а), что, вероятно, и являлось причиной резкой потери массы образцом.

Микроструктуры образца стали 15 с наплавленным слоем Х10 после испытания представлены на рисунке 3.

а)

б)

Рисунок 3. Микроструктура образца из стали 15 с наплавленным слоем Х10, х100: а — трещина от зоны сплавления; б — трещина от поверхности наплавленного металла

Исследование износостойкости образца серого чугуна СЧ 25 (рис. 4) показали, что его истирание было достаточно интенсивным и практически постоянным на протяжении всех четырех циклов испытаний. Потеря массы образцом после каждого цикла соответственно составляла 0,02 г, 0,01 г, 0,02 г, 0,01 г.

Зависимость потери массы образца серого чугуна СЧ 25 от количеста циклов испытания
Рисунок 4. Зависимость потери массы образца серого чугуна СЧ 25 от количеста циклов испытания

На рисунке 5 представлены микроструктуры образца серого чугуна СЧ 25 до и после испытаний на износостойкость.

а)

б)

Рисунок 5. Микроструктура серого чугуна СЧ 25, х500: а — до испытания; б — после испытания

Микроструктурный анализ показал, что вследствие абразивного воздействия на образец серого чугуна происходит структурирование графитной фазы и фосфидной эвтектики.

Форма включений графита в чугуне — пластинчатая завихренная ПГф2. Длина до испытаний — ПГд45, после — ПГд15. Распределение включений графита до испытания — ПГр1 равномерное, после — ПГр9 междендритное пластинчатое. Количество включений графита ПГ4.

Износ стали Hardox 450 (рис. 6), происходил также практически с одинаковой скоростью на всех 4-х циклах испытаний, но существенно меньшей, чем образец серого чугуна. После каждого цикла испытаний потеря массы составляла 0,01 г.

Зависимость потери массы образца стали Hardox 450 от количеста циклов испытания
Рисунок 6. Зависимость потери массы образца стали Hardox 450 от количеста циклов испытания

Исследование микроструктуры показало, что происходит разупрочнение характерной для стали Hardox 450 структуры мартенсита, до испытания её бал был 2, после стал 8 (рис. 7, а).

а)

б)

Рисунок 7. Микроструктура образцов из стали Hardox 450, х500: а — до эксперимента; б — после эксперимента

Возможно, это происходило вследствие отпуска мартенсита из-за локальных нагревов поверхности образца во время контакта с абразивными частицами среды испытания, поэтому в структуре металла выявляется более мягкая ферритная фаза (рис. 7, б), что и объясняет равномерный износ поверхности образца на всех 4-х циклах испытания.

После первого цикла испытаний образец из стали 110Г13Л изначально, имеющий аустенитную структуру (рис. 9, а), имел существенную потерю массы — 0,02 г, однако уже на втором цикле потеря массы образцом снизилась до 0.01 г (рис. 8).

Зависимость потери массы образца стали 110Г13Л от количеста циклов испытания
Рисунок 8. Зависимость потери массы образца стали 110Г13Л от количеста циклов испытания

Вероятно, это связано с проявлением характерного для стали 110Г13Л явления наклёпа рабочей поверхности (рис. 9, б), образующегося вследствие интенсивного контакта абразива с поверхностью металла образца. На третьем и четвёртом циклах потеря массы образца не наблюдалась.

На рисунке 9 представлены микроструктуры образцов из стали 110Г13Л до и после испытания.

а)

б)

Рисунок 9. Микроструктура стали 110Г13Л, х500: а — до проведения эксперимента; б — после эксперимента

Металлографическими исследованиями установлено, что до проведения испытаний структура стали 110Г13Л имела аустенитную структуру (зерно аустенита №6) с мелкими одиночными карбидами, (рис. 9, а) [2, 3].

На рисунке 9, б — в структуре поверхности образца после испытаний наблюдаются характерные для наклепанной поверхности линии скольжения. То есть, в процессе работы металл стали 110Г13Л претерпевает поверхностное упрочнение и становится устойчивым к абразивному износу, что объясняет отсутствие потери массы образцом на 3 и 4 циклах испытания [4].

Анализируя проведенные испытания на износостойкость исследуемых материалов (рис. 10) необходимо отметить, что максимальную потерю массы, а значит и максимальный износ показали образцы из стали 15 с наплавленным слоем Х10 — 0,07 г и из серого чугуна СЧ 25 — 0,06 г, соответственно наименьший износ наблюдался у образцов из стали 110Г13Л и стали Hardox 450.

Результаты сравнительного исследования образцов на абразивный износ
Рисунок 10. Результаты сравнительного исследования образцов на абразивный износ

Сравнивая между собой потери массы сталью Hardox 450 — 0,04 г и сталью 110Г13Л — 0,03 г можно отметить, что на первом цикле образец из высокомарганцовистой стали изнашивался интенсивнее чем из стали Hardox 450, однако на втором цикле износ стали 110Г13Л стал снижаться, а на третьем и четвёртом циклах, где сталь Hardox 450 продолжала изнашиваться с прежней интенсивностью, у стали 110Г13Л износ практически не наблюдался. Учитывая эти результаты можно предположить, что при увеличении срока службы рабочих поверхностей деталей в реальных условиях разница в потере массы рассмотренных материалов будет все больше проявляться. Поэтому сталь 110Г13Л показала наилучший результат в проведенной серии экспериментов.

Таким образом, комплексные исследования материалов лопаток смесителей — пневмонагнетателей позволили рекомендовать сталь 110Г13Л к использованию в качестве материала, работающего в условиях не только ударно — абразивного, но и чисто абразивного износа.

Список литературы

  1. Исследование износостойких материалов лопаток для смесителей – пневмонагнетателей / Н.И. Габельченко, А.Ал. Белов, Н.А. Кидалов, А.И. Габельченко, Н.В. Волкова // Известия Самарского научного центра РАН. - 2016. - Т. 18, № 1. - C. 175-178.
  2. Атабеков Е.И., Монгайт И.А. Влияние легирующих элементов на ударно-абразивную износостойкость стали 110Г13Л [Текст] // Сб. «Термическая обработка и физика металлов». Свердловск: Вып.2 УПИ, 1976. С. 33-36.
  3. Габельченко Н.И., Волкова Н.В. Получение стабильной аустенитной структуры и свойства деталей из стали 110Г13Л // Заготовительные производства в машиностроении. - 2012. - № 12. - C. 39-41.
  4. Коршунов Л. Г., Хадыев М. С., Немировский М.Р. О механизме упрочнения стали 110Г13 при трении // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1978. - №7. – С. 41-42.