CC BY
64
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.699
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
И.А. Басалай
Приведены результаты исследования эксплуатационных свойств инструмента и технологической оснастки, использующихся при производстве строительных материалов, упрочненных методом химико-термической обработки.
Ключевые слова: износостойкие покрытия, строительные материалы, бори-рование, физико-механических характеристик
Переработка нерудных полезных ископаемых при производстве строительных материалов эффективна при использовании на предприятиях инструмента и технологической оснастки высокой надежности. Условия их эксплуатации предопределяют развитие поверхностно-инициируемых процессов разрушения, следовательно, работоспособность изделий определяется физико-химическими и механическими свойствами поверхности изделия. Учитывая отечественный и зарубежный опыт использования методов поверхностной обработки, предполагающих формирование износостойких покрытий, можно считать их наиболее перспективными с точки зрения повышения эксплуатационной стойкости инструмента и оснастки, использующихся при производстве стройматериалов.
Анализ литературных данных свидетельствует о перспективности использования процессов термодиффузионной обработки для упрочнения оснастки и инструмента при производстве строительных материалов: бо-рирования (для упрочнения форм прессования, шнеков, пустото- и пазо-образователей, лопаток смесителей при производстве кирпича) [1-4]; кар-
81
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
бидизации (для упрочнения деревообрабатывающего инструмента) [5-7]; карбонитрации (для повышения стойкости литьевых форм при производстве алюминиевых и ПВХ-профилей) [8-11].
Цель работы - создание износостойких покрытий на основе бора на поверхности углеродистых сталей и разработка технологии упрочнения высоконагруженной оснастки и инструмента боридными покрытиями с заданными характеристиками.
Для получения боридных покрытий использован способ термодиффузионной обработки из порошковых сред, полученных методом внепеч-ной металлотермии, что немаловажно с точки зрения экономии энергоресурсов. Основой порошковых сред, полученных предлагаемым способом, является металлооксидная композиция. Использование метода внепечной металлотермии позволяет, не изменяя общей схемы процесса, в широких пределах варьировать исходными компонентами металлооксидной композиции и получать гомогенизированные порошковые насыщающие среды различных типов и активности. Инициирование реакции восстановления осуществлялось с помощью запала. Восстановление насыщающей смеси после инициирования реакции происходит по принципу процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После прохождения реакции восстановления контейнеры с порошковой смесью охлаждали, порошковую смесь измельчали в шаровых мельницах и просеивали (размер фракции 0,2...0,3 мм), добавляли активатор и проводили с ее использованием режим химико-термической обработки.
Учитывая технологические аспекты получения металлотермических порошковых сред (термитность, скорость протекания реакции и скорость проплавления) и результаты термодиффузионной обработки из них, выбраны определенные составы смесей, позволяющие получать на углеродистых сталях однофазные ^е2В), двухфазные (FeB+Fe2B) и однофазные, легированные хромом ^еСг)В диффузионные слои. Численные исследования неизотермических режимов борирования и математическое моделирование подтвердили, что при достаточно высоком химическом потенциале борирующей смеси возможны варианты как однофазного, так и двухфазного борирования, а при различных темпах нагрева смеси в одном и том же составе также можно получать как однофазные, так и двухфазные слои. Толщина исследуемых однофазных слоев составляет 160 мкм, двухфазных - 400 мкм, а однофазных, легированных хромом, - 500 мкм [12].
Исследования свойств покрытий проводили с использованием металлографического, дюрометрического, рентгеноспектрального и микро-рентгеноспектрального методов анализа.
_Геотехнология_
Технологическая оснастка и инструмент, использующиеся при производстве цемента, керамического и силикатного кирпича, работают в условиях интенсивного абразивного изнашивания и высоких давлений. Эффективность использования защитных покрытий на основе бора определяется правильностью выбора типа покрытия (однофазного или двухфазного), поскольку уровень его защитных свойств определяется фазовым составом.
Изучение свойств однофазных и двухфазных слоев проводили на стали У8 при их равной толщине ~ 140 мкм, причем в двухфазном слое соотношение фаз FeB и Fe2B составляло 50:50. Твердость боридных фаз одно- и двухфазных покрытий, полученных при насыщении из разработанных порошковых смесей, составляет соответственно для FeB 17500...20000 МПа, для Fe2B - 13500...16000 МПа, для (FeCr)B -20000...22000МПа.
Изучение микрохрупкости показало, что с увеличением содержания углерода в стали хрупкость фазы FeB в двухфазном покрытии и фаз Fe2B и (FeCr)B в однофазном снижается. Результаты исследования микрохрупкости боридных фаз в двухфазных слоях показывают, что показатель хрупкости борида FeB в 2 - 2,5 раза выше, чем аналогичная характеристика для борида Fe2B в однофазных слоях. При легировании диффузионного боридного слоя хромом (до 5 %) микрохрупкость фазы ^еСг)В снижается на 60 % по сравнению с фазой FeB. Проведено исследование хрупкого разрушения по сечению одно- и двухфазных боридных слоев на стали У8. При формировании однофазных боридных слоев как Fe2B, так и ^еСг)В во всем интервале температур борирования (800...1100 °С) на изделиях формируются остаточные напряжения сжатия, поэтому хрупкость исследованного однофазного боридного слоя по сечению практически не меняется.
Одной из характеристик хрупкого разрушения боридных покрытий является их склонность к скалыванию. Скалываемость боридных слоев определяли по удельной потере массы цилиндрических образцов (диаметр d = 16 мм, высота h = 20 мм) при различной степени деформации методом осаживания. Обычно скалывание покрытия происходит или по границе FeB - Fe2B в случае двухфазного слоя, или по границе сплошных зон Fe2B или ^еСг)В в случае однофазных слоев. Из экспериментальных данных следует, что однофазные боридные слои значительно меньше склонны к скалыванию, чем двухфазные.
Испытания на износостойкость боридных покрытий в условиях трения скольжения проводили на машине трения по двум схемам контактирования: «палец - втулка» и «втулка - плоскость». Схемы контакта и условия испытаний приведены в таблице.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
В ходе исследований установлено, что боридные покрытия значительно превосходят стойкость термообработанной стали, однако при низких скоростях скольжения целесообразнее применять однофазные, а при высоких - двухфазные боридные слои. Испытания, проведенные по схеме 2 (рис. 1), показали, что при принятых условиях работы износостойкость пары втулка - плоскость определяется, прежде всего, хрупкостью покрытия, а потом уже твердостью. Вид кривой 2 объясняется хрупким разрушением двухфазного боридного слоя на первых 4000 метрах пути трения.
Условия испытаний образцов на износостойкость
Схема контактирования Условия испытаний
1. Палец-втулка Втулка изготовлена из твердого сплава ВК29. Температура испытаний 20 °С. Максимальная масса груза 20 кг. Износостойкость оценивали по интенсивности изнашивания 1и, определяемую отношением величины линейного износа И к пути трения L
2. Втулка-плоскость Температура испытаний -20 °С. Испытывали пары: втулка из стали 45 с твердостью 50 НЯС и плоскость из стали 40Х с твердостью 45 НЯС без покрытия и соответственно пары с однофазным и двухфазным покрытием и на втулке (сталь 45) и на плоскости (сталь 40Х). Износостойкость оценивали по потере массы и уменьшению линейных размеров втулки
Частички боридов, являясь сильным абразивом и попадая в зону контакта втулки с плоскостью, резко увеличивают скорость износа, и поэтому втулка с двухфазным слоем изнашивается быстрее, чем втулка, подвергнутая закалке и отпуску.
После 6000 метров пути трения двухфазный слой истирается полностью, в то время как однофазные примерно на 1/3 первоначальной толщины, и износостойкость их в 2,6 раза выше износостойкости термообра-ботанной стали.
Как отмечалось выше, в результате термодиффузионной обработки стали У8 в борирующей смеси опытных составов на ее поверхности формируется диффузионный слой, состоящий из борида железа с поверхностной твердостью 16000...18500 МПа.
Для деталей, работающих в жестких условиях эксплуатации, в частности, абразивного и гидроабразивного износа, такая твердость поверхности не обеспечивает требуемую эксплуатационную стойкость и необходимый ресурс работы.
Испытаниям на гидроабразивный износ подвергали образцы из стали У8, борированные при температуре 950 °С в течение 6 часов. Относительная износостойкость определялась как отношение интенсивности из-
84
нашивания материала, принятого за эталон (в данном случае это сталь 45 в нормализованном состоянии) к интенсивности изнашивания испытываемого материала. В качестве несущей среды использовалась вода при скорости течения 85 м/с жидкость подавалась в сопло под давлением 40 атм. В качестве абразива применялся кварцевый песок с зернистостью ОД...0,3 мм. Характеристикой интенсивности изнашивания являлась потеря массы образца на 1 кг сухих абразивных частиц, попавших на образец.
0.5
Дш,
0.4 0,3 0,2 ОД 0
0 2000 4000 6000 8000 10000
Дш, г 250 200
150
100
50
0
0 2000 4000 6000 8000 10000
Д1, МКМ
Рис. 1. Влияние борирования на износостойкость сталей при испытании пары образцов втулка - плоскость: 1 - закалка с последующим отпуском, 50 НЯС; 2 - двухфазный боридный слой (РеВ+ Ре2В); 3 -однофазный боридный слой (Ре2В); 4 - однофазный
боридный слой (РеСг)В
Сравнительные результаты по испытанию образцов в разработанных составах приведены на рис 2. Как видно, введение оксида меди в насыщающую смесь в количестве 5...7 %, увеличивая микротвердость бо-ридного слоя на углеродистых сталях, позволяет повысить их стойкость к гидроабразивному износу.
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1
Как показывают проведенные исследования, боридные покрытия на углеродистых сталях обладают высоким комплексом физико-механи-ческих характеристик и могут быть с успехом использованы в отрасли производства строительных материалов для упрочнения быстроизнашивающихся деталей строительных машин и механизмов, инструментальной и технологической оснастки (направляющие при производстве керамических изделий, пресс-формы, пустото- и пазообразователи, керны).
Таким образом, проведенные исследования по изучению взаимосвязи между составами насыщающих смесей, условиями термодиффузионной обработки и основными характеристиками борсодержащих диффузионных покрытий позволили найти их оптимальные параметры для получения диффузионных покрытий с высокими физико-механическими свойствами.
и
%ъ 8
о ?
32
II
С О
н 50
5 6
Содержание CuO, %
Рис. 2. Влияние содержания оксида меди в исходной шихте на гидроабразивную износостойкость боридных покрытий на стали 45:
1 - двухфазный слой (FeB - Fe2B) ; 2- 4- однофазный слой, легированный хромом (FeCr)B
Установлено, что износостойкость боридных покрытий в условиях сухого трения скольжения определяется, прежде всего, схемой контактирования и характером относительного перемещения образцов, а также поверхностной твердостью и хрупкостью диффузионных слоев.
Подтверждена целесообразность использования процессов диффузионного борирования для упрочнения инструмента и технологической оснастки, работающих в условиях производства строительных материалов.
Список литературы
1. Мишаков Г.А., Родионов A.M. Диффузионное и лазерное бориро-вание инструментальных и конструкционных сталей // Тр.НГТУ. 2004. №45. С. 117-120. *
2. Genel K., Ozbek I., Bindal C. Kinetcs of bonding of AISI W1 steel // Mater. Sci. and Eng. A. 2003. V. 347. № 1-2. Р. 311-314.
3. Савинцев М.И. Упрочнение сталей термодиффузионным бориро-ванием // Технол.мет. 2004. №9. С. 20-23.
4. Баландин Ю.А. Многокомпонентные борсодержащие слои на штамповых сталях, полученные в псевдоожиженном слое // Сталь. 2005. №3. С. 98-100.
5. Stratton P.F., Segerberd S.A. comparative study of dry and lubricated adhesive wear after various thermochemical surfacе treatments // Heat Treat. Metals. 2004. 31. № 2. С. 37-41.
6. Shimosato Yoshikazu. Газовая цементация в среде с высоким содержанием СО // J. Jap. Soc.Treat. 2004 44. № 5. Р. 311-314.
7. Mayr Randschi-chtschadigung beim Harten und Einsatzharten von Stahlen. (Повреждение поверхностного слоя при закалке и цементации) / B. Clausen, F. Hoffmann, H.W. Zoch, P. // HTM: Harter.-techn.-Mitt. 2005. 60. № 1-2. Р. 12-18.
8. Gaseous nitriding process of surface nanocrystallized (SNCed) steel (Газовое азотирование поверхности стали с нанокристаллической структурой) / Bei Duohui, Gu Jianfeng, Pan Jiansheng, Lü Jian, Lu Ke. // J. Mater. Sci. and Technol. 2002. 18. № 6. Р. 566-568.
9. Блинков В.А., Ермакова В.С., Шевляков В.А Повышение стойкости прессового инструмента методом карбонитрации // Технол. легк. сплавов. 1995. № 4. С. 55.
10. Huskic A., Eckel M., Berg S. Verschleißminderung an Schmiedegesenken mittels Kombinationsbehaandlungen bestehend aus einer Plasmanitrie-rung und PACVD-Viellagenbeschichtung // Galvanotechnik. 2002. 93. №1. Р.214-222.
11. Клюев В.Н., Григорьев Е.В., Мнацаканян И.У. Исследование влияние параметров процесса карбонитрации на толщину диффузионного слоя. // Упрочняющ. технол. и покрытия. 2006. № 1. С18-21.
12. Упрочнение инструмента и технологической оснастки, использующихся при производстве строительных материалов / И.А. Басалай, Н.Г. Кухарева, С.Н. Петрович, Г.В. Стасевич // Строительная наука и техника. 2008. № 5(20) . С. 16-21.
Басалай Ирина Анатольевна, канд. техн. наук, доц., irgrig@tut.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский национальный технический университет
INCREASED WEAR RESISTANCE INDUSTRIAL EQUIPMENT FOR PRODUCTION
OF BUILDING MA TERIALS
I.A. Basalai
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
The results of the study of operational properties Instrum- she and tooling, used in the manufacture of building materials, hardened by thermochemical treatment.
Key words: wear-resistant coatings, building materials, borating, physical and mechanical properties
Basalai Irina Anatolevna, candidate of technical sciences, docent, irgrig@tut.by, Belarus republics, Minsk, Belarusian National Technical University
УДК 504.55.054:622(470.6)
КОНЦЕПЦИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ
В ДЕЗИНТЕГРАТОРЕ
В.И. Голик, В.И. Комащенко, И.М. Лавит
Показано, что традиционные обогатительные процессы не обеспечивают глубокого извлечения металлов из хвостов обогащения. Доказано, что метод механо-химической активации повышает эффективность обогащения за счет увеличения количества и видов применяемой энергии. Применение технологии механохимической активации обостряет ряд проблем ее обеспечения: повышение стойкости рабочего органа дезинтегратора, выбор реагентов, извлечение металлов из коллективного раствора. Основным достоинством технологии является исключение необходимости хранения хвостов переработки на земной поверхности с минимизацией или предотвращением ущерба экосистемам окружающей среды.
Ключевые слова: дезинтегратор, извлечение металлов, механохимическая активация, хвосты обогащения, окружающая среда.
В течение двух последних столетий, кроме основных компонентов технологии: температура, давление, диспергирование и катализ, используется феномен изменения состояния вещества с получением новых свойств - активация. У истоков концепции находится Й. Хинт (середина прошлого века) [1], который доказал, что в результате обработки при скорости удара 250 м/с, вещества приобретают новые технологические свойства. Это направление развивалось в конце прошлого века на Северном Кавказе и продолжает развиваться учеными СКГТУ и ГИ ВНЦ РАН (г. Владикавказ) [2]. Физико-химические и технологические процессы в твёрдых веществах протекают тем эффективнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества. К. Хесс, Е. Штойнер и Х. Фромм (1942 г.) выдвинули понятие «механохимия» - разложение карбонатов, хлоридов и других веществ при помоле в мельницах с образованием сернистых соединений и
