Дослідження технології виплавки кальцієвих бабітів на основі вторинних сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

УДК 669.2/8.054.8

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИПЛАВКИ КАЛЬЦІЄВИХ БАБІТІВ НА ОСНОВІ ВТОРИННИХ СПЛАВІВ

Фільченков Олександр

Сергійович

Запоріжжя - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії

Науковий керівник кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Грицай Володимир Петрович, Запорізька державна інженерна академія, професор кафедри металургії кольорових металів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Маняк Микола Олександрович,

Донецький національний технічний університет МОН України, завідувач кафедри металургії кольорових металів та композиційних матеріалів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кожанов Володимир Андрійович,

Донецький державний науково-дослідний і проектний інститут кольорових металів Мінпромполітики України, директор

Захист відбудеться 18 листопада 2009 р. о 13 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д17.100.02, ЗДІА, 69006, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ЗДІА, м. Запоріжжя, 69006, пр. Леніна, 226.

Автореферат розісланий 9 жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 17.100.02 В.П.Грицай

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з актуальних завдань кольорової металургії є створення мало - та безвідходних технологічних процесів.

На даний час технологія виробництва бронзо-бабітових вкладишів підшипників ковзання є високовитратною, що пов'язано з необхідністю забезпечення високої якості бабітового шару за рахунок використання в шихті великої кількості первинного сплаву.

Шихта для приготування розплаву складається з чушок бабіту БК2 і вторинного бабіту, який отримано переплавленням стружки, що утворилася після механічної обробки бабітового шару. У стружку переходить близько 90 % сплаву.

За звичайною технологією співвідношення у шихті чушкового і вторинного бабіту складає 1:1. При серійному виробництві постійне накопичення відходів механічної обробки досягає багатьох тон щомісячно, а закупівельні ціни на них значно нижчі за вартість бабіту БК2.

Утворення відходів виробництва у великих кількостях знижує техніко -економічні показники, погіршує екологічну обстановку підприємства і регіону.

Можливість підвищення частки повернення кальцієвого бабіту в шихту обмежена тим, що хімічний склад сплаву змінюється після розплавлення унаслідок чаду кальцію і натрію.

Для підвищення ступеня використання відходів виробництва в роботі досліджували можливість захисту розплаву від угару легуючих елементів введенням магнію.

В результаті роботи вперше на практиці вдосконалено технологію переплавлення стружки, що дозволило досягти більш високого вмісту легуючих елементів у вторинному сплаві і збільшити частку повернення відходів в середньому до 70 %.

Для дотримання усіх вимог на якість литого атифрикційного бабітового шару в удосконаленій технології досліджували вплив легуючих і домішкових елементів на властивості і структуру сплаву, а також утворювання дефектів в кальцієвих бабітах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям досліджень узгоджується з Державною програмою розвитку і реформування гірничо - металургійного комплексу на період до 2011 року (Ухвала КМУ від 28.07.2004 р. № 967) в частині створення технологічних процесів виробництва високоякісної металопродукції з вторинних кольорових сплавів і відповідно до плану науково - дослідних робіт кафедри металургії кольорових металів ЗДІА за темою «Теорія і технологія процесів отримання і рафінування кольорових металів, напівпровідникових і композиційних матеріалів».

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження та відпрацювання технології отримання якісного бабіту з використанням підвищеної кількості вторинного сплаву в шихті плавки.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі завдання:

- визначити можливість підвищення частки вторинного сплаву в шихті і встановити граничну його кількість, при якій не знижується якість бабітового шару;

- дослідити вплив введення магнію на зміну масової частки натрію і кальцію при плавленні бабіту з використанням вторинного сплаву, встановити вплив магнію на зміну міцності бабіту при старінні;

- дослідити вплив легуючих елементів і мікродомішок на якість кальцієвих бабітів та встановити їх раціональний склад;

- встановити вплив хімічного складу бабітів та тривалості їх збереження на структуру, виникнення дефектів і газонасиченість.

Об'єкт дослідження - технологія виплавки бабіту БК2 з використанням відходів виробництва.

Предмет дослідження - вивчення можливості підвищення частки вторинного бабіту в шихті плавки і його впливу на структуру і властивості кальцієвих бабітів.

Методи дослідження: хімічний аналіз, рентгенофлуоресцентний аналіз для визначення масової частки елементів в свинцевих сплавах; метод вакуумного плавлення і хроматографічний аналіз для визначення масової частки газів в металах; оптичну та електронну мікроскопії, локальний мікрорентгеноспектральний аналіз для дослідження мікроструктури. Твердість зразків вимірювали мікротвердомірами; проводили випробування на розтягання та на зношування. При обробці експериментальних даних використовували методи статистичного аналізу. Адекватність ліній регресії та експериментальних даних оцінювали методом порівняння розрахункового критерію Фішера з табличними даними.

Наукова новизна одержаних результатів міститься в тому, що експериментально встановлено можливість підвищення частки вторинного сплаву в шихті плавки бабіту за рахунок введення магнію.

Найважливішим науковим результатом дисертаційної роботи є те, що вперше:

- виявлено граничну масову частку вторинного сплаву, при якому не знижується якість литого бабітового шару;

- встановлено вплив додавання магнію на угар натрію і кальцію при переплавленні відходів бабіту;

- отримано математичну модель, що встановлює залежність твердості бабітів від масової частки в сплаві кальцію, магнію, натрію і олова, а також від тривалості старіння сплаву;

- розроблено математичну модель, що описує вплив мікродомішок на механічні властивості кальцієвих бабітів;

- виявлено залежність вмісту газів у бабітах від їх складу.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше розроблено технологію, в якій використання вторинних бабітів доведено до 70 %, що підвищило техніко - економічні показники процесу виробництва вкладишів.

На основні технічні рішення з розробки технології з малою кількістю відходів отримано патент України №78355.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані претендентом самостійно:

- встановлено можливість підвищення частки вторинного сплаву в шихті плавки бабіту за рахунок введення магнію при переплаві, визначені оптимальні технологічні параметри плавки;

- досліджено вплив хімічного складу на газонасиченість і утворення дефектів вторинного бабіту БК2;

- розроблено математичні моделі, що встановлюють зв'язок механічних характеристик сплаву із масовою часткою легуючих елементів та мікродомішок;

- проаналізовано вплив хімічного складу бабіту на мікроструктуру.

Здобувач безпосередньо брав участь у розробці й впровадженні на практиці Запорізького механічного заводу технології отримання бронзо - бабітових вкладишів з використанням підвищеної кількості відходів виробництва.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на таких науково - технічних конференціях:

- міжнародній науково - практичній конференції «Сучасні проблеми і шляхи їх рішення в науці, транспорті, виробництві і утворенні», 2006 р., 15 - 25 грудня, м. Одеса;

- міжнародній науково - практичній конференції «Екологічні проблеми промислових підприємств і перспективи їх вирішення в рамках співпраці з Євросоюзом», 2007 р., 19 - 23 лютого, Закарпаття, Свалявський район;

- міжнародній науково - технічній конференції «Проблеми і вирішення у сфері поводження з небезпечними та побутовими відходами», 2007 р., 11 - 15 червня, Крим, с. Піщане;

- конференції «Вирішення технологічних та медико - біологічних проблем при використанні промислових і побутових відходів», 2008р., 25 - 29 лютого, Закарпаття, Свалявський район;

- першій науково - практичній конференції з міжнародною участю «Комп' ютерне моделювання в хімії та технологіях», 2008р., 12 - 16 травня, м. Черкаси;

- Х - ХШ науково - технічних конференціях студентів, магістрів, аспірантів і претендентів Запорізької державної інженерної академії, м. Запоріжжя, 2005 - 2008 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 робіт: дві статті в журналі

«Теорія і практика металургії», одна стаття в журналі «Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні», дві роботи в збірнику наукових праць Запорізької державної інженерної академії «Металургія», одна стаття в журналі «Металлургическая и горнорудная промышленность», одна стаття в журналі «Вісник Черкаського державного технологічного університету».

Всі видання рекомендовані ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і 6 додатків. Об'єм дисертації складає 122 сторінки основного тексту, кількість рисунків -39, кількість таблиць - 26, кількість використаних джерел - 103.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і завдання, визначено відповідність державним програмам, наведено наукову новизну і практичне значення результатів роботи, представлено відомості про апробацію.

У першому розділі проаналізовано стан питання металургії кальцієвих бабітів.

Наведено загальні відомості про бабіти. Розглянуто особливості технології виробництва бронзо - бабітових вкладишів підшипників ковзання і відмічено утворення великої кількості відходів бабіту. Це пов'язано з тим, що в шихту плавки бабіту повертається тільки половина відходів обробки з - за угару легуючих елементів. Постійне накопичення відходів свинцевого сплаву знижує техніко-економічні показники, погіршує екологічну обстановку.

Описано втомні, кавітаційні і зносні пошкодження бабітового антифрикційного шару і причини, що прискорюють їх появу.

Розглянуті особливості роботи бабітового шару і вимоги, що пред'являються до матеріалів антифрикційного шару.

Приділено увагу такому виду дефектів, як спучення бабітового шару, яке виникає після остаточної механічної обробки і довгого зберігання або пластичної деформації. Описано види дефектів спучення і наведено літературні відомості про підвищений вміст водню в дефектних бабітових шарах. У зв'язку з цим проаналізовано інформацію про поведінку водню в металах, наведено види їх взаємодії. Показано, що такі домішки в свинцю як кальцій, натрій, магній і олово сприяють розчинності водню.

Розглянуто механізми старіння сплавів, наведено відомості про старіння кальцієвих бабітів і роль основних легуючих елементів в цьому процесі.

На основі аналізу літературних даних зроблено висновки:

1) технологія виробництва бронзо-бабітових вкладишів пов`язана з великими затратами, тому доцільно провести дослідження можливості підвищення частки вторинного бабіту у шихті плавки, встановити граничну кількість вторинного сплаву;

2) вплив основних легуючих елементів (кальцію, натрію, магнію і олова) на властивості кальцієвих бабітів вивчений мало;

3) не виявлено ролі домішок сурми, нікелю, міді і цинку в зміні механічних властивостей, зносостійкості та структури кальцієвих бабітів;

4) мало інформації наведено про дефекти спучення бабітового шару, їх взаємозв'язок з газонасиченістю сплаву, особливо при використанні вторинних сплавів;

5) відсутні дані про залежність масової частки газів в первинних та вторинних сплавах від хімічного складу бабіту.

Викладені висновки стали підставою для проведення цієї роботи.

У другому розділі описано цільове призначення кожного з використаних у роботі методів дослідження.

Для дослідження хімічного складу сплавів на основі свинцю використовували такі методи. Рентгенофлуоресцентний аналіз проводили на спектрометрі СЕФ-01 «Спрут» для визначення вмісту основних елементів у кальцієвих бабітах. Для кількісного і якісного аналізу застосовували кварцові спектрографи ІСП-22 і ІСП-28, отримані спектри оцінювали на мікрофотометрі МФ-2. Крім того, з цією ж метою застосовували класичний хімічний метод аналізу.

Визначення структурних складових, морфології і розмірів зерен бабітів проводили за допомогою досліджень металографії. Використовували універсальний мікроскоп металографії «NEOPHOT». При збільшеннях зображення більше Ч 800 у якості імерсійної рідини використовували кедрову олію. У зв'язку з складним легуванням сплавів, що досліджуються, для кожного шліфа підбирали спеціальні травильники. Особливості будови фаз, що виділилися, будова меж зерен досліджувалися за допомогою растрового електронного мікроскопу «Stereoscan».

Визначення хімічного складу фаз, що виділилися, розподіл хімічних елементів в них проводили на установці рентгеноспектрального мікроаналізу «Camebax». Аналіз проводили за допомогою зонда діаметром 1 мкм по точках уздовж вибраної прямої і вибраних ділянок по площах.

При дослідженні дефектів, що пов'язані з газонасиченістю сплавів, застосовували хроматограф ЛХМ8МД. Газовий склад визначали, використовуючи метод вакуумного плавлення.

Твердість проб бабіту визначали за методикою ГОСТ 9012-59.

Оцінку зносу зразків бабіту здійснювали на машині тертя 2070 СМТ-1.

Для обробки результатів експериментів застосовували регресійний аналіз.

Третій розділ присвячений визначенню можливості підвищення частки вторинного сплаву в шихті плавок бабіту БК2. Для цього було проведено 3 цикли плавок у промислових умовах, в яких досліджували вплив кількості вторинного бабіту в шихті на твердість сплаву, вплив магнію на угар натрію і кальцію та на твердість бабіту.

Плавку проводили в сталевому тиглі електричної печі місткістю 600 кг. Після завантаження і розплавлення першої партії стружки масою близько 300 кг під дзвоником вводили кусковий магній масою 100 - 200 г. Після розплавлення магнію, перемішування розплаву, зняття шлаку при температурі 450 - 500 0С сплав розливали в підігріті виливниці. При розливанні з тиглю відбирали половину порції, знову додавали стружку і вводили магній масою близько 50 % від маси первинного завантаження. Шихта для заливки складалася з чушкового бабіту БК2 і вторинного сплаву в співвідношенні від (20 - 30) : (80 - 70) до 50 : 50 %.

В результаті обробки одержаних даних методом регресійного аналізу отримано залежність твердості сплаву БК2 від масової частки вторинного бабіту в шихті плавки:

НВ = 16,0108 + 5,0738 Сn - 0,5449 Сn2 - 3,4058 Сn3,

де Сn - масова частка вторинного бабіту, %;

НВ - твердість сплаву.

Для рівняння регресії (1) розрахункове значення критерію Фішера дорівнює Fр = 0,5. Табличне значення критерію Фішера для рівня значущісті 5 % и ступенів свободи f1 = 38 и f2 = 4 є FТ = 5,6. Отже, умова адекватності моделі (1) виконується, Fр < FТ. Критерій Стьюдента t б/2 = 2,02 (для довірчої вирогідності 1 ? б та ступеню свободи f = N ? 1); середнє квадратичне відхилення уи = 0,5.

Вирішуючи завдання безумовної оптимізації, визначили, що оптимальний вміст в ливарному сплаві вторинного бабіту повинен складати 65,4 %.

Графічну залежність твердості бабіту БК2 від частки вторинного сплаву в шихті плавки наведено на рис. 1.

У зв'язку з тим, що в технології плавки кальцієвих бабітів необхідно переплавляти велику кількість відходів механічної обробки, виникає проблема угару легуючих елементів з неминучим зниженням твердості сплаву.

Обробка результатів проведених плавок методом регресійного аналізу дозволила встановити взаємозв'язок між угаром натрію, кальцію і тривалістю плавки при добавці магнію.

Рис. 1. Зміна твердості бабіту при зміні частки вторинного сплаву в шихті

Залежність угару натрію від часу плавки має вигляд:

СNa = 0,2302 - 0,0084 t + 0,0019 t2 - 0,0064 t3,

де СNa - масова частка натрію в сплаві БК2 %;

- масова частка натрію в сплаві БК2 при введенні магнію,%;

t - тривалість плавки, годин.

Для (2) Fт = 2,7 > Fр = 0,79; для (3) Fт = 2,55 > Fр = 3,00; tб/2 = 2,04; уи = 0,023.

Вплив тривалості плавки на угар кальцію описується рівняннями:

де - масова частка кальцію в сплаві %;

- масова частка кальцію в сплаві при введенні магнію,%;

t - тривалість плавки, години.

Для рівняння (4) Fр = 0,77 < Fт = 2,68; для рівняння (5) FP = 0,747 < FT = 3,3; tб/2 = 2,04; уи = 0,051.

Відносне змінення угару натрію протягом плавки наведено на рис. 2, а зміна угару кальцію ілюстрована на рис. 3.

Рис. 2. Відносне змінення угару натрію під час плавки сплаву БК2:

?? - з введенням магнію; ? ? ? - без магнію

Рис. 3. Відносне змінення угару кальцію під час плавки бабіту БК2:

?? - з введенням магнію; ? ? ? - без магнію

З рис. 2 видно, що введення магнію зменшує угар натрію впродовж 2,5 годин плавки приблизно на 45 %, а угар кальцію за 3,0 години знижується на 20%.

Враховуючи, що кальцієві бабіти є структурно-старіючими сплавами, було проведено вимірювання твердості зразків сплавів, отриманих в попередніх

дослідах, після витримки до 1 року.

Встановлено, що вплив старіння на твердість зразків бабіту описується регресійними рівняннями:

де НВ - твердість бабіту БК2, який отримано без додавання магнію;

- твердість бабіту, який отримано з додаванням магнію;

t - тривалість зберігання, доби.

Для (6) Fр = 1,22 < Fт = 1,70; для (7) Fр = 3,09 < Fт = 3,10; tб/2 = 2,04; уи = 0,97.

Зміну твердості сплаву БК2 під час старіння наведено на рис. 4.

Рис. 4. Вплив тривалості старіння на твердість бабіту БК2:

?? - з введенням магнію; ? ? ? - без магнію

Як видно з рис. 4, твердість сплавів, які отримано без додавання магнію, плавно зростає впродовж 150 діб, що відображено на графіку, досягаючи приблизно НВ = 24. Введення магнію забезпечує досягнення цього значення приблизно за 45 діб витримки, а за 150 діб твердість бабіту становить НВ = 27.

У четвертому розділі розглянуто вплив легуючих елементів на структуру і властивості кальцієвих бабітів.

У зв'язку з тим, що одна з найважливіших характеристик кальцієвих бабітів - твердість залежить від кількості і виду легуючих елементів, досліджували сімнадцять сплавів з різним вмістом і співвідношенням основних легуючих елементів - кальцію, магнію, натрію і олова. Твердість сплавів визначали після витримки від 0,5 до 720,0 годин.

Математичною обробкою отриманих результатів встановлено, що вплив легуючих елементів і тривалості витримки на твердість бабіту оцінюється регресивним рівнянням у вигляді кубічних поліномів:

,

де N - кількість легуючих елементів і час витримки, N = 5;

xi - масова частка легуючого елементу (i = 1 - для Ca; i = 2 - для Na; i = 3 - для Sn; i = 4 - для Mg), %;

x5 - час витримки від моменту відливання до визначення твердості;

- коефіцієнти рівняння регресії ( табл. 1).

Для рівняння (8) Fp = 14,2; Fт = 1,48 при = 0,05, f1 = 84 и f2 = 69.

Таблиця 1 Значення коефіцієнтів рівняння регресії (8)

Параметр	і
Масова частка Ca , %	1	-5,615	17,865	-1,819
Масова частка Na, %	2	-1,327	14,233	1,357
Масова частка Sn, %	3	0,435	-0,117	0,201
Масова частка Mg, %	4	0,314	6,892	1,374
Тривалість, годин	5	1,748	3,390	2,429

Вплив легуючих елементів на твердість бабіту БК2 після витримки впродовж 1 години графічно зображено на рис. 5.

Як видно з рис.5, зі збільшенням масовоі частки натрію і магнію з 0 до 1,6% твердість зразків зростає в 2,5 - 3,0 рази. Збільшення вмісту олова майже не впливає на цей показник. Вплив кальцію характеризується наявністю екстремуму при його масовій частцi 0,8 - 1,2 %. При цьому твердість зростає в 1,8 разів.

Тому, що зі збільшенням у складі шихти частки вторинного сплаву відбувається постійне накопичення металевих домішок, було проведено дослідження з визначення впливу сурми, сурми з нікелем, нікелю, міді, цинку, міді з цинком на твердість, межу міцності при розтягуванні і ударну в'язкість бабіту БК2.



Рис. 5 Залежність твердості бабіту від масової частки елементів:

За наслідками комплексного дослідження впливу хімічних елементів на механічні характеристики бабіту БК2 було проведено апроксимацію квадратними сплайнами по кожному легуючому елементу у вигляді:

,

де N - кількість хімічних елементів, що легують бабіт БК2;

xЯ - вміст легуючого елементу за номером Я;

aЯ- коефіцієнти сплайну для легуючого елементу за номером Я;

и - характеристика бабіту БК2 (межа міцності, твердість, питома в'язкість).

У залежності (9) коефіцієнти сплайнів (aЯ, bЯ, cЯ,) визначено для таких границь масової частки легуючих елементів в бабіті БК2:

[] = {0 - 0,14 %}; [] = {0,11 - 0,29 %};

[] = {0,002 - 0,39 %}; [] = {1,70 - 2,00 %};

[] = {0,003 - 0,47 %}; [] = {0,01 - 0,21 %}.

У дисертації представлені таблиці з чисельними значеннями коефіцієнтів сплайнів в залежності (9) для концентрацій легуючих елементів i вiд 1 до 5.

Для одного з варіантів значення коефіцієнтів сплайнів наведено в табл.2. сплав шихта кальцієвий бабіт

Таблиця 2 Значення коефіцієнтів сплайнів в залежності (9) для легуючих елементів

Легуючий елемент	Твердість, НВ	Межа міцності на розтягування, МПа	Ударна в'язкість, МДж/м2
еле- мент	позна-чення	ai	bi	ci	ai	bi	ci	ai·102	bi·102	ci·102
[Ca]	x1	0,057	0,119	0,008	0,147	0,223	0,014	0,032	0,081	0,002
[Na]	x2	0,057	0,119	0,034	0,102	0,223	0,069	0,030	0,081	0,398
[Mg]	x3	0,023	0,049	0,002	0,031	0,084	0,002	0,004	0,010	0,001
[Sn]	x4	1,236	2,594	4,096	2,356	5,148	8,288	1,128	2,838	5,043
[Ni]	x5	0,210	0,449	0,121	0,465	1,040	0,269	0,386	0,946	0,218

Зіставлення отриманих результатів дає можливість зробити висновок, що основне зміцнення можна отримати за рахунок легування цинком. Максимальна

міцність сплаву, що містить 0,20 % цинку, не залежить ні від наявності міді, ні від наявності магнію. Проте це вірно для сплавів з масовою часткою міді не більше 0,05 %, тому що при більшому вмісті міді і міцність, і ударна в'язкість починають різко знижуватися. Тому доцільно знизити допустиму масову частку міді з 0,20 до 0,05%.

У цьому розділі також проведено дослідження деяких зразків бабіту на масове та лінійне зношення. Отримані експериментальні та розрахункові значення зношення дали хорошу збіжність. Мінімальне зношення отримано для сплаву з масовою часткою цинку 0,20 %, який має найбільшу твердість.

Максимальне зношення мають сплави, в якi введено сурму та сурму з нікелем.

Для вивчення впливу легуючих компонентів на структуру і властивості бабіту було приготовано сім подвійних, десять потрійних і три п'ятикомпонентних сплавiв. Після визначення твердості сплавів, витриманих від 0,5 до 720,0 годин, були проведені металографічні дослідження.

Аналізом мікроструктур виявлені такі закономірності: магній з масовою часткою в дiапазонi в межах від 0,01 до 0,26 % сприяє збільшенню кількості пор і розміру зерен в сплавах; натрій в малих кількостях (0,12 - 0,25 %) сприяє утворенню дрібнокристалічної структури, із збільшенням його вмісту збільшується розмiр зерна. Введений разом з кальцієм натрій сприяє подрібненню структури сполуки Pb3Ca. Кальцій при взаємодії з натрієм і магнієм сприяє утворенню сприятливої комірчастої структури сплаву. Олово зменшує пористість бабіту.

У п'ятикомпонентних сплавах (типу БК2) при малій масовій частцi легуючих компонентів утворюється несприятлива грубозерниста структура. Сплав з максимальним вмістом натрію і магнію має комірчасту будову з підвищеною кількістю пор по межах зерен. При середньому вмісті легуючих компонентів утворюється дрібнозерниста структура з тонкими межами зерен.

П'ятий розділ присвячений вивченню утворення дефектів в кальцієвих бабітах.

Металографічному дослідженню піддавали шліфи бабітового шару, що мають крупні і дрібні дефекти спучення. Виявленi загальні закономірності:

а) усі дефектні зразки мають дрібнокристалічну структуру; б) бабітовий шар містить велику кількість пор як за усім об'ємом, так і на стику з бронзовою основою.

У місцях з крупними дефектами спучення зафіксовано розшарування бабіту. Після розпрямлення дефектного шару під пресом окрім розшарування утворюється сітка тріщин (у бездефектних зразках при цьому виникає тільки хвилястість поверхні).

У зв'язку з тим, що у літературі виникнення дефектів спучення пояснюється впливом водню, було проведено визначення складу газу в дефектній порожнині. Відбір проб газу проводили в концентрованому розчині куховарської солі. Аналіз двох проб газу дав схожі результати (%): 1) 7,90 Н2; 65,35 N2; 26,80 О2; 2) 8,30 Н2; 65,10 N2; 26,70 О2.

Методом вакуумного плавлення визначені масові частки кисню, водню і азоту в зразках бабітів БКА, БК2 і БК2Ш, бабітових шарах заводських підшипників, а також в переплавах стружки бабіту.

Встановлено високу газонасиченість вторинних сплавів, особливо Запорізького механічного заводу (наприклад, вміст водню склав 68,35 см3/100г).

Для визначення впливу хімічного складу сплаву на його газонасиченість було приготовано дев'ять синтетичних сплавів, що відповідають складу бабіту БК2 (табл. 3). Сплави вибрані з урахуванням складання матриці планування типу 2n, при n = 3. Масова частка олова у всіх сплавах був постійна і знаходилася в межах 1,80 - 1,85 %.

Таблиця 3 Хімічний склад сплавів і вмiст у них газів

Номер сплаву	Масова частка, %	Вміст газів
	Nа	Са	Mg	О2	Н2	N2
				масовi долі, %	см3/100г	масовi долі, %	см3/100г	масовi долі, %
1	0,14	0,060	0,031	0,0023	6,78	0,00060	1,23	0,00150
2	0,26	0,056	0,020	0,0024	7,56	0,00067	1,42	0,00180
3	0,14	0,186	0,013	0,0023	6,89	0,00061	1,35	0,00170
4	0,27	0,131	0,014	0,0022	7,24	0,00064	1,38	0,00170
5	0,14	0,080	0,100	0,0027	7,88	0,00070	1,41	0,00180
6	0,30	0,080	0,084	0,0029	8,42	0,00075	1,45	0,00181
7	0,14	0,190	0,100	0,0027	7,92	0,00070	1,32	0,00167
8	0,28	0,160	0,076	0,0028	8,57	0,00076	1,42	0,00180
9	0,21	0,110	0,051	0,0027	7,06	0,00076	1,33	0,00167

Сплави виготовлялися з чистого свинцю, лігатур Рв - Nа, Рв - Са і Рв - Мg і чушкового бабіту БК2.

Статистична обробка даних дозволила отримати наступні залежності масової частки газів від хімічного складу сплавів.

Для водню:

Н2 = ( 7,66 + 0,29 Х1 + 0,54 Х2 ), см3 / 100 г ,

де: Х1 - масова частка натрію, %;

Х2 - масова частка магнію, %.

В рівнянні (10) Fp = 2,94; Fт = 4,12; tб/2 = 2,36; уи = 0,3.

Для кисню:

О2 = ( 25 + 2,4 Х1 + 0,3 Х2 + 0,3 Х3 )·10 -4, (11)

де: Х1 - масова частка натрію, %;

Х2 - масова частка кальцію, %;

Х3 - масова частка магнію, %.

В рівнянні (11) Fp = 3,26; Fт = 3,97; tб/2 = 2,46; уи = 1,1·10-4.

Отримані залежності показують, що основний вплив на газонасиченість сплавів має магній. Значно менше - натрій. Масова частка кальцію не впливає помітно на насичення киснем.

Для забезпечення мінімальної газонасиченості оптимальна масова частка легуючих елементів повинна складати (%): 0,16 - 0,23 Na; 0,02 - 0,05 Mg; 0,06 - 0,15 Ca,

Як видно з табл. 3, сплав такого хімічного складу містить мінімальну кількість водню і кисню.

Для визначення можливості утворення дефектів спучення зразки сплавів (номери 1 - 9 у табл. 3) зберігали в сухому приміщенні впродовж 1 року. Результати дослідження зразків представлені в табл. 4.

Таблиця 4 Кількість і вид дефектів спучення

Кількість дефектів	Номер сплаву
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
великих	-	-	-	-	-	3	1	4	-
дрібних	36	43	37	46	49	67	56	78	44

Як видно з табл. 4, найбільша кількість дефектів спучення виявляється у сплавів з максимальною газонасиченістю.

ВИCНОВКИ

1. Проведено дослідження з різною кількістю вторинного сплаву в промислових плавках бабіту БК2 та встановлено можливість зниження витрат на первинний сплав.

Регресійним аналізом результатів плавлення отримано залежність твердості сплаву від кількості вторинного бабіту. Встановлено оптимальну масову частку вторинного бабіту в шихті - 65,4 %.

2. Визначено вплив додавання магнію на угар натрію й кальцію впродовж плавлення бабіту БК2 з використанням вторинного сплаву.

Встановлено залежність зміни масової частки цих легуючих елементів від часу плавлення та показано, що введення 0,06 - 0,07 % магнію при переплавленні стружки знижує угар натрію приблизно на 45 %, а кальцію - на 20 %.

3. На зразках бабіту, які отримано плавленням з різною кількістю повернення, проведено вимірювання твердості впродовж витримки до 1 року та отримані регресійні рівняння залежності твердості бабіту БК2 від тривалості старіння. Визначено, що нормативне введення магнію в плавку дає суттєве зростання твердості сплаву з часом.

4. Досліджено твердість 17 свинцевих сплавів, легованих кальцієм, натрієм, магнієм й оловом у різному співвідношенні з витримкою після відливання від 0,5 до 720 годин.

Математичною обробкою результатів дослідження отримано рівняння регресії у вигляді кубічних поліномів, яке описує залежність твердості бабітів від хімічного складу і тривалості старіння сплаву.

Показано, що збільшення масової частки натрію і магнію до 1,6 % підвищує твердість зразків в 2,5 - 3,0 рази. Вплив олова мало помітний, а кальцію - характеризується наявністю екстремуму в діапазоні 0,8 - 1,2 %.

5. Для встановлення впливу поступового накопичення домішок при зростанні в шихті частки повернення відходів досліджували декілька груп сплавів із змінним вмістом сурми, нікелю, сурми з нікелем, міді, цинку і міді з цинком.

За наслідками комплексного дослідження впливу мікродомішок на твердість, межу міцності при розтягуванні і ударну в'язкість було проведено апроксимацію квадратними сплайнами по кожному елементу.

Отримано математичну модель, яка описує залежність механічних властивостей бабіту від масової частки елементів у межах (%): 0 - 0,14 Сa; 0,11 - 0,29 Na; 0,002 - 0,390 Сu; 1,7 - 2,0 Sn; 0,003 - 0,470 Zn і 0,01 - 0,21 Ni.

6. Експериментально і розрахунками визначено лінійну й масову зносостійкість бабіту БК2 з домішками сурми, нікелю, міді та цинку.

Встановлено, що цинк не тільки підвищує твердість бабіту, але й сприяє найменшому зносу. Нікель і сурма знижують зносостійкість сплаву.

7. Для визначення залежності мікроструктури бабітів від хімічного складу при різній тривалості старіння (від 0,5 до 720 годин) з вимірюванням твердості були проведені металографічні дослідження, в результаті яких встановлено, що кальцій при масовій частці 0,7 - 0,9 % у бабіті БКА і 0,06 - 0,15 % у БК2 покращує механічні властивості і обумовлює утворення сприятливої мікроструктури. Вихід за межі інтервалу в будь - яку сторону приводить до погрублення мікроструктури і погіршення механічних властивостей.

Вплив натрію на властивості бабіту дещо слабший, ніж кальцію. При масовій частці 0,6 - 0,8 % у БКА і 0,15 - 0,25 % у БК2 натрій підсилює дію кальцію. Перевищення межи веде до зростання розміру зерна, пористості і зниження механічних властивостей.

Магній при масовій частці більше 0,05 % сприяє зростанню розміру зерна, пористості і зниженню механічних властивостей.

Олово в сплаві БК2 знижує пористість.

Домішка цинку в кальцієвих бабітах сприяє підвищенню усіх механічних властивостей. При масовій частці цинку 0,20 % досягається максимальна міцність сплаву незалежно від масової частки магнію від 0,006 до 0,020 % і міді до 0,05 %.

Зростання масової частки міді з 0,05 до 0,20 % знижує механічні властивості сплаву.

8. Для отримання сприятливої мікроструктури і високих механічних властивостей доцільно, щоб у бабіті БКА було 0,7 - 0,9 % Ca; 0,6 - 0,8 Na; залишок - Pb.

Для бабіту БК2 раціональною масовою часткою є 0,06 - 0,15 % Са; 0,15 - 0,25 Na; 0,02 - 0,05 % Mg; 1,5 - 2,0 Sn; залишок - Pb.

9. Металографічними дослідженнями бабітових шарів підшипників, що мають дефекти спучення, встановлено, що зразки як з дрібними, так і крупними дефектами мають дрібнозернисту структуру і містять більшу кількість газових пор. У зонах з крупними дефектами зафіксовано розшаровування бабіту.

10. Аналізом двох проб газу, які були відібрані безпосередньо з порожнин крупних дефектів спучення, встановлено, що масова частка в них (%): 7,90 - 8,30 Н2; 65,10 - 65,35 N2; 26,70 - 26,80 О2.

11. Методом вакуумного плавлення з використанням хроматографічного аналізу визначено вміст кисню, водню і азоту в кальцієвих бабітах, литих заводських бабітових шарах і вторинних сплавах.

Встановлено високу газонасиченість вторинних бабітів, особливо Запорізького механічного заводу (68,35 см3/100 г)

12. Математичною обробкою результатів газонасиченості дев'яти синтетичних сплавів встановлено залежності масової частки водню і кисню від складу сплаву. Отримані залежності показують, що основний вплив на газонасиченість має магній. Меншою мірою впливає натрій. Роль кальцію незначна.

13. Підрахунком кількості дефектів спучення в зразках дев'яти досліджених сплавів після їх зберігання впродовж 1 року встановлено, що найбільшу кількість дефектів мають сплави з максимальною газонасиченістю.

14. Вивченням утворення дефектів і газонасиченості визначено, що верхня межа масової частки магнію в сплаві, яким заливається вкладиш, повинна складати 0,06 %, а оптимальний вміст натрію 0,16 - 0,23 %.

15. Проведені дослідження стали підставою для розробки наступної технічної документації.

ГОСТ 1209-78. Бабіти кальцієві в чушках. Технічні умови.

ОСТ 32-8-78 Підшипники букcові тертя ковзанням для вагонів і тендерів широкої колії 1520 (1524) мм. Технічні вимоги.

ТУ 32 УВ 1085-80. Підшипники для вісі ІІІ типу (без армирування).

ТУ 32 ЦТВР. Приймання двигунів 2Д100, що заливаються свинцевим сплавом з використанням бабіту БК2.

Зміни до інструкції № 323 УВ. Ремонт і обслуговування буксових вузлів вантажних вагонів.

16. На підставі матеріалів дисертаційної роботи розроблено технологічну інструкцію з плавлення бабіту з підвищеною часткою вторинного сплаву, а технологію впроваджено на Запорізькому механічному заводі.

17. На продукцію Запорізького механічного заводу, яку отримано за розробленою технологією, надано позитивні відгуки від 4 підприємств.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Фильченков А. С., Иванов Г. В. Грицай В. П. Особенности технологии производства бронзо - баббитовых вкладышей // Теория и практика металлургии. - Днепропетровск, 2005. - №4-5. - С. 49-51.

2. Фильченков А. С. Исследование дефектов бронзо - баббитовых вкладышей подшипников скольжения // Металургия: Зб. наук. праць. - Запоріжжя: ЗДІА, 2006. - №13. - С. 130-132.

3. Фильченков А. С., Грицай В. П., Скачков В. А., Иванов В. И., Иванов Г. В., Влияние микролегирования на механические свойства баббита БК2 //Теория и практика металлургии. - Днепропетровск, 2007. - №2-3. - С.123-127.

4. Фильченков А. С., Грицай В. П., Иванов Г. В. Влияние химического состава на газонасыщенность и образование дефектов вспучивания переплава баббита БК2 // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - Запоріжжя, 2007. - №1. - С. 85 - 88.

5. Фильченков А. С., Грицай В. П., Скачков В. А., Иванов В. И. Выбор рационального состава кальциевых баббитов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008. - № 6. - С.69 - 72.

6. Фільченков О. С., Грицай В. П., Скачков В. О., Іванов В.І. Моделювання процесу зношення підшипників ковзання на основі бабіту // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Черкаси, 2008. - № 3. - С. 152-155.

7. Фільченков О. С., Грицай В. П., Іванов Г. В., Печеннікова В. М. Особливості технології одержання якісного бабітового шару підшипників ковзання з підвищеною часткою повернення відходів виробництва // Металургія: Зб. Наук. Праць. - ЗДІА, - 2009. - №19. - С. 52-55.

8. Фильченков А. С., Грицай В. П. Разработка малоотходной технологии получения бронзобаббитовых вкладышей//Х науково - технічна конференція студентів, магістрантів і викладачів ЗДІА. -Запоріжжя: ЗДІА, 2005. -Ч. ІІ. - С. 13.

9. Сорокина Е. В., Фильченков А. С., Грицай В. П. Исследование структуры дефектов бронзо - баббитовых вкладышей // ХІ науково - технічна конференція студентів, магістрантів, і викладачів ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2006. - Ч. І. - С. 81.

10. Фильченков А. С., Сорокина Е. В., Грицай В. П. О влиянии некоторых химических элементов на механические свойства баббита БК2 // ХІ науково- технічна конференція студентів, магістрантів і викладачів ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2006. - Ч. І. - С. 89.

11. Фильченков А. С., Грицай В. П., Иванов Г. В. Влияние химического состава на газонасыщенность и образование дефектов вспучивания переплава баббита БК2 // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании: Международная научно - практическая конференция. - Одесса, 2006. - С. 19-24.

12. Фильченков А. С., Иванов Г. В., Грицай В. П. О малоотходной технологии получения бронзо-баббитовых вкладышей // Екологічні проблеми промислових підприємств і перспективи їх вирішення в рамках співробітництва з Євросоюзом: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2007. - С. 101-104.

13. Фильченков А. С., Грицай В. П. Образование дефектов вспучивания на баббите при использовании переплава стружки // ХІІ науково - технічна конференція студентів, магістрантів і викладачів ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2007. - Ч. ІІ. - С. 47.

14. Фильченков А. С., Грицай В. П., Иванов Г. В. Уменьшение образования технологических отходов при производстве бронзо - баббитовых вкладышей // Проблеми і рішення у сфері поводження з небезпечними та побутовими відходами: Труди міжнародної науково - технічної конференції. - К.: Знання України, 2007. - С. 47-50.

15. Фильченков А. С., Грицай В. П., Скачков В. А., Иванов В. И. Об изменении структуры и твердости кальциевых баббитов со временем // ХІІІ науково - технічна конференція студентів, магістрантів, аспірантів і викладачів ЗДІА. Запоріжжя: ЗДІА, 2008. - Ч. І. - С. 73.

16. Фильченков А. С., Иванов Г. В., Грицай В. П. Переработка отходов, образующихся при производстве бронзо - баббитовых вкладышей // Вирішення технологічних та медико - біологічних проблем при використанні промислових і побутових відходів: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2008. - С. 57-59.

17. Фильченков А. С., Грицай В. П., Скачков В. А., Иванов В. И. Моделирование процесса износа подшипников скольжения на основе баббита // Комп'ютерне моделювання в хімії та технологіях: Тези доповідей першої науково - практичної конференції з міжнародною участю. - Черкаси: ЧНТУ, 2008.- С. 48.

18. Пат. 78355 Україна, МПК B22D 19/08 (2006.01) C22C 1/08 (2006.01) Спосіб виготовлення вкладишів підшипників ковзання з антифрикційним шаром на основі кальцієвого бабіту / Шиян. О. Г. Фільченков О. С., Іванов Г. В., Візірський В. Д., Пухловський В. І. (Україна). Заявник та тримач патенту ВАО ЗМЗ; заявл. 01.03.05; опубл. 15.03.2007, Бюл. № 3, 2007 р.

АНОТАЦІЯ

Фільченков А. С. Дослідження технології виплавки кальцієвих бабітів на основі вторинних сплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів і спеціальних сплавів. - Запорізька державна інженерна академія, Запоріжжя, 2009.

Дисертація присвячена зниженню витрат в технології виплавки кальцієвого бабіту з використанням відходів механічної обробки. Для підвищення ступеня використання відходів у роботі проведено комплексні дослідження з оберігання угару легуючих елементів введенням магнію при переплавці і з забезпечення вимог до якості литого бабітового шару, який отримано з шихт з підвищеною часткою відходів.

Досліджено вплив додавання магнію на зміну вмісту інших легуючих елементів у бабіті впродовж плавлення. Встановлено залежність твердості бабіту від частки вторинного сплаву в шихті.

Розроблено математичні моделі, що описують вплив основних легуючих елементів і мікродомішок на механічні властивості бабітів.

Визначено зносостійкість зразків бабітів, до яких введені домішки.

Досліджено вплив хімічного складу і тривалості старіння бабітів на мікроструктуру і твердість сплавів.

Вивчено утворення дефектів і насиченість газами кальцієвих бабітів. Встановлено залежність вмісту водню і кисню від хімічного складу сплавів.

На підставі проведених досліджень надано рекомендації з оптимізації технологічних допусків на вміст в бабіті легуючих компонентів. Технологію виплавки бабіту з підвищеною часткою вторинного сплаву впроваджено на Запорізькому механічному заводі.

Ключові слова: Бабіти кальцієві. Підшипники ковзання. Вторинні сплави.

Плавка. Використання відходів. Хімічний склад і властивості бабітів.

ФильченковА.С. Исследование технологии выплавки кальциевых баббитов на основе вторичных сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - «Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов». - Запорожская государственная инженерная академия, Запорожье, 2009.

Диссертация посвящена снижению затрат в технологии выплавки кальциевого баббита с использованием отходов механической обработки. Для повышения степени использования отходов, в работе проведены комплексные исследования по предохранению угара легирующих элементов введением магния при переплаве и по обеспечению требований по качеству литого баббитового слоя, полученного из шихт с повышенной долей отходов.

Исследовано влияние добавок магния на изменение содержания других легирующих элементов в переплавах баббита. Установлено оптимальное количество добавки магния и максимально возможное содержание возврата в шихте.

Изучено влияние основных легирующих элементов и металлических примесей на механические свойства кальциевых баббитов. Разработана математическая модель, описывающая зависимость твердости сплава от содержания кальция, магния, натрия и олова, а также от времени старения сплава.

Получена математическая модель, устанавливающая зависимость предела прочности, твердости и ударной вязкости кальциевых баббитов от содержания микропримесей сурьмы, никеля, меди и цинка.

Определена линейная и массовая износостойкость баббита БК2 с примесями сурьмы, никеля, меди и цинка. Показано положительное влияние цинка как на твердость, так и на износостойкость баббита.

Проведены металлографические исследования образцов свинцовых сплавов после различной длительности хранения при одновременном измерении твердости и установлено влияние химического состава и времени старения на микроструктуру и свойства баббита. Отмечено влияние натрия и магния на порообразование. Показано, что при среднем содержании легирующих элементов в пределах стандарта достигается благоприятная структура баббита.

Изучена микроструктура и газонасыщенность дефектных образцов литого баббитового слоя. Определен состав газов в полостях дефектов вспучивания.

Регрессионным анализом получена зависимость содержания водорода и кислорода в баббитах от их химического состава.

Получено количественное подтверждение зависимости наличия дефектов вспучивания от состава сплава.

На основании проведенных исследований установлены оптимальные технологические допуски на содержание в баббите легирующих компонентов, даны рекомендации для корректировки технических условий и стандартов. Разработана технологическая инструкция выплавки баббита с повышенной долей возврата в шихте плавки и внедрена малоотходная технология на

Запорожском механическом заводе.

Ключевые слова: Баббиты кальциевые. Подшипники скольжения. Вторичные сплавы. Плавка. Использование отходов. Химический состав и свойства баббитов.

Filchenkov A.S. Research the technology of calcium babbits smelting from the base of secondary alloys. - Manuscript.

The Master's thesis is presented for a Candidate of Science on speciality 05.16.02 -"Metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and specialized alloys."- Zaporizhya State Engineering Academy, Zaporizhya, 2009.

The thesis relates to cost reduction in the technology of calcium-babbit smelting using mechanical processing waste. There have been complex investigations to protect alloyed elements from oxigen fumes by means of magnesium introduction at remelting and meet the requirements of a cast babbit layer quality, being produced from the furnace charges with a high processing waste.

The influence of magnesium addition to the content of various alloyed elements in secondary babbits has been studied. Optimal quantity of magnesium addition and maximum possible recycle in a furnace charge have been established.

Mathematical model describing the dependence of alloy hardness from the basic content of alloyed elements and the influence of micromixtures upon babbit mechanical properties have been worked out.

The babbit wear resistance with additional admixtures has been described.

The influence of composition and babbit wear service upon microstrucrure and alloy hardness have been investigated.

Defect formation and gas saturation of calcium babbits have been determined. Content dependence of hydrogen and oxygen from chemical content of alloys has been achieved.

In accordance with present investigations we have established the optimal technological tolerances of alloyed elements in babbit. We have presented recommendations for modification of industrial standards. The technological instructions of babbit smelting with a high share of recycle in furnace charge at smelting have been worked out. A technology with a small processing waste has been introduced at Zaporizhzhya mechanical plant

Key words: Calcium babbits, secondary alloys, plain bearing, smelting, waste application, chemical composition, babbit properties.

Размещено на Allbest.ru

...