/ 43 3 (56), 2010 К. Э. БарановсКий, в. М. ильюшенКо, Э. Ф. БарановсКий, Г. П. КоротКин, итМ нан Беларуси УДК 621.74:669.13 ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ИЗНОСОСТОЙКИХ ХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ ОБОРУДОВАНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ КИРПИЧА ИЗ ГЛИНЫ И ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ The ways of working resource increase of the wear-resistant chromic cast irons details of equipment on production of brick of clay and centrifugal grinders are examined. The experimental wear-resistant cast iron as substitute of IChH28N2 is offered. Детали агрегатов для производства кирпича из глины и центробежных измель- чителей, работающие в условиях абразивного воздействия, в основном выходят из строя по причине износа. Изнашивание происходит вследствие взаимодействия с абразивными частицами. Оборудование по изготовлению кирпича работает в контакте с керамической массой. Керамическая масса представляет собой пластичную массу, состоящую в основном из глины, в которую для связывания лишней влаги в качестве отощаю- щей добавки вводят кварцевый песок в количестве до 10%. Наличие этой добавки оказывает основное абразивное воздействие. Размер частиц песка 0,2–1,5 мм. В Республике Беларусь глина невысокого качества и для улучшения ее технологи- ческих свойств используют до 10% гранитного отсева с размером частиц до 5 мм, абразивность такой керамической массы очень велика. Детали оборудования под- вергаются воздействию абразивных частиц при невысоких скоростях скольжения без ударных и динамических нагрузок. Наибольший износ испытывают детали шнекового пресса, где керамическая масса продавливается под большим давлени- ем (3–10 МПа). Срок службы некоторых деталей составляет от 7 до 14 дней [1]. Центробежные измельчители являются наиболее эффективными машинами для тонкого помола сыпучих материалов, в которых реализуется высокоскорост- ное ударное воздействие. Крупность материалов перед измельчением составляет до 40 мм, а крупность измельченного продукта в зависимости от требований – от 15 до 0,02 мм. Скорость дробящегося материала – 65–120 м/с. Наиболее распро- страненные материалы для тонкого измельчения – мрамор (твердость 110 НV), из- вестняк (135 НV), доломит (325 НV), стекло (500 НV), полевой шпат (600–750 НV), кремень (950 НV), кварцевый песок (800–1000 НV), кварцит (900–1280 НV). Более твердые, чем кварциты материалы измельчаются редко. Чаще всего материалом с наибольшей твердостью в измельчаемом продукте является кварцевый песок. Время эксплуатации деталей, наиболее подверженных износу, составляет 8–10 дней [2]. По существующей в настоящее время технологии большинство деталей обо- рудования по производству кирпича из глины и центробежных измельчителей из- Барановский К. Э. Ильюшенко В. М. Барановский Э. Ф. Короткин Г. П. 44 / 3 (56), 2010 готавливаются из конструкционных сталей с по- следующей наплавкой. Часть деталей, работаю- щих в наиболее тяжелых условиях, изготавливает- ся литыми из износостойких хромистых чугунов. Так, износостойкие детали оборудования по про- изводству кирпича из глины фирма «Fawcett» (Ан- глия) изготавливает из чугуна, содержащего Cr – 28,4%, С –2,88%; фирма «Steelе» (США) применя- ет чугун с содержанием Cr – 28%, а фирма «Braun» (ФРГ) использует сплав с содержанием Cr – 35,6% и С – 3,3%. Быстроизнашиваемые детали центробежных дробилок изготавливаются филиалом фирмы «Bаr­ mac» (Чехия) из чугуна, содержащего Cr – 29,4%, C – 3,82, Ni – 0,4%; фирмой «Metsо» (США) – Cr – 12%, C – 2,7, Ni – 1,3%; «Урал­Омега» (Рос- сия) – Cr – 28%, Ni до 2%. Во всех случаях полный химический состав сплавов, режим их термообра- ботки и технология литья не указываются. В Республике Беларусь оборудование для про- изводства кирпича из глины разрабатывает входя- щий в состав НИИСМ Научно­технический центр «Строммаш» (г. Могилев), а центробежные из- мельчители – НПО «Центр» (г. Минск), который является крупнейшим в СНГ производителем обо- рудования данного вида. Агрегаты этого оборудо- вания, укомплектованные деталями с наплавкой или из ИЧХ производства заводов РБ (Х28Н2 в ли- том состоянии), не соответствуют современным требованиям как по срокам эксплуатации, так и по производительности оборудования, которая зави- сит от степени износа деталей. Высокий ресурс работы аналогичного обору- дования, изготавливаемого фирмами США, ФРГ, Англии и др., обеспечивается тем, что детали, под- вергающиеся абразивному воздействию, изготав- ливают литьем из специальных сложнолегирован- ных хромистых чугунов. Химический состав чугу- нов и технология изготовления из них отливок являются «ноу­хау» этих фирм и данные о них в специальной литературе ограничены. Исходя из изложенного выше, актуальной яв- ляется задача по определению составов, разработ- ке технологий литья и термообработки хромистых чугунов для деталей оборудования по изготовле- нию кирпича из глины и центробежных измельчи- телей. В условиях эксплуатации в абразивных средах считается, что чем тверже металлическая основа и больше карбидов в чугуне, тем износостойкость такого материала выше [3]. Сплавы, предназначен- ные для этих целей, должны также удовлетворять следующим требованиям: • материал должен содержать максимальное количество эвтектических карбидов (иметь эвтек- тический состав); • ориентировка карбидов должна быть перпен- дикулярна поверхности износа (вдоль тригональ- ной оси карбиды хромистых чугунов имеют мак- симальную твердость); • карбиды должны иметь минимальные раз- меры; • легирование или термообработка должны обеспечивать максимальную твердость чугуна. Из всего многообразия хромистых чугунов наибольший интерес для решения задачи по повы- шению ресурса работы машин для изготовления кирпича из глины и центробежных измельчите- лей представляют хромистые чугуны, которые наиболее часто используются при изготовлении деталей, работающих в условиях интенсивного взаимодействия с абразивными средами. Так, в РБ и странах СНГ большинство деталей, рабо- тающих в абразивных средах, изготавливается из чугуна Х28Н2 (Cr – 25–30%, Ni – 1,5–2%). Хро- момолибденовый чугун Х16М2 (Cr – 15–19%, Mo – 1–3%) обладает после закалки максималь- ной твердостью металлической матрицы. Комп­ лекснолегированный никелем, молибденом и ва- надием хромистый чугун 320Х18 (С – 3–3,4%, Cr ­17–19%, Mo и V – 0,4–0,6%, Ni – до 0,8%) хорошо зарекомендовал себя для деталей почво- Т а б л и ц а 1. Механические свойства и относительная износостойкость хромистых чугунов эвтектического состава Марка чугуна Х28Н2 320Х18 Х16М3 Твердость в литом состоянии HRC 52–53 57–58 60–61 Твердость в термообработанном состоянии (закалка) HRC 61 65 67 Предел прочности при растяжении в литом состоянии, МПа 395 325 267 Предел прочности при растяжении в термообработанном состоянии (закалка), МПа 402 341 315 Ударная вязкость в литом состоянии КС, Дж/см2 11,4 10,5 6,4 Ударная вязкость в термообработанном состоянии (закалка) КС, Дж/см2 10,5 8,6 5,8 Коэффициент относительной износостойкости в литом состоянии* 1,0 2,2 5,0 Коэффициент относительной износостойкости в термообработанном состоянии (закалка) * 2,9 5,5 5,7 * Эталон – чугун Х28Н2 в литом состоянии. / 45 3 (56), 2010 обрабатывающей техники, дробеметных лопаток и т. д. [4]. Возможность использования хромистых чугу- нов в тех или иных условиях определяется не только их износостойкостью, но и механическими свойствами. Приведенные в справочной и научной литературе механические свойства хромистых чу- гунов относятся в основном к наиболее широко применяемым доэвтектическим чугунам. Сопо- ставление имеющихся данных затруднено тем, что образцы для испытаний отливали в формы из раз- личных материалов, имели неодинаковые размеры и разные условия охлаждения при кристаллиза- ции. Поэтому механические свойства и относи- тельная износостойкость чугунов эвтектического состава Х28Н2, Х16М3, 320Х18 в литом и термо- обработанном состояниях были исследованы на образцах, отлитых в формы из ХТС при одинако- вых условиях [5, 6]. Результаты исследований при- ведены в табл. 1. В Республике Беларусь в настоящее время бо- лее 90% отливок из износостойких чугунов изго- тавливается из сплава Х28Н2. Замена этого чугуна для работы в абразивных средах без коррозионно- го воздействия более износостойким чугуном яв- ляется актуальной. Следует отметить, что чугун Х28Н2 обладает высокими механическими свой- ствами (прочностью при растяжении и ударной вязкостью) (табл. 1), поэтому использование спла- вов Х16М3 и 320Х18 как заменителей Х28Н2 про- блематично, так как эти чугуны имеют более низ- кие механические свойства и дорогие из­за высо- кого содержания легирующих элементов. В ИТМ НАН Беларуси разработан эксперимен- тальный эвтектический износостойкий хромистый чугун, содержащий 16–20% Cr, и экономнолегиро- ванный чугун (Mn, W, V, Ni, Mo). Причем соотно- шение и количество легирующих компонентов может варьироваться в зависимости от толщины отливок, необходимости в последующей термооб- работке, вида литья (песчаная, комбинированная фор мы, кокиль). Механические свойства и износо- стойкость разработанного чугуна и Х28Н2 приве- дены в табл. 2. Разработанный экспериментальный чугун имеет более высокую износостойкость и механические свойства, чем самый распространенный в Белару- си и СНГ сплав Х28Н2. Детали агрегатов для производства кирпича из глины и центробежных измельчителей, непосред- ственно контактирующие с абразивной средой, по своим размерам и массе можно условно разделить на три группы: к первой группе относятся мелкие детали толщиной до 50 мм и массой до 1,5 кг; ко Т а б л и ц а 2. Механические свойства и относительная износостойкость чугуна Х28Н2 и экспериментального износостойкого чугуна Марка чугуна Твердость HRC Предел прочности при растя­ жении, МПа Ударная вязкость КС, Дж/см2 Коэффициент относительной износостойкости* Х28Н2: литое состояние 52–53 395 11,4 1 Экспериментальный износостойкий чугун: литое состояние 54–55 365 13,8 2,4 закалка 66 425 13,5 5,9 * Эталон – чугун Х28Н2 в литом состоянии. Рис. 1. Образцы отливок 1­й группы (а) и их микроструктура (б) 46 / 3 (56), 2010 второй группе – детали толщиной 50–80 мм и мас- сой до 10 кг; к третьей группе – детали толщиной более 80 мм и массой более 10 кг. Для получения требуемой структуры и твердо- сти детали первой группы можно изготавливать в песчаных формах (рис. 1), но необходима их по- следующая термообработка (закалка). Отбойные плиты центробежных мельниц из эксперименталь- ного чугуна были изготовлены в формах из ХТС, а затем закалены до 63–64 HRC. Такие отливки при размоле кварцевого стекла показали ресурс работы в 8–9 раз выше, чем такие же детали из сплава Х28Н2. Для изготовления более крупных деталей вто- рой группы использование песчаных форм не обе- спечивает получение мелкой структуры и необхо- димой ориентации карбидов. Поэтому для таких деталей используется технология литья в комби- нированные формы. Верхняя часть комбинирован- ной формы изготавливается из ХТС, а для получе- ния рабочей поверхности отливки используется металлическая плита. Часть отливки, затвердев- шая на металлической плите, имеет твердость 57– 61 HRC, а твердость остальных поверхностей со- ставляет 52–54 HRC. Структуры зон отливок, за- твердевших в контакте с песчаной и металличе- ской частями формы, показаны на рис. 2. Получение требуемой структуры для деталей третьей группы возможно только методом литья в кокиль. В этом случае твердость всех поверхно- стей отливки составляет 58–61 HRC. Размер кар- бидов при литье в кокиль (2–8 мкм) в 3–4 раза меньше, чем при литье в песчаную форму. Отлив- ки имеют строго направленную перпендикулярно граням мелкую структуру на глубину 20–25 мм. Микро­ и макроструктуры отливки, изготовленной в кокиле, показаны на рис. 3. В ИТМ НАН Беларуси из разработанного экс- периментального эвтектического износостойкого чугуна освоено изготовление методом литья в ко- кили, песчаные и комбинированные формы дета- лей повышенной износостойкости для агрегатов по производству кирпича из глины и центробеж- ных измельчителей. Рис. 2. Отливка 2­й группы (а) и ее микроструктура; б – полученная в песчаной части формы; в – полученная в металличе- ской части формы Рис. 3. Отливка 3­й группы (а) и ее макро­ (б) и микроструктуры (в) Литература 1. Проблемы повышения износостойкости рабочих органов шнековых прессов для керамических изделий: Обзорная ин- формация / В. В. Коротеев. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1989. Вып. 2. / 47 3 (56), 2010 2. Б о р о х а Э. Л., В о р о б ъ е в В. В., Г о р о б е ц А. В. Центробежные дробилки и мельницы ударного типа// Центро- бежная техника – высокие технологии: Материалы 3­й Междунар. науч.­техн. конф. Мн., 2008. С. 5–15. 3. Ц ы п и н И. И. Белые износостойкие чугуны. М.: Металлургия, 1983. 4. К о м а р о в О. С., Б а р а н о в с к и й К. Э., С у с и н а О. А. Повышение ресурса работы сменных деталей почвообра- батывающей техники // Новые материалы и технологии: Тез. докл. РНТК. Мн., 1994. 5. Б а р а н о в с к и й К. Э., И л ь ю ш е н к о В. М. Механические свойства хромистых чугунов эвтектического состава // Литье и металлургия. 2008. № 2. С. 23–24. 6. Б а р а н о в с к и й К. Э., И л ь ю ш е н к о В. М. Износостойкость хромистых чугунов эвтектического состава // Литье и металлургия. 2009. № 3. С. 159–161.