CC BY
15
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
СООБЩЕНИЯ REPORTS
УДК 621.901-034.14:66.088 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-1-81-85
АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОМОЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА РОТОРНО-ВИХРЕВОЙ МЕЛЬНИЦЫ
© 2020 г. С.Н. Егоров1, П.В. Сиротин1, В.Г. Тамадаев1, М. Сайах2, А.Е. Грипас3, С.Н. Миронова1
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Высшая инженерная школа Меджез-эль-Баб, г. Меджез-эль-Баб, Тунис, 3ООО «Новосфера», г. Новочеркасск, Россия
ANALYSIS OF THE SURFACE LAYER OF THE GRINDING ELEMENT
OF A ROTARY-VORTEX MILL
S.N. Egorov1, P.V. Sirotin1 V.G. Tamadaev1, М. Sayah2, A.E. Gripas3, S.N. Mironova1
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2High School of Engineers Medjaz el Bab, Medjaz el Bab, Tunis, 3LTD «Novosphere», Novocherkassk, Russia
Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: yegorov50@mail.ru
Сиротин Павел Владимирович - канд, техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: spv_61@mail.ru
Тамадаев Вячеслав Гаранович - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: tm.mf2015@yandex.ru
Сайах Мурад - инженер, Высшая инженерная школа Меджез-эль-Баб, г. Меджез-эль-Баб, Тунис. E-mail: sayeh mourad@outlook.fr
Грипас Алексей Евгеньевич - директор, ООО «Новосфера», г. Новочеркасск, Россия. E-mail: novosfera@mail.ru
Миронова Светлана Николаевна - ст. преподаватель, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Egorov Sergey N. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Departament «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: yegorov50@mail.ru
Sirotin Pavel V. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Head of Department «Automobiles and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: spv_61@mail.ru
Tamadaev Vyatcheslav G. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Head of Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk Russia. E-mail: tm.mf2015@yandex.ru
Sayeh Murad - Engineer, Higher School of Engineering de Medjez el Bab, Medjez el Bab, Tunis. E-mail: sayeh mourad@outlook.fr
Gripas Alexey E. - Director, LTD «Novosphere», Novocherkassk, Russia. E-mail: novosfera@mail.ru
Mironova Svetlana N. - Senior Lecturer, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk Russia. E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
Рассмотрено влияние лазерной резки помольного элемента роторно-вихревой мельницы, изготовленного из стали 65Г, на эксплуатационные характеристики детали. Рабочими поверхностями деталей данного типа являются поверхности реза. Целью работы являлось установление возможности повышения поверхностной твердости исследуемого материала в результате лазерной резки. Для анализа поверхностного состояния материала использовали микроструктурный анализ, измерение твердости и микротвердости. Сравнение результатов исследования центральных и поверхностных слоев показало идентичность морфологии структуры и значений твердости стали. Для повышения твердости рабочих поверхностей помольного элемента требуется дополнительная термическая или химико-термическая обработка.
Ключевые слова: микроструктура; твердость; микротвердость; центральные слои; поверхностные слои.
The influence of laser cutting of the grinding element of a rotary-vortex mill made of 65G steel on the performance characteristics of the part is considered. The working surfaces of this type of parts are the cutting surfaces. The aim of the work was to establish the possibility of increasing the surface hardness of the material under study as a result of laser cutting. Microstructural analysis, hardness and microhardness measurements were used to analyze the surface state of the material. Comparison of the results of the study of the Central and surface layers showed the identity of the morphology of the structure and the values of steel hardness. To increase the hardness of the working surfaces of the grinding element, additional thermal or chemical heat treatment is required.
Keywords: microstructure; hardness; microhardness; central layers; surface layers.
В настоящее время в строительной, химической и пищевой промышленностях широкое применение находит оборудование, обеспечивающее тонкое измельчение различных материалов. Чаще всего в таких устройствах разрушение материала осуществляется за счет механического воздействия рабочими органами различной конфигурации. Процесс измельчения почти всегда сопровождается износом рабочих органов, обусловливая внезапные и постепенные отказы оборудования. Вместе с тем, износ рабочих органов крайне нежелателен при измельчении материалов пищевого, медицинского, косметического и др. назначения [1]. Исследование и разработка износостойких материалов, а также технологий их получения для дробильного оборудования в настоящее время является достаточно актуальным научным направлением с практической значимостью, соответствующей одному из приоритетных направлений стратегии научно-технического развития РФ [2].
Одним из типов такого оборудования является помольный комплекс РВМ-600В (рис. 1), включающий: 1 - бункер с винтовым питателем; 2 - магнитный сепаратор; 3 - помольный узел; 4 - циклон; 5 - шлюзовой затвор с приводом; 6 - вентилятор; 7 - шкаф управления.
Помольный комплекс РВМ-600В выполнен по схеме с протоком воздуха [3]. Обрабатываемый материал подаётся в помольную камеру из бункера сырья через ступень магнитного сепаратора. Далее измельченная масса выделяется в циклоне, откуда выводится шлюзовым затвором. Для транспортировки материала используют
винтовой питатель с регулируемой производительностью. Сырьё измельчается в помольной камере роторного типа с регулируемой степенью измельчения. Принудительный проток воздуха организован с помощью вентилятора высокого давления. Управление помольным комплексом осуществляется со шкафа управления.
Рис. 1. Помольный комплекс РВМ-600В / Fig. 1. RVM-600V grinding complex
Эксплуатация данной и аналогичных установок показывает, что в процессе измельчения происходит интенсивное изнашивание деталей помольного узла и, в частности, помольного элемента (рис. 2), технология получения которого включает лазерную резку из листовой стали 65Г в размер без последующей обработки.
Рис. 2. Помольный элемент мельницы РВМ-600В / Fig. 2. Grinding element of the RVM-600V mill
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
Лазерная резка обладает существенными преимуществами по сравнению с другими методами, такими как высокая производительность, значительная толщина листовой заготовки, повышенное качество поверхности реза. Лазерная резка основана на плавлении локальных слоев материала, что, в свою очередь, формирует зоны термического влияния на периферийных поверхностях полученных заготовок [4 - 6]. Исследованию этого процесса посвящены многочисленные работы в экономически развитых странах. Но в то же время нельзя говорить о создании завершенной теории лазерной резки металлических листовых материалов [7 - 9].
Целью настоящей работы является изучение влияния лазерной резки на структуру и твердость поверхностных слоев заготовки толщиной 8 мм из стали 65Г. Исследование проводили на помольном элементе дробильной мельницы, имеющей фасонную поверхность при толщине 8 мм. Аналогичные детали дробильных мельниц других марок характеризуются плоской формой, что обусловливает возможность их изготовления резкой из горячекатаных листов соответствующей толщины. Условия работы этих деталей требуют повышенную твердость.
Химический состав исследуемой стали представлен в табл.1.
Таблица 1/Table 1
Химический состав стали 65Г / Chemical composition of 65G steel
Таблица 2 / Table 2
Твердость по Виккерсу HV500 в различных зонах детали / Vickers hardness HV500 in different areas of the part
C Mn Si Cr Ni P Cu S Fe
0,620,7 0,90,12 0,170,37 <0,25 <0,25 <0,035 <0,2 <0,035 Остальное
Для достижения поставленной цели использовали микроструктурный анализ в сочетании с измерением твердости и микротвердости материала центральных и поверхностных слоев детали.
Микроструктурный анализ проводили на металлографическом оптическом микроскопе «АЬТАЫ/». Твердость по Виккерсу измеряли по стандартной методике на твердомере «/Т 5010-10». Измерение микротвердости проводили на микротвердомере ПТМ-3 под нагрузкой 50 г в течение 15 с.
Результаты измерения твердости по Виккерсу приведены в табл. 2. Приведенные результаты показывают, что твердость центральных и поверхностных слоев детали имеют близкие значения, которые соответствуют значениям твердости стали 65Г в состоянии поставки.
№ измерения Зона
центральная поверхностная
1 223,8 185
2 204,9 205,4
3 206,5 198
4 164 200
5 203 171
Среднее значение 200 191
Основываясь на результатах измерения твердости, можно сделать предварительный вывод о совпадении значений механических свойств стали в центральной и поверхностной зонах детали.
Для более детального изучения влияния лазерной резки на характеристики поверхностного слоя были проведены микроструктурный анализ и измерения микротвердости.
Микроструктуры исследуемых зон показаны на рис. 3.
Центральная зона Увеличение Поверхностная зона
х40
х100
х200
д
Рис. 3. Микроструктура материала в исследуемых зонах / Fig. 3. Microstructure of the material in the study areas
При относительно малом увеличении (х40), микроструктура стали в центральной и поверхностных зонах состоит из равноосных зерен, отличающихся различным цветом, вызванным различным содержанием углерода. В центральной и поверхностных зонах микрошлифов преобладает тонкодисперсная феррито-цементитная структура, свидетельствующая об
е
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
отсутствии мартенситного превращения. Следует отметить, что поверхностная зона содержит больше светлых зерен, чем центральная. Это обстоятельство объясняется снижением содержания углерода вследствие химической реакции между окружающей атмосферой и поверхностными слоями детали. Заметим, что лазерная резка не вызывает образование микротрещин в поверхностных слоях.
Измерения микротвердости позволили приблизить зону исследования к поверхности детали (рис. 4). Визуальный анализ расположения отпечатка индентора свидетельствует о максимально возможной поверхностной локализации измерений микротвердости.
1ШШ
а б
Рис. 4. Отпечатки индентора микротвердомера в центральной (а) и периферийной (б) зонах / Fig. 4. Microhardness indenter
prints in the rentrai (a) and peripheral (б) zones
Микротведость в центральной зоне образца составляет 137 МПа, в периферийной - 141,6 МПа. Зафиксированный уровень микротвердости позволяет объяснить низкую износостойкость рассматриваемой детали помольного комплекса. Очевидно, что условия работы этих деталей предполагают абразивное изнашивание по типу истирания и газоабразивной эрозии, что требует от материалов этих деталей не только высокую твердость, но и ударную вязкость [10]. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
Выводы
1. Микроструктурный анализ показал, что микроструктура стали в поверхностных и центральных слоях идентичны, что касается размеров и формы зерен.
2. Увеличение х40 позволяет заключить, что в поверхностных слоях больше светлых зерен, чем в центральных, что объясняется различным содержанием углерода вследствие химиче-
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
ской реакции между окружающей средой и поверхностью среза детали.
3. При большем увеличении (*400) не обнаруживается отличие гетерогенной структуры, состоящей из феррита и цементита, в исследованных слоях.
4. Твердость и микротвердость стали в исследуемых слоях имеют близкие значения, что свидетельствует об отсутствии упрочняющего эффекта при лазерной резке.
5. Лазерная резка не ухудшает качество поверхностей реза детали.
Для повышения твердости размольных ножей мельниц, полученных лазерной резкой, требуется дополнительная термическая или химико-термическая обработка.
Литература
1. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. М., Машиностроение, 1990 г., 224 с.
2. Главная. Правовые ресурсы. «Горячие» документы. Указ Президента РФ от 01.12.2016 N 642 «О Стратегии научно-технологического развития РФ». [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/law/hotdocs/48053.html/ (дата обращения 17.02.2020
3. Новосфера. Помольный комплекс РВМ-600В [Электронный ресурс]. URL: http://nvsfera.ru/publics/item/5 (дата обращения 17.02.2020 г).
4. Arai T. Current challenges to laser cutting application // Proc.
of III Pacific Int. Conf. on Application of Laser and Optics. Beijing, China, 2008. P. 10 - 15.
5. Afonin Yu., Golyshev A.P., Filev V.F., Orishich A.M. Tecno-logical continuous electric - discharge CO2 laser of 8 kW power with cross gas pumping and high quality radiation // Proc. XV Int. Symp.on Gas Flow, Chemical Lasers and High Power Lasers. 30 Aug - 3 Sept. 2004. Prague, Czech Republic, 2005. Vol. 5777. P. 446 - 451.
6. Powell J., Petring D., Kumar R.V. et al. Laser - oxygen cutting of mild steel: The termodinamics of the oxidation reaction // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. Vol. 42. P. 15504 - 15514.
7. Prusa J.M., Venkitachalam G., Molian P.A. Estimation of heat conduction losses in laser cutting // Intern. J. Machine Tools and Manufacture. 1999. Vol. 39. P. 431 - 458.
8. LIA Handbook of Laser Materials Processing / Ed. by J.F. Ready. Orlando: Magnolia Publishing Inc., 2001.
9. Chen K., Yao Y.L., Mody V. Gas dinamics effects on laser cut quality // J. Manufacturing Science and Engineering. 2000. Vol. 122. No. 3. P. 429 - 438.
10. Gasanov B., Sirotin P. Powder materials for components operating under impact-abrasive wear conditions. Metallurgist. 2011. Vol. 55 (3-4). P. 196 - 201.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE 2020. No 1
References
1. Vinogradov V.N., Sorokin G.M., Kolokol'nikov M.G. Abrazivnoe iznashivanie [Abrasive wear]. Moscow: Mashinostroenie, 1990, 224 p.
2. Glavnaya. Pravovye resursy. "Goryachie" dokumenty. Ukaz Prezidenta RF ot 01.12.2016 N 642 "O Strategii nauchno-tekhnologicheskogo razvitiya RF [Main. Legal resources. "Hot" documents. Decree of the President of the Russian Federation of 01.12.2016 N 642 "on the Strategy of scientific and technological development of the Russian Federation]. Available at: http://www.consultant.ru/law/hotdocs/48053.html/ (accessed 17.02.2020).
3. Novosfera. Pomol'nyi kompleks RVM-600V [Novosphere. Grinding complex RVM-600V]. Available at: http://nvsfera.ru/publics/item/5 (accessed 17.02.2020 ).
4. Arai T. Current challenges to laser cutting application // Proc. of III Pacific Int. Conf. on Application of Laser and Optics. Beijing, China, 2008. P. 10 - 15.
5. Afonin Yu., Golyshev A.P., Filev V.F., Orishich A.M. Tecnological continuous electric - discharge CO2 laser of 8 kW power with cross gas pumping and high quality radiation // Proc. XV Int. Symp.on Gas Flow, Chemical Lasers and High Power Lasers. 30 Aug - 3 Sept. 2004. Prague, Czech Republic, 2005. Vol. 5777. P. 446 - 451.
6. Powell J., Petring D., Kumar R.V. et al. Laser - oxygen cutting of mild steel: The termodinamics of the oxidation reaction // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. Vol. 42. P. 15504 - 15514.
7. Prusa J.M., Venkitachalam G., Molian P.A. Estimation of heat conduction losses in laser cutting // Intern. J. Machine Tools and Manufacture. 1999. Vol. 39. P. 431 - 458.
8. LIA Handbook of Laser Materials Processing / Ed. by J.F. Ready. Orlando: Magnolia Publishing Inc., 2001.
9. Chen K., Yao Y.L., Mody V. Gas dinamics effects on laser cut quality // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2000. Vol. 122. No. 3. P. 429 - 438.
10. Gasanov B., Sirotin P. Powder materials for components operating under impact-abrasive wear conditions. Metallurgist. 2011. Vol. 55 (3 - 4). P. 196 - 201.
Поступила в редакцию /Received 02 марта 2020 г. /March 02, 2020
