Исследование износостойких материалов лопаток для смесителей-пневмонагнетателей
Автор: Габельченко Наталья Ильинична, Белов Артем Алексеевич, Кидалов Николай Алексеевич, Габельченко Антон Игоревич, Волкова Наталия Валерьевна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 1-2 т.18, 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе приведены сравнительные исследования абразивной износостойкости металлов лопаток смесителей-пневмонагнетателей. Результаты исследования показали, что наилучшим комплексом механических и служебных свойств обладает сталь 110Г13Л обеспечивающая высокие прочностные и эксплуатационные свойства лопаток.
Сталь, чугун, аустенит, мартенсит, феррит, абразивный износ, смеситель-пневмонагнетатель
Короткий адрес: https://sciup.org/148204359
IDR: 148204359
Текст научной статьи 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.
Список литературы Исследование износостойких материалов лопаток для смесителей-пневмонагнетателей
- Белов, А.Ал. Исследование металлов лопаток смесителя-пневмонагнетателя/А.Ал. Белов, Р.И. Искендеров, О.А. Мишустин и др.//«Страна живёт, пока работают заводы»: сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. (9-10 дек. 2015 г.)/Юго-Западный гос. ун-т . -Курск, 2015. C. 52-55.
- Гудремон, Э. Специальные стали. Том 1. 2-е изд. -М.: Металлургия, 1966. 734 с.
- Габельченко, Н.И. Получение стабильной аустенитной структуры и свойства деталей из стали 110Г13Л/Н.И. Габельченко, Н.В. Волкова//Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 12. C. 39-41.