Исследование износостойких материалов лопаток для смесителей-пневмонагнетателей

проведение металлографических исследований сравниваемых сталей с целью выбора наиболее эффективного материала для лопаток и лопастей смесителей. Затем необходимо проведение исследований отобранных материалов в реальных условиях эксплуатации.

С целью определения износостойкости исследуемых образцов, вырезанных из лопаток различных материалов при абразивном изнашивании, близком к условиям приготовления цементно- песчаных растворов в смесеприготовительной системе, была разработана и изготовлена лабораторная планетарная установка (рис. 1). Для создания более агрессивной среды по сравнению с реальными условиями работы в качестве абразивного материала использовался сухой грубый остроугольный песок из орловского карьера марки 4К 2 О 1 03. Песок перемешивали вращением вала вокруг оси с установленным держателем и закреплёнными на нём образцами. В стакан 4 предварительно загружали абразивный материал 10 , после чего включали двигатель, приводящий вращение вала 7 и закреплённого к нему держателя в форме диска (одновременно выполняющего функцию крышки) с образцами 6.

Рис. 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

Образцы представляли собой пластины с размерами 6х20х30, вырезанные из лопаток смесителя. Для исследования были отобраны пластины из Стали 110Г13Л, чугуна марки СЧ 25, и стали 15 с износостойкой наплавкой Х10 и образец из стали Hardox 450. 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 с последующей заменой песка и взвешиваниями, проведение которых обеспечивало потерю массы любого из образцов с точностью до 0,05 г., согласно ГОСТ 17367-71. Результаты испытаний в условиях изнашивания образцов абразивным материалом представлены на рис. 2.

Определялось временное сопротивление σ в , Н/мм ² , предел текучести σ т , Н/мм ² , относительное удлинение δ 5 , %, относительное сужение ψ, %, ударная вязкость KCU, Дж/см ² , твёрдость HB на испытательных машинах ИР-5082-100, копре 2010 КМ 30, твердомере

ТБ 5004, проводились также металлографические исследования на микроскопе «OLYMPUS BX51M». При исследовании стали Hardox 450 было выявлено, что химический состав и механические свойства несколько отличаются от сертификата на сталь Hardox 450. Результаты представлены в табл. 1, 2.

Время, ч

Рис. 2. Результаты сравнительного исследования образцов на абразивный износ

Таблица 1. Химический состав сравниваемых сталей

Значения элементов, (%)

Металл

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Cu

Mo

B

Ti

V

W

Al

исследуемый образец

О

К) о

о О' о

о О' о

о О' о

00 О' о

О' о

00 о о

1

О' о

О' о

CS1 о О' о V

о CS1 О' о

Hardox 450 по сертификату

ся o'

о

о о

К) СЧ О' о

о О' о

о о

1-П о

1-П о

о о о

Примечание : значения элементов состава стали Hardox 450 являются максимальными

Таблица 2. Механические свойства сравниваемых сталей

Металл	σ в , н/мм 2	σ т , н/мм 2	δ 5 , %	ψ, %	KCU, Дж/см 2		HB
					25ºС	-40ºС
исследуемый образец	1390	1240	15,5	69	160	-	415
Hardox 450 по сертификату	1400	1200	12	63	-	35	450

Обращают внимание несоответствия по химическому составу: так, значения основных легирующих элементов (Cr, Ni Mo) в исследуемом образце на порядок ниже, чем данные по сертификату, бор не обнаружен. Выявлены расхождения по прочностным характеристикам: так, металл исследуемого образца не соответствует металлу Hardox 450 по пределу прочности и твердости, что, возможно, негативно сказывается на износостойкости и сроке с их службы. Металлографический анализ показал, что структура исследуемого металла до испытаний соответствует характерной для металла Hardox 450 чистой мартенситной структуре, рис. 3 а. После 96 часов испытаний в структуре стала выявляться ферритная фаза, являющаяся мягкой и быстро изнашиваемой. Очевидно, это произошло в результате локального нагрева поверхности образца при контакте с частицами песка. Кроме того, структура поверхности отличается наличием протяженных денд-ритно ориентированных ферритных зерен, что может объяснить снижение износостойкости рабочей поверхности лопаток.

Химический состав и механические свойства металла образца из стали 110Г13Л полностью соответствовали ГОСТу 977-88, (табл. 3, 4). Металлографическими исследованиями установлено, что структура стали 110Г13Л имеет чистую аустенитную структуру с мелкими одиночными карбидами (рис. 5). В процессе работы металл стали 110Г13Л претерпевает поверхностное упрочнение и становится устойчивым к абразивному износу. Это связано с явлением перехода аустенитной структуры поверхностного слоя в мартенситную [3].

а)

б)

Рис. 3. Структура стали Hardox 450: а) до испытаний; б) после 72 часов испытаний

Рис. 4. Микроструктура стали 110Г13Л. х500

Таблица 3. Химический состав стали 110Г13Л

Наименование	C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	Ni, %	P,%
исследуемый образец	1,3	11,50	0,68	0,26	0,50	0,11
ГОСТ 977-88	0,91,5	11,5-15	0,3-1	до 1	до 1	до 0,12

Таблица 4. Механические свойства стали 110Г13Л

Наименование	σ в , н/мм 2	δ 5 , %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	HB
исследуемый образец	820	34	43	350	220
ГОСТ 977-88	800	25	35	260-350	186-229

из СЧ 25, стали 15 с наплавкой Х10 и шведской износостойкой стали Hardox 450.

Произведённое количество смеси до выхода из строя лопаток в м3

110Г13Л          СЧ25         Hardox450 Сталь 15с наплавкой ХЮ

■ После эксперимента  ■ Заявленное

Рис. 5. Результаты эксперимента, проходящего в реальных условиях

Рис. 4. Микроструктура стали 110Г13Л. х500

Для подтверждения полученных экспериментальных данных на лабораторной установке был проведен эксперимент, проходящий в одинаковых реальных условиях на строительном объекте. Смесители, строительный раствор и конфигурации лопаток были одинаковы. В эксперименте было задействовано 4 смесителя пневмонагнетателя марки «СО-241». Лопатки устанавливались в смесители и начали работу в одно время. Целью эксперимента было сравнение срока службы металла лопаток заявленных поставщиками с реальным. Для исследования были выбраны лопатки

В процессе работы был произведен технический осмотр смесителей, где лопатки из стали 110Г13Л показали своё преимущество перед остальными. Оно заключалось в том, что для очистки полости резервуара от застывшего бетона применяются чугунные звёздочки и стальная дробь и лопатки необходимо было снимать с крепежей, однако лопатки из стали 110Г13Л не извлекались из резервуара, и в процессе очистки внутренних поверхностей происходило повышение прочностных свойств и твердости поверхности лопаток в результате наклепа, что благоприятно влияло на их износостойкость. Лопатки из серого чугуна стёрлись равномерно, отработав 6000 м3 раствора, но это составляет лишь 40% от заявленного срока службы. Лопатки из стали 15 с наплавкой Х10 показали ожидаемый результат, ещё до технического осмотра было заметно, что наплавка практически не стёрлась, а сталь 15 начала интенсивно истираться. Лопатки из серого чугуна изнашивались очень быстро и не отработали даже половину заявленного срока службы. Лопатки из стали Hardox 450 стирались равномерно и практически показали своё соответствие заявленному сроку службы.

Выводы: испытания в условиях эксплуатации хорошо коррелируются с выполненными лабораторными исследованиями материалов и показывают преимущества стали 110Г13Л как материала для изготовления лопаток смесителей-пневмонагнетателей.