Применение нанопорошков для повышения качества поверхности литых судовых винтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.12.03

¹ Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск, Россия

² Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия

Применение нанопорошков для повышения качества поверхности литых судовых винтов

¹М.В. Резанова, ²Г.Г. Крушенко

Аннотация

нанапорошок химический огнеупорный литейный

В различных отраслях машиностроения постоянно расширяется применение нанопорошковых технологий, что связано с необычными свойствами частиц таких порошков, размеры которых не превышают 100 нанометров, что и является основным «инструментом» положительного влияния этих материалов на различные физико-механические характеристики металлоизделий. В настоящей работе описано применение нанопорошков химических соединений в качестве компонента разделительных огнеупорных покрытий литейных форм, применяемых при литье судовых винтов, что обеспечило повышение чистоты поверхности лопастей и уменьшение кавитационной эрозии.

Ключевые слова: нанопорошки химических соединений, литые винты, кавитационная эрозия

В последние 10-15 лет все большее внимание уделяется новому классу материалов ? нанопорошкам (НП) химических соединений [1-5], которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм. Интерес к этим материалам объясняется тем, что они обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии, и эти свойства могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям. Причина уникальности свойств НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается соизмеримым [6-8].

НП были успешно использованы в качестве огнеупорной составляющей красок (огнеупорных покрытий), применяемых для окраски рабочих поверхностей как металлических (кокиль), так и песчано-глинистых литейных форм. Их роль заключается, как в предотвращении взаимодействия жидкого металла с поверхностью форм, так и в формировании качественной поверхности отливки.

Литье в кокиль является основным способом серийного и массового производства отливок из алюминиевых сплавов, позволяющий получать детали 4-6-го классов точности с шероховатостью поверхности Rz = 50…20 мкм.. Недостатком используемых в производстве кокильных красок, в частности, при литье деталей из алюминиевых сплавов, содержащих такие огнеупорные составляющие, как мел CaCO3, двуокись титана TiO2, окись цинка ZnO, является их низкая седиментационная устойчивость вследствие крупности частиц (десятки мкм), что приводит к расслоению красок при выстаивании. Это явление для частиц размером в десятки мкм, взвешенных в жидкости, отметил еще А. Эйнштейн [9], и оно требует постоянного их перемешивания в процессе окраски форм, производимой с помощью пульверизатора. Кроме того, крупные частицы недостаточно прочно сцепляются с окрашиваемой металлической поверхностью в связи с тем, что их размеры превышают размеры шероховатости (впадины, выступы) поверхности кокиля. Поэтому в процессе литья огнеупорное покрытие местами выкрашивается, в связи с чем кокиль периодически подкрашивается. При этом слой краски на поверхности кокиля становится “разнотолщинным”, в связи с чем на поверхности отливок появляются неровности, что ухудшает не только товарный вид отливки, но отрицательно влияет на ее рабочие характеристики, и ухудшают показатели эксплуатации. Именно такой случай имел место при литье в кокиль из алюминиево-кремниевого сплава АК7ч сложной фасонной отливки - трехлопастного лодочного гребного винта с диаметром 240 мм по контуру лопастей. Кокиль состоит из двух полуформ со сложным криволинейным разъемом в горизонтальной плоскости по лопастям, ступица оформляется в нижней полуформе (Рис. 1).

а бв

Рис. 1. Верхняя полуформа кокиля (а - вид перпендикулярно плоскости разъема) для литья трехлопастного лодочного гребного винта (б - отливка; в - обработанный резанием винт)

При удалении отлитого винта из кокиля краска подвергается значительному истирающему воздействию. Одним из основных требований к качеству винта, обеспечивающим его требуемые ходовые качества, является получение лопастей с требуемой толщиной сечения, которое в месте перехода к ступице составляет 100 мм и уменьшается до 2 мм по периферии. Важным критерием качеством винтов является строгое ограничение дисбаланса, на величину которого и влияет неоднородность толщины лопастей. При приготовление кокильной краски использовали НП нитрида кремния Si₃N₄ в количестве 3,92 масс. % (остальное: 5,88 % окиси цинка ZnO; 11,76 % жидкого стекла Na₂SiO₃; ост. вода). Высокая седиментационная устойчивость частиц НП предотвращает расслоение красок. Кроме того, в связи с соизмеримостью размера частиц НП с шероховатостью поверхности кокиля, повышается их сцепляемость с ней, а также улучшается заполняемость ими пустот между более крупными частицами окиси цинка, что обеспечивает получение более ровной поверхности покрытия. Эти особенности свойств НП Si₃N₄ обеспечили высокую стойкость окрашенного слоя при съеме с разовой покраски кокиля 300 отливок винтов, тогда как при использовании заводской краски (5,0 % окиси цинка ZnO; 2,0 % жидкого стекла Na₂SiO₃; ост. вода) стойкость разового покрытия обеспечивала съем только 120…140 отливок. При этом чистота поверхности отливок повысилась в 1,6 раза - шероховатость поверхности уменьшилась с 34 до 21 мкм. Разработанная краска показала аналогичные результаты и при литье винтов из сплавов АК12 и АК9ч в неразъемный кокиль более массивной детали (масса 25 кг, высота 0,4 м.) конусной формы типа «обтекатель», работающей в экстремальных условиях.

Известно [10], что качество поверхности лопастей винтов является важным фактором качества плавсредства по той причине, что шероховатость поверхности оказывает существенное влияние на возникновение кавитационной эрозии [11, 12]. При литье в песчаные формы поверхность стальных и чугунных отливок, если не применять специальных мер, практически во всех случаях поражается так называемым «пригаром» [13], который представляет собой грубую, прочно сцепленную с телом отливки корку, состоящую из зерен формовочного материала (кварцевый песок) и цементирующего вещества [14]. Среди других литейных поверхностных дефектов отливок на долю пригара приходится до 50% [15].

Несмотря на принятие мер по предотвращению вероятности образования пригара, что осуществляется путем окраски рабочих поверхностей литейных форм и стержней (формируют в отливках полости) противопригарными красками, поверхность стальных и чугунных отливок зачастую оказывается пораженной этим дефектом. При этом следует отметить, что удаление пригара связано с большим объемом работ (обрубка, зачистка), с применением специального оборудования, значительным расходом инструмента, с потерей металла, участвующего в образовании пригара, с ухудшением экологической обстановки, а также с возникновением травматического заболевания позвоночника у обрубщиков, связанного с применением вибрационного обрубного инструмента. Кроме того, при этом поверхность отливок повреждается, и приходится выполнять дополнительные операции по ее зачистке. На машиностроительных предприятиях существуют целые участки и цехи, специализирующиеся на удалении пригара.

С целью предотвращения образования пригара нами разработаны новые противопригарные краски, новизна которых заключается в использовании в их составе нанопорошков (НП) тугоплавких химических соединений (оксиды, карбиды, нитриды, карбонитриды и др.), в результате чего в значительной степени или полностью удалось предотвратить образование пригара на стальных и чугунных отливках. При использовании таких покрытий практически полностью предотвращается образование пригара, и, как результат, повышается чистота и улучшается качество поверхности отливок, предотвращается образование газовых раковин, практически отпадает необходимость проведения обрубных и зачистных работ, и связанного с этим оборудования. Кроме того, при этом предотвращается возникновение трещин, как в объеме, так и на поверхности отливок, особенно со сложной конфигурацией с сочетанием толстых и тонких стенок, на стыках которых из-за неравномерности кристаллизации и сочетания крупно- и мелкокристаллической структуры, создаются внутренние напряжения [16].

Установлено также, что в связи с наноразмерностью частиц НП улучшаются технологические свойства красок: а) повышается их седиментационная устойчивость в результате участия высокодисперсных частиц в броуновском движении (объяснение этому явлению дал А. Эйнштейн [9]), суть которого заключается в том, что находящиеся в жидкой среде частицы с размерами меньше 1 мкм находятся в постоянном движении, что в рассматриваемом случае предотвращает расслоение жидкого покрытия по удельному весу при длительном выстаивании (десятки часов), б) усиливается проникающая и кроющая способность краски; в) в 1,5…2,0 раза уменьшается расход красок по сравнению с известными составами, г) противопригарный эффект обеспечивается при меньшем расходе краски достаточно однослойной покраске литейных форм и стержней.

На первом этапе работы на основе стандартной заводской краски [17], содержащей этилсиликат негидролизованный + поливинлбутираль + ацетон + этиловый спирт, и, в качестве огнеупорного компонента маршалит (пылевидный кварц состоит из угловатых зерен кварца, свыше 80% из которых имеют размер меньше 0,01 мм. = 2,61…2,65 г/см³, с целью исключения пригара была разработана краска [18], содержащая 18…22 масс. % НП карбонитрида титана Ti_xC_yN_z взамен маршалита. Ti_xC_yN_z представляет собой [19-20] нестехиометрическое тугоплавкое соединение твердый раствор нитрида титана TiN (Т_пл = 2950⁰С) и карбида титана TiC (Т_пл = 3527⁰С), объединяющее в себе все характеристики и преимущества TiN и TiC. При окраске форм, изготовленных СО₂-процессом, краской, содержащей 14…18% НП SiC, было предотвращено образование пригара на лопастях судовых четырехлопастных гребных винтов (масса 98 кг, диаметр по периферии лопастей 470 мм, высота ступицы - 150 мм), отливаемых на судоремзаводе из стали 25Л при площади окраски полости формы, оформляющей одну лопасть с обеих сторон - 0,045 м² и суммарной окрашиваемой поверхности - 0,18 м². При литье винтов в формы, окрашенные стандартной заводской краской того же состава, но не содержащей НП SiC, толщина корки пригара на обеих сторонах лопастей составляла 12…15 мм. На рис. 2 приведена фотография винта, одна из лопастей которого (ближняя к левому краю фотографии ) не имеет пригара, по той причине, что поверхность литейной формы, где она оформлялась, была окрашена краской, содержащей НП SiC.

Основной эффект от применения НП в красках является следствием значительной разницы размера наночастиц химических соединений ( 100 нм) и песка формовочного (зерна кварца размером от 0,14 до 0,28 мм) [21], из которого состоит литейная форма. Существенным фактором является и форма зерен формовочного песка (кварца), характеризующаяся «угловатостью», в связи с чем, при формовке между зернами кварца остаются зазоры. Размер частиц тугоплавких соединений, используемых в обычно применяемых стандартных красках, лежит в микрометровом интервале (например, зерна маршалита имеют размер до 0,01 мм), в связи с чем, они не могут перекрыть зазоры между зернами кварца литейной формы (согласно [22] свободное пространство между зернами составляет от 25,9 до 47,6 % от общего объема формы в зависимости от их взаимного расположения и от степени уплотнения формы), в которые и проникает жидкий металл, в результате чего на поверхности отливок образуется пригар.

Рис. 2. Отливка судового четырехлопастного гребного винта массой 98 кг из стали 25Л

При использовании в красках НП ввиду многократно меньших размеров их частиц по сравнению с зернами песка, частицы НП перекрывают зазоры между зернами песка, что и препятствует проникновению в них металла, а, следовательно, и образованию пригара. Кроме того, как указывалось выше, температура плавления НП значительно превышает температуру заливки чугунов и сталей, что исключает их взаимодействие, и участие в образовании пригара. Температура плавления всех используемых НП лежит в интервале 1900…3527⁰С, поэтому они не расплавляются при заливке в форму всех типов и марок чугунов (температура литья 1300…1510⁰С) [23] и сталей (температура литья 1420…1590⁰С) [24.].

Библиографический список

1. Rouvray, D. H. Is the future nano? / D. H. Rouvray // Chemistry in Britain. - 2000. - № 12. - Р. 27-32.

2. March, G. Hopeful future for a nano-Europe / G. March // Materials Today. - 2003. - № 7-8. - P. 40-45.

3. Мелихов, И. В. Физикохимия наносистем: успехи и проблем / И. В. Мелихов // Вестник РАН. - 2002. - Т. 72, № 10. - С. 900-904.

4. Роко, М. К. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / М. К. Роко ; под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. - М. : Мир, 2002. - 292 с.

5. Свидененко, Ю. Г. Прогноз развития нанотехнологий с 2003 по 2050 гг: Прогноз развития нанотехнологий в будущем, а также отрасли человеческой деятельности, которые будут при этом затронуты [Электронный ресурс]. - Режим достура : http://nanonewsnet.ru/09.08. (дата обращения 20.06.2015)

6. Морохов, И. Д. Ультрадисперсные металлические среды / И. Д. Морохов, Л. И. Трусов, С. П. Чижик. - М. : Атомиздат, 1977. - 264 с.

7. Характерные особенности ультрадисперсных сред / И. В. Тананаев [и др. ] // ДАН СССР. - 1985. - Т. 283, № 6. - С. 1364-1367.

8. Гусев, А. И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и их соединениях / А. И. Гусев // УФН. - 1998. - Т. 168, № 1. - С. 55-83.

9. Einstein, A. Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme geforderte Bewegung von in ruhenden Fluessigkeiten suspendierten Teilchen / А. Einstein // Annalen der Physik. Mai. - 1905. - B 17. - S. 549-560.

10. Chen, H. Use of operation support information technology to Increase ship safety and efficiency / H. Chen, V. Cardone, Р. Lacey // SNAME Transacfions. - 1998. - Vol. 106. - P. 105-127.

11. Георгиевская, Е. П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней / Е. П. Георгиевская. - Л. : Судостроение, 1978. - 208 с.

12. Шестоперов, В. Ю. Кавитационное разрушение материалов и критерии оценки их эрозионной стойкости. / В. Ю. Шестоперов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - 2013. - № 5. - С. 79-83.

13. Получение отливок без пригара в песчаных формах / С. П. Дорошенко [и др.]. - М. : Машиностроение, 1978. - 206 с.

14. Берг, П. П. Формовочные материалы. - М. : Машгиз, 1963. - 237 с

15. Куманин, И. Б. Вопросы теории литейных процессов / И. Б. Куманин. - М. : Машиностроение, 1976. - 216 с.

16. Knipp, E. Fehlerersheinungen an Gusstuchen / E. Knipp // Dusseldorf : Verlag GmbH, 1961. - 273 s.

17. А. с. 316521 СССР Противопригарная краска / В. С. Андрианов, Н. В. Валисовский, Н. Н. Кузьмин [и др.] - № 1281398 ; завл. 06.11. 68 ; опубл. 01.01.71.

18. А. с. 980922 СССР Противопригарная краска для литейных форм и стержней / Г. Г. Крушенко, М. Ф. Жуков, П. А. Михалев [и др.] - № 3288960 ; заявл. 13.05.81 ; опубл. 15.12.82.

19. Titanium carbonitride films on cemented carbide cutting tool prepared by pulsed high energy density plasma / Feng Wenran, Liu Chizi [and other] // Applied Surface Science, 2007.- V. 253. - P. 4923-4927.

20. Microstructural study of titanium carbonitride produced by combustion synthesis / D. Carole, N. Freґty, S. Paris [et al.] // Ceramics International. - 2007. - Vol. 33. - P. 1525-1534.

21. Гуляев, Б. Б. Формовочные процессы / Б. Б. Гуляев, О. А. Корнюшкин, А. В. Кузин // Л. : Машиностроение, 1987. - 264 с.

22. Teoreticke zaklady slevarenske technologie vydбnн, upravenй vyd / А. Vetiska, J. Bradic, I. Macashek [et al.]- Praha: NTL, 1976. - 320 s.

23. Справочник по чугунному литью / под ред. Н. Г. Гиршовича. - Л. : Машиностроение, 1978. - 758 с.

24. Грузин, В. Г. Температурный режим литья сталей / В. Г. Грузин. - М. : Металлургиздат, 1962. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru