CC BY
78
or А/ л гттгГ; г: (гшг>глгрп:г,
Ж>ии/ 3(52), 2009-
Литейное материаловедение, специальные способы
ÄUJßthM
New technologies of production of cast grit of iron-carbon alloys are given.
Д. А. ВОЛКОВ, А. П. МЕЛЬНИКОВ, 040 «БЕЛНИИЛИТ», Я. С. ГУРЧЕНКО, РУП «МАЗ», А. Д. ВОЛКОВ, ОАО «БЕЛНИИЛИТ»
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТОЙ ДРОБИ ИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
УДК 621.74
Необходимость разработки ОАО «БЕЛНИИЛИТ» технологий и оборудования для производства высококачественной стальной дроби была вызвана резким повышением требований в 90-х годах к качеству покрытий поверхностей узлов и деталей, повышающих эксплуатационные свойства и товарный вид.
Ранее применяемая чугунная дробь и другие абразивные материалы не только не давали необходимое качество поверхности, но и технологически имели малую оборотность и повышенный износ лопаток и сопел.
Зачем нужна подготовка поверхности?
Нанесение любого покрытия (краска, резина, металлизация, рильсан и др.) на металлическую основу требует предварительной подготовки поверхности, чтобы увеличить стойкость и долговечность защитного слоя (особенно против коррозии). Эта подготовка зависит от особенности металлической поверхности (углеродистая и нержавеющая стали, легкие сплавы и др.); способа применения дроби (дробеструйная или дробеметная обработка); типа используемого абразива (литая, колотая дробь, минеральные абразивы и др.).
Что такое чистота поверхности?
Чистота определяется исходным состоянием поверхности и конечной степенью остаточного загрязнения после очистки. При очистке удаляют элементы, загрязняющие поверхность (окисление, окалина, следы от сварки, остатки старого покрытия и др.).
По международным нормам ISO 8501-1 исходное состояние классифицируется следующими обозначениями:
А - ржавчина практически отсутствует. Слой окалины прилегает к металлу.
В - проявляются пятна ржавчины. Слой окалины начинает отделяться.
С - окалина начинает исчезать под воздействием ржавчины. Появляются углубления.
D - сплошная ржавчина. Многочисленные углубления, видимые невооруженным взглядом.
Выбор стальной дроби варьируется по трем параметрам.
Выбор размера: 1) гранулы дроби должны иметь такой размер и массу, чтобы обладать достаточной энергией для удаления всех загрязнений очищаемой поверхности или ее упрочнения; 2) в рамках первого условия дробь должна быть максимально мелкой, потому что чем больше частиц на 1 кг продукта, тем больше ударов в минуту.
Выбор формы и твердости дроби зависит от выполняемой работы (очистка литья, снятие окалины, подготовка поверхности, наклеп и др.); технологических и конструктивных особенностей обрабатываемых металлических поверхностей или конструкций; вида и технического состояния используемого оборудования.
На оборудовании, разработанном ОАО «БЕЛНИИЛИТ», выпускается как литая, так и колотая дробь (дробь из литой стали, получаемая с помощью дробления). По своим характеристикам она соответствует лучшим мировым аналогам таких известных фирм, как WHEELABRATOR ALLEVARD SPECIFICATIONS (Франция), VULKAN и METALLTECHNIK (Германия) и др. Ее производительность на 40-90% выше, чем чугунной, а срок службы лопаток может увеличиться со 100 до 1500 ч. Что касается расхода стальной дроби, то ее 20 т могут заменить порядка 100 т чугунной дроби. Дробь, изготавливаемая на машинах ОАО «БЕЛНИИЛИТ», может также быть термически обработана на различных режимах с повышением отдельных технологических свойств. Основной химический состав изготавливаемой дроби: 0,8-1,0% С; 0,8-1,0% Si
и 0,4-0,6% Мп. При необходимости возможно изготовление дроби с другим химическим составом.
Технология, разработанная в институте, имеет преимущества перед известными способами грануляции струей расплавленного металла: 1) струей воды; 2) вращающимся барабаном; 3) воздушным соплом.
По первому и второму способам грануляции выход годной дробемассы достигает не более 5060%, в то время как центробежным способом литья - 90%.
По форме наивысший показатель (0,9) принадлежит технологии центробежного гранулирования, у остальных технологий этот показатель ниже.
Цикловая стойкость дроби в основном зависит от выбранного химического состава сплава, применяемой для плавки шихты и последующей термической обработки.
Дробь, полученная с помощью центробежного гранулятора, имеет преимущества по исходному состоянию. Она имеет меньшие литейные напряжения и менее склонна к образованию поверхностных трещин, поскольку в отличие от первых трех технологий капля расплавленного металла сначала попадает на разогретый керамический гранулятор, затем с него проделывает определенный путь до образования наружной корочки в воздухе и только потом попадает в охлаждающую жидкость.
Технология грануляции центробежным грану-лятором осуществляется на малогабаритном оборудовании, что в сравнении с другими технологиями занимает значительно меньшие производственные площади.
Краткое описание технологии
Жидкий металл через лоток попадает на вращающийся гранулятор, дробится на капли, которые отбрасываются к стенкам корпуса в слой воды, образуемый вращением крыльчатки. В это время происходит формирование капель жидкого металла в дробинки. Охлажденная дробь скатывается по конусной части корпуса в элеватор, откуда происходит выгрузка дроби. Поверхность воды, вовлеченной во вращение крыльчатки, приобретает форму параболоида. Установленная в крышке диафрагма обеспечивает постоянный слой воды толщиной не менее 225 мм. Избыточная часть воды переливается через диафрагму и через патрубок уходит в оборотную систему на охлаждение. Таким образом, вода постоянно циркулирует и охлаждается. Пар, образующийся при охлаждении дроби, принудительно отсасывается через паровой патрубок и может использоваться для цеховых нужд (рис. 1).
rrшrJлffпf;p; /око
-3 (52), 2009 I ШшЧЗцВ
Рис. 1. Схема дробелитейной машины: 7, 2 - привод; 3 -крыльчатка; 4 - корпус; 5 - крышка; 6 - воронка; 7 - гранулятор; 8 - элеватор; 9 - рама
В связи с тем что на предприятиях машиностроительного профиля разный годовой выпуск отливок, узлов, подвергаемых термической обработке и изделий, изготавливаемых при помощи сварки, ОАО «БЕЛНИИЛИТ» была разработана гамма машин разной производительности (дробе-литейные машины мод. 46159, П1347А, 46145 производительностью 0,2 т/ч, 1, 5 т/ч соответственно).
За период создания дробелитейных машин были внедрены 1шт. машины мод. 46159 (РУП «Белоозерский энергомеханический завод»); 3 шт. машины мод. П1347А (ОАО «Полтавский турбо-механический завод», ОАО «Росабразив», ООО «ЛЦ»); 2 шт. машины мод. 46145 с установкой для сушки дроби и предварительным рассевом дробемассы (РУП «МАЗ», МоАЗ).
Процесс изготовления дроби на РУП «МАЗ» состоит в следующем (рис. 2). Плавка стали в дуговых печах ДСН-6 и ее транспортировка 6-тонным ковшом 1 от плавильных печей к металлоприем-нику 2 дробелитейной машины 3. Разливка стали
46145: 1 - ковш; 2 - желоб металлоприемника; 3 - дробели-тейная машина; 4- наклонный элеватор; 5 - приемная воронка; 6 - бункер печи; 7 - барабанная печь; 8 - элеватор; 9 - вибросита; 10 - тара для сбора дроби по фракциям; 11 - блок горелочной печи; 12 - агрегат рассева дроби
осп / л г:гггг, гг ггшмттх
ШшЧМчЗ I 3(52), 2009-
при помощи дробелитейиой машины 3, основной частью которой является центробежный грануля-тор с вертикальной осью вращения. Струя металла, вытекающая из металлоприемника, через калиброванное отверстие падает на диск вращающегося гранулятора и под действием центробежной силы разбрасывается в виде гранул в воду. Наклонным элеватором 4 дробемасса транспортируется из ванны дробелитейной машины и через воронку 5 подается в бункер б специальной сушильной барабанной печи 7. Рассев высушенной дроби по фракциям производится на агрегате рассева 8.
Для изготовления дроби в СЛЦ-2 РУП «МАЗ» применяется производимая в цехе сталь 40 со следующим содержанием химических элементов: 0,37 - 0,40% С, 0,45 - 0,90% Мп, 0,20 - 0,52% Si (ГОСТ 977-88). Используются для производства дроби и плавки стали, которые по тем или иным причинам по химическому составу выходят за указанные пределы.
Исследования физико-механических свойств дроби проводили в Центральной заводской лаборатории РУП «МАЗ». Для этого отбирали 1 кг дро-бемассы из каждой плавки и рассеивали через набор сит согласно ГОСТ 11964-81.
Изучение фракционного состава показало, что литая стальная дробь, производимая в СЛЦ-2 РУП «МАЗ», по форме состоит из круглой фракции на 70%, овальной - на 25 и каплевидной - на 5%. Сравнение формы дроби производства МАЗ и французской фирмы «Wheelabrator Allevard», взятой из рекламного проспекта, позволяет сделать вывод, что дробь производства МАЗ имеет более гладкую поверхность и сферическую форму. Фракционный состав стальной литой дроби МАЗ приведен в таблице. Плотность выплавляемой на МАЗ стальной литой дроби составляет 7650 кг/м3, что значительно превышает нижний порог плотности, оговариваемый ГОСТ 11964-81 (7200 кг/м3 не менее).
Фракционный состав стальной литой дроби, выплавляемой на РУП «МАЗ»
Диаметр фракции, мм Среднее содержание в дробемассе, %
2,5-3,8 34,4
1,6-2,5 37,4
1,0-1,6 15,5
0,63-1,0 8,0
0,1-0,63 4,5
Прочность всех типов литой дроби определяли статистической нагрузкой до разрушения дробины на универсальной разрывной машине 10/90
при сдавливании между твердосплавными пластинами в специально разработанном приспособлении. Испытания проводили для номеров дроби 0,3-2,2 на 10 дробинах диаметром 2 мм. Образец для определения формы, усадочной рыхлоты, раковин, трещин, микроструктуры и твердости дроби изготавливали методом заливки. Для этого из пробы, прошедшей ситовый анализ, отбирали по 20 дробин номеров дроби 0,1-1,8 и по 10 дробин номеров дроби 2,2 и выше, а также по 10 дробин диаметром 3,40 мм номеров дроби 2,8 и выше, засыпали их в медную трубку и заливали сплавом Вуда с температурой плавления 68 °С. Прочность литой дроби производства МАЗ при сжатии до разрушения для фракции 2 мм составляет 4500-6250 П, прочность дроби фирмы «\Vheelabrator АИеуагё», испытанной по этой же методике для диаметра 2 мм, - 3000-^-500 Н. Металлографические исследования выполнены на металлографическом комплексе МКИ-2М-1, оснащенном системой видеонаблюдения с выводом изображения на ПК для его дальнейшей обработки и распечатки. Твердость измеряли на приборе ПМТ-3. Микроанализом установлено также, что в литом состоянии в структуре дроби наблюдаются такие дефекты, как трещины и поры. Выявленные дефекты образуются в процессе кристаллизации жидких капель стали при попадании их в поток воды и неизбежны для всех способов получения литой дроби. Высокая плотность дроби, выплавляемой на МАЗ, свидетельствует о небольшом количестве пор и рыхлот.
Исследования износостойкости стальной литой дроби, не подверженной термической обработке, выполненные ОАО «БЕЛНИИЛИТ», показали, что износостойкость зависит от ее химического состава. При увеличении содержания углерода до 0,6% и выше стойкость дроби повышается, что может быть объяснено ростом в структуре остаточного аустенита, благодаря которому твердость и хрупкость снижаются. Аналогичное влияние оказывает содержание кремния и марганца. Высокая стойкость дроби (800 циклов) установлена при содержании меньше 0,1% кремния и 0,1-0,2% марганца. Содержание хрома 0,05-0,15% при низком содержании углерода, кремния и марганца обеспечивает наибольшую стойкость до 900 циклов.
Повышенное содержание фосфора в дроби снижает ее стойкость до 200 циклов, а увеличение концентрации никеля выше 0,5% значительно улучшает эксплуатационные свойства дроби, сглаживая отрицательное влияние повышенного содержания хрома.
Для улучшения эксплуатационных свойств в ЦЗЛ УГМет МАЗ разработаны режимы и обору-
дование для термообработки дроби при индукционном нагреве.
Установка представляет собой стальную вращающуюся трубу диаметром 200 мм и длиной 2 м, помещенную в индуктор высокочастотной установки с определенным уклоном. Индукционный нагреватель запитан от преобразователя частоты ВПЧ 100/8,0. Отнимаемая при нагреве мощность 50 кВт при частоте вращения трубы 17 об/мин обеспечивает производительность установки 540600 кг/ч.
В ходе проведения опытных работ с различными температурой и временем термической обработки была установлена зависимость твердости и структуры обрабатываемой дроби от температуры и длительности нагрева.
Микроанализ показал, что грубая структура крупноигольчатого мартенсита, формируемая при закалке в воду из жидкого состояния, претерпевает при отпуске полный или частичный распад в зависимости от температуры. Уже в первые 5-7 минут индукционного нагрева до температур 280 °С происходит частичный распад мартенсита, из него выделяются мелкодисперсные карбиды, тетрагонально сть мартенсита уменьшается и это приводит к снижению хрупкости дроби. Структура представляет собой мартенсит отпущенный. Твердость дроби при этом остается высокой - 600 НУ и более. При нагреве до температур 320-360 °С структура имеет вид троостомартенсита с точечными включениями карбидов и твердостью 540-575 НУ При нагреве до 420-^1-50 °С в процессе дальнейшего распада мартенсита формируется дисперсная трооститная структура с твердостью менее 400 НУ. Твердость дроби, как и структура, интенсивно изменяется также в первые минуты нагрева, а затем падение твердости замедляется. Быстрое изменение структуры и твердости в первые минуты является особенностью протекания процессов термообработки при индукционном нагреве, что обусловлено быстрым прогреванием всей массы дроби под одновременным воздействием радиационного и контактного теплообмена с нагретой трубой, воздействием электромагнитного поля высокой частоты и быстрого непрерывного перемешивания дроби в процессе нагрева. Дробь производства МАЗ, тер-мообработанная при индукционном нагреве при температуре 320-360 °С в течение 5-7 мин, по своим параметрам (твердость - 540-575 НУ, структура - тро-остомартенсит и точечные карбиды) близка к дроби фирмы «\¥11ее1аЬга1:ог АИеуагё» с содержанием углерода 0,90% (твердость - 540-575 НУ, структура -троостомартенсит + незначительное количество точечных карбидов).
жъ^к къштгпъ /ом
-3 (52), 2009 / 1-111
Индукционный нагрев при термообработке дроби производится свободным доступом в зону нагрева окружающего атмосферного воздуха, который при температуре термической обработки обладает значительными окислительными свойствами. Благодаря малому времени нагрева воздействие окислительной среды приводит к образованию оксидной пленки, которая в дальнейшем предохраняет поверхность дроби от коррозии. Тер-мообработанная дробь имеет приятный сине-серый цвет и в дополнительных защитных покрытиях не нуждается.
Испытание термообработанной дроби производили в цехе серого чугуна и СЛЦ-1 РУП «МАЗ» при очистке отливок деталей автомобиля в очистной дробеметной камере ДК-8. По предварительным результатам, стойкость термообработанной на твердость 450-540 НУ дроби по сравнению с литой увеличилась в 3-5 раз.
Стальная литая дробь, производимая на МАЗ с использованием дробелитейного комплекса, отличается выходом дроби (70%) правильной сферической формы с гладкой поверхностью.
Все разработанные малогабаритные машины имеют уменьшенный диаметр рабочего бака почти в 2,0-2,5 раза. Это связано с тем, что при центробежном способе гранулирования переход капли из жидкого состояния в твердое происходит уже на расстоянии 0,5-0,7 м от оси вращения гранулятора, что позволило создать малогабаритную дробелитейную машину нового поколения мод. 46159 производительностью 200 кг/ч (рис. 3).
Дробелитейные машины мод.46159 внедрены на ОАО «Лидский литейно-механический завод» и ОАО «Белозерский энергомеханический завод». В связи с малогабаритностью и простотой кон-
Рис.З. Машина для литья дроби мод. 46159
262/
лггттгя гг (и^илтт^г,
3 (52), 2009-
струкции машины мод.46159 были изготовлены тельностью 3 т/ч, тем самым, завершена разработ-
ОАО «БЕЛНИИЛИТ» на заводах-заказчиках. ка гаммы машин производительностью 0,2 т/ч, 1,
В настоящее время ОАО «БЕЛНИИЛИТ» раз- 3, 5 т/ч, что может обеспечить предприятия дро-
работана новая дробелитейная машина производи- бью в зависимости от вида производства.
