О.В. Соценко, д.т.н., профессор,
И.Ю. Посыпайко, аспирант,
А.В. Белич, аспирант (Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, Украина)

Проведено компьютерное моделирование процессов литья износостойких деталей для промышленных смесителей. Показана эффективность влияния толщины металлического холодильника в комбинированной литейной форме на качество отливок.

Проблема повышения стойкости против абразивного износа деталей одного из наиболее распространенных видов энергоемкого оборудования – промышленных смесителей для подготовки и переработки материалов и сырья в горно-рудной, металлургической, строительной и других отраслях промышленности была и остается в числе актуальных. Это обусловлено непрерывной интенсификацией производства исходных материалов и смесей, ужесточением условий эксплуатации оборудования, ростом его единичной мощности.

Эта проблема предусматривает решение комплекса задач, в числе которых: разработка новых износостойких материалов и способов их получения; освоение технологий изготовления изнашиваемых деталей из этих материалов; поиск эффективных методов защиты поверхности изделий от износа путем нанесения на них защитных покрытий и слоев (биметалл) методом наплавки, установки на них износостойких накладок, насадок и др.

Исходя из особенностей преобладающего вида износа – ударно-абразивный или «чисто» абразивный износ, исследования проводятся в основном по двум направлениям. Если в условиях ударно-абразивного износа достаточно эффективно применение различных модификаций высокомарганцовистых сталей – аналогов 110Г13Л, то для условий безударного абразивного износа диапазон износостойких сплавов более широк и выбор их для конкретных условий менее однозначный.

Решение проблемы должно также предусматривать баланс между удешевлением материала, используемого для изготовления инструмента, и стремлением к повышению его эксплуатационных характеристик. Существуют различные методы повышения стойкости деталей машин, работающих в условиях абразивного износа. Одним из наиболее распространенных методов является наплавка рабочих поверхностей деталей электродами.

Наплавка – достаточно универсальный и экономичный способ восстановления деталей машин и механизмов, придания им необходимой износостойкости. Вместе с тем, использование электродов имеет и свои недостатки: значительно выше стоимость изготовления, чем, например, при использовании сварочной проволоки, большие потери при наплавке, вынужденные перерывы в работе для замены электродов.

Кроме традиционных методов наплавки деталей электродами нашли применение способы плазменной наплавки и технология изготовления стальных отливок с поверхностно-легированным износостойким слоем (ПЛС). Метод плазменной наплавки-напыления с применением порошкового композиционного материала, обладающего особо высокой абразивной износостойкостью, состоит в нанесении абразивостойкого покрытия из порошкового материала на изнашиваемую поверхность деталей с использованием ручного или механизированного плазмотрона. Покрытие предназначено для нанесения на детали из углеродистых и легированных сталей, а также чугуна [1].

Другим направлением в обеспечении абразивной и ударно-абразивной износостойкости является литье деталей, а также накладок и насадок к ним из легированных сплавов и отбеленного чугуна. В последние годы в этом направлении проведены многочисленные исследования по износостойким, преимущественно хромистым и марганцовистым чугунам [2 - 9].

Высокохромистые чугуны с добавкой легирующих элементов успешно применяются для изготовления деталей или их армирующих элементов, накладок на лопасти смесителей, элементов конструкции багерных насосов и др., что обеспечивает их высокую износостойкость и долговечность. Такие сплавы могут одновременно иметь повышенную прочность, пластичность и износостойкость; характеризуются высокой степенью однородности структуры; хорошо сваривается со сталью обычными электродами [7]. Комплексное легирование низкоуглеродистых белых хромистых чугунов карбидообразующими элементами существенно повышает их твердость и износостойкость [8].

В порядке поиска рационального сплава для накладных плит и насадок для лопастей промышленных смесителей были исследованы образцы специального магниевого чугуна, отлитые в кокиль. Образцы с содержанием 3,70% Ni имели цементито-бейнитную структуру в зоне плиты-холодильника, а с удалением от этой зоны вглубь отливки преобладал верхний бейнит. В образцах с содержанием 4,80% Ni и содержанием 0,20% Mo в соответствующих зонах структура была преимущественно цементито-бейнитная с преобладанием нижнего бейнита и мартенсита [9]. Твердость чугуна на расстоянии 5 мм от рабочей поверхности плиты-холодильника составляла 58-59 HRC. Характер микроструктуры опытных образцов и твердость их рабочего слоя вполне соответствуют уровню таких же характеристик износостойких высокохромистых чугунов.

Приведенный краткий обзор литературных источников по рассматриваемой проблеме показывает, что возможности выбора сплава для литья износостойких накладок и насадок для промышленных смесителей достаточно велики. Однако при разработке технологии литья подобных деталей прогнозировать, как проявит себя тот или иной сплав в конкретной отливке с позиций присущих ему литейных свойств – жидкотекучести, объемной усадки, характера локализации и распределения усадочных дефектов в разных частях отливки, представляется достаточно проблематичным. Тем более эта задача практически не имеет общего решения вследствие многообразия конструкционных решений и массогабаритных характеристик промышленных смесителей разных производителей этого оборудования.

Постановка задачи. В работе предпринята попытка путем компьютерного моделирования технологического процесса литья износостойких насадок определить его основные параметры для последующей реализации в производственных условиях.
Основные результаты исследования. В качестве промышленного объекта анализа был выбран бетоносмесительный комплекс КР-0110 производства ООО Завод «Строммаш» (Украина, г. Чебоксары). Комплекс предназначен для приготовления преимущественно бетонных смесей. Его основные характеристики: объем по загрузке 650 л; производительность 10 м3/час; частота вращения смесительного вала 35,5 об/мин.

Лопасть такого смесителя изготавливается из листового проката и состоит из двух наложенных одна на другую пластин из стали 30ХГСА толщиной 10 мм каждая. На лопасть наплавляется износостойкий сплав – термонит. Опыт эксплуатации показал, что при наплавке на лопасти износостойкого сплава происходит их коробление, и возникают отклонения от геометрических размеров. Это приводит к усложнению процесса монтажа лопастей на смеситель, так как установка их осуществляется, как правило, в аварийных ситуациях и при отсутствии запасных частей. Наблюдения показали, что эксплуатационная стойкость наплавленных лопастей в период интенсивной работы оборудования не превышает 2-3 недель. Износ лопастей в разных участках составляет 3-8 мм.
Анализ особенностей конструкции и условий работы комплекса показал, что в качестве альтернативы наплавке лопастей смесителя электродами может быть реализован вариант их защиты от абразивного износа литыми износостойкими насадками (рис. 1, а, в). Конструкция насадки позволяет закреплять их на лопасть смесителя потайным болтовым креплением только на нижней и верхней насадках. Это упрощает операции монтажа насадок на лопасти и демонтажа их по достижении предельно допустимой величины износа.

Схема фрагмента комбинированной литейной формы для литья насадок показана на рис. 1, б. Применение в верхней полуформе чугунного холодильника в виде плиты (рис. 1, б, г) обеспечивает ускоренное затвердевание чугуна отливки с образованием износостойкого отбеленного рабочего слоя. Боковые монтажные элементы отливки затвердевают в сухой песчаной форме и должны иметь достаточно плотную структуру и необходимую прочность. Исходя из указанных условий и требований к материалу, в работе рассматривались такие аспекты:

• характер и скорость потока металла при заполнении полости литейной формы;
• особенности процесса затвердевания отливки в разных участках формы;
• характер локализации зон образования усадочных дефектов в зависимости от толщины плиты-холодильника.

Особенностью конструкции 3D – модели отливки (рис. 1, в, г), созданной в программе SolidWorks, является наличие холодильника и двух тепловых узлов, что создает неблагоприятные условия для направленности затвердевания металла.



Для моделирования гидродинамических, тепловых и усадочных процессов формирования отливки была выбрана система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow, которая по сравнению со своими аналогами имеет ряд преимуществ. К ним относятся простота постановки и решения задачи, адекватность результатов моделирования и, при правильной постановке задачи, относительно высокая скорость расчета процессов заливки и затвердевания. Процессы тепломассопереноса, моделируемые в LVMFlow, описываются замкнутой динамической системой уравнений, основанных на законах сохранения энергии, импульса, массы, уравнений состояния многокомпонентных сплавов. Решение этих уравнений осуществляется на прямоугольной сетке методом конечных разностей (МКР) с автоматическим выбором шага интегрирования по времени.

Известно, что направленность кристаллизации играет важную роль при получении качественной отливки. Появление дефектов усадочного характера в теле отливки приводит к таким последствиям, как снижение прочности металла, появление в процессе эксплуатации трещин в местах нахождения таких дефектов и т. д. Как отмечено выше, для образования в отливке отбеленного рабочего слоя и предупреждения образования в нем усадочных дефектов в форме предусмотрена установка холодильника ( рис. 1, г). В качестве основного управляющего фактора исследовали влияние толщины чугунного холодильника на процессы формирования отливки и образование в ней усадочных дефектов. Для сравнения были смоделированы 4 варианта затвердевания литой детали без холодильника и с различной его толщиной: 4, 8 и 16 мм.

Для моделирования насадки в процессорном модуле программы «Полная задача» применяли такие исходные данные и установки: размер ячейки – 2,5% мм; общее количество ячеек – 994280; минимальная толщина формы – 30 мм; материал холодильника – серый чугун, материал отливки – специальный чугун; заданная температура заливки – 14000С; материал формы и стержня – песок; начальная температура – 20 0С.

Во время заливки металл достаточно равномерно распределяется в полости литейной формы (рис. 2), при этом скорости потоков металла (рис. 3) сравнительно не большие и находятся в пределах 0,13–0,65 м/с. При таком течении металла вероятность размывания стержня и стенок формы невысока.



Распределение температур сразу после заливки показано на рис. 4. Примечательно, что чем больше толщина холодильника, тем выше температура жидкого металла вблизи его поверхности. Также можно заметить, что часть отливки, к которой подводится литниковая система, затвердевает быстрее, чем та, которая находится возле выпора. При этом в тепловом узле, близком к выпору, наблюдается больше усадочных дефектов.

Анализ характера затвердевания литой детали и мест возможного появления усадочных дефектов, обозначенных программой, позволил определить проблемные места (рис. 5). Из рисунка видно, что при отсутствии холодильника в рабочем слое насадки образуется усадочная раковина. Особенно четко она проявляется со стороны выпора (рис. 5, а). Естественно, что такая деталь не пригодна для эксплуатации, т.к. высокотвердый отбеленный слой в ней отсутствует, и необходимость в установке холодильника очевидна. При использовании холодильников с толщиной стенок 8 и 16 мм усадочные дефекты распределяются по стенкам насадки, что делает их менее устойчивыми к прилагаемым нагрузкам при эксплуатации, что может привести к преждевременному выходу их из строя. Наименьший объем усадочных дефектов наблюдается при использовании холодильника с толщиной стенки 4 мм. Этот вариант технологии комбинированной литейной формы рекомендован для проведения натурных экспериментов по изготовлению опытной партии отливок износостойких насадок для лопастей бетоносмесительного комплекса КР-0110.



Выводы
Компьютерное моделирование с использованием комплекса программ SolidWorks – LVMFlow гидродинамических и тепловых процессов формирования отливок износостойких насадок для лопастей промышленных смесителей в комбинированных литейных формах позволяет эффективно прогнозировать образование в них участков с усадочными дефектами. Оперативное изменение параметров элементов модели литейной формы для достижения необходимых результатов дает возможность сократить время и материальные затраты за счет уменьшения количества натурных экспериментов в период освоения производства новых видов литых изделий.


Список литературы:
1. Стальные отливки с поверхностно-легированным износостойким слоем / Г.Г. Крушенко, Ю. А. Талдыкин, И.В. Усков //Литейное производство, 2000.– №З. – С. 21-22.
2. Управление структурой и свойствами антифрикционных чугунов / Г. И. Сильман, В.В. Камынин, М.С. Полухин // Заготовительные производства в машиностроении, 2006. – №10. – С.39-46.
3. Бобырь С.В., Большаков В.И. Марганцовистые чугуны как износостойкие конструкционные материалы // Техника машиностроения, 2006. – №2. – С. 28-31.
4. Марукевич Е.И. Износостойкие сплавы. – Москва.: Машиностроение, 2005.– 428 с.
5. Лагута В. И., Колесников В.А., Хинчагов Г. В. Повышение износостойкости высокомарганцевых чугунов за счет дополнительного легирования // Зб. наук. праць СНУ.– Луганск, 2001.– С.107.
6. Афанасьев В.К., Кузнецова Е. В., Громов Г. Е. Применение водорода для повышения износостойкости чугуна // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 2004. – № 4. – С. 66-67.
7. Влияние особенностей отливки на качество деталей из высокохромистых чугунов / Ю.А. Ем, О.П. Юшкевич, В.Т. Калинин и др. // Металл и литье Украины, 2005. – № 5. – С. 36-39.
8. Синтез комплексно-легированных белых чугунов в литом и термообработанном состояниях / Х. Ри, Э.Х. Ри, А.С. Рабзина и др. // Литейное производство, 2006. – №7.– С. 2-4.
9. Посыпайко И.Ю., Соценко О.В. Повышение износостойкости сменных деталей промышленных смесителей // Металл и литье Украины, 2011. – № 1. – С. 32-35.

http://www.ukrrosmetall.com.ua/publication/info/34