PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2009), str. 15-20 15

M. Perović

METALURŠKA KARAKTERIZACIJA ZAŠTITNOG SLOJA OTPORNOG NA EKSTREMNO ABRAZIVNO HABANJE KARBONSKIM MATERIJALIMA

METALLURGICAL CHARACTERISATION OF PROTECTION LAYER RESISTANT TO EXTREME ABRASIVE WEAR BY CARBON MATERIALS

Stručni rad / Professional paper

UDK / UDC: 669.275.8.018 621.791.92:669.275

Rad primljen / Paper received: Februar 2008.

Adresa autora / Author's address: M. Perović, AD Kombinat aluminijuma, Podgorica, Dajbabe bb, Crna Gora. E-mail: per@t-com.me

Ključne reči: Abrazivno habanje, volfram karbidi, gasno navarivanje, topla metalizacija.

Keywords: Wear resistance, wolfram carbides, gas welding, hot metallization.

Izvod U radu se analiziraju metalurške osobine zaštitnog sloja na kontaktnim površinama tribomehaničkog sistema miksera anodne mase. Ispitivanjima je obuhvaćen samo jedan iz serije novoproizvedenih elemenata, a problem se sagledava iz ugla smanjenja uticaja kombinovanog zamornog i ekstremno abrazivnog habanja koje izazivaju čestice karbonskih materijala na broj i dužinu trajanja otkaza, odnosno produžetka vijeka trajanja opreme budućom primjenom različitih postupaka reparature. Kroz ogledni primjer uvođenja tzv. neposrednog eksperimenta izvršiće se direktan uvid u kvalitet pojedinih vrsta prevlaka na kontaktnim elementima ugroženim ovom vrstom habanja.

Abstract In this work the metallurgical properties of protection layer on contact surfaces of friction-mechanical-system mixer of anodal mass were analyzed. The testing covered only one element from the line of new produced elements. The problem is observed from viewpoint of reduction of effects of wear and extreme abrasive attrition, caused by carbon particles, on number and delays duration, in order to lengthen working time of equipment by application of various reparation processes. By experimental example and introduction of so-called direct experiment it will succeed to have direct insight into quality of particular sorts of coating and protective layers on contact parts, jeopardized by this kind of abrasion.

UVOD

Proces proizvodnje anodne mase koju čine kalcinisani petrol koks, pečeni anodni ostatak i smola, veoma je složen. Tehnološka oprema je raznovrsna i u toku rada izložena mnogobrojnim uticajima različitog porijekla. Od njihovog intenziteta i prirode zavisi stepen očuvanja radnih parametara tokom pojedinih faza i proizvodnih ciklusa.

Radne uslove karakteriše složeno naponsko stanje, visoki specifični pritisci, povećana temperatura i zamorno-abrazivno habanje u zonama tribo sistema i njihovih struktura izloženih kontaktu sa karbonskim materijalima. Ilustrativan je primjer miksera za proizvodnju anodne mase u kome se na direktan način uočava dejstvo složenih eksploatacionih uslova na pouzdanost sistema u cjelini.

U ovom radu objekat istraživanja je tehnički sistem za miješanje anodne mase, koga čine pogonski agregat, transmisioni elementi i mješalica. Mješalica anodne mase izvedena je kao masivna konstrukcija čiju

strukturu čine liveno kučište i rotor miksera. Izgled unutrašnjosti mješalice prikazan je na slici 1.

Kućište miksera je livene izvedbe i sa unutrašnje strane obloženo antihabajućim pločama (segmentima). Izgled jednog segmenta neposredno prije ugradnje dat je na slici 2.

Na plaštu kućišta miksera nalaze se elementi za miješanje anodne mase u obliku zuba, prikazano na slici 3.

Rotor miksera je u obliku osovine dužine 8000 mm i prečnika 220 mm, na kojoj su postavljeni zupčasti segmenti i zavojnica – uvodnici mase za miješanje. Na slici 4 je izgled zavojnice, a na slici 5 crtež jednog zupčastog segmenta rotora miksera.

Brzina okretanja rotora je 36 min-1, a kapacitet miješanja suve mase 14 t/h. Suva masa je 75% kalcinisanog petrol koksa i 25% pečenog anodnog ostatka koji je neiskorišćeni dio anodnog bloka poslije elektrolize glinice u elektrolitičkim ćelijama.

PRAKSA

PRACTICE

16 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2009), str. 15-20

Neposredno prije miješanja, smjesi se dozira od 10% do 15% smole [1]. REZULTATI ISPITIVANJA

Identifikacija i analiza oštećenja

Termin planom preventivnog održavanja predviđeno je otvaranje miksera poslije svakih proizvedenih 5000

tona mase. Vizuelnim pregledom jasno se uočavaju tragovi habanja na svim kontaktnim površinama dodira sa karbonskim materijalima. Tako se, na primjer, po tijelu zavojnice rotora primjećuju tragovi prikazani na slici 6, dok su tragovi habanja zuba segmenata prikazani na slici 7.

Slika 1: Izgled unutrašnjosti mješalice u vrijeme periodičnog pregleda

Slika 2: Segment plašta kućišta prije montaže

Slika 3: Izgled zuba plašta miksera

PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2009), str. 15-20 17

Slika 4: Izgled zavojnice rotora miksera

Slika 5: Radionički crtež zupčastog segmenta rotora

Čest je slučaj da se, osim ekstremnog habanja, javi i lom zuba plašta u kućištu miksera na mjestu veze za antihabajuće ploče, što je prikazano na slici 8.

U zavisnosti od pozicije elemenata za miješanje u odnosu na ulaz sirovine za proizvodnju anodne mase, razlikuju se pojavni oblici kombinovanog zamorno-abrazionog habanja. U početnom stadijumu, posmatrano u pravcu toka materijala, identifikuju se neravnomjerne zone "trljanja" po kojima se kasnije javljaju radijalne brazde dubine do 6 mm, naročito izražene po boku zuba. Na originalnim zubima, pored ove promjene, nije rijedak slučaj odvajanja kontaktnog materijala na mjestima promjene geometrije zuba, slika 9.

Ovo znači da je kombinovano zamorno i dominantno abrazivno habanje nastalo kao posljedica ciklično-promjenjivog naponskog i deformacionog stanja u fazi

obrtno-translatornog miješanja i potiskivanja izmiješane anodne mase i relativnog kretanja karbonskog materijala-nosioca abraziva po kontaktnim površinama rotora. Bez obzira što se proces odvija bez prisustva udarnih opterećenja, odvajanje čestica prevlake iz zone trenja, rezultat je tangencijalne komponente napona čije amplitude ne prelaze granicu elastičnosti s jedne, odnosno smanjene deformacione sposobnosti veoma tvrdih prevlaka, s druge strane.

Analiza hemijskog sastava

Hemijska analiza uzoraka osnovnog materijala i materijala prevlake originalnog zuba proizvođača urađena je na atomskom apsorpcionom spektrometru 1100B Perkin-Elmer i Leco CS 244. Dobijene vrijednosti sadržaja elemenata u ispitivanim uzorcima date su u tabeli 1, [3].

Tabela 1: Hemijski sastav uzoraka, %

Uzorak C Si Mn S Cu Cr Ni Mo W Al

Osnovni materijal 0.21 0.25 0.48 0.001 0.07 1.47 1.36 0.34 0.00 0.011

Materijal prevlake 2.72 0.02 0.00 0.001 12.92 0.00 2.15 0.00 82.18 0.010

PRAKSA

PRACTICE

18 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2009), str. 15-20

Na osnovu hemijske analize može se zaključiti da je osnovni materijal niskolegirani čelik (legiran hromom, niklom i molibdenom). Materijal prevlake se sastoji od volframa, bakra, ugljenika i nikla.

Metalografska ispitivanja

Metalografska analiza izvršena je na uzorku koji je isječen po presjeku zuba, slika 10.

Poslije standardne metalografske pripreme uzorak je najprije nagrižen u 2%-om nitalu, kako bi se otkrila mikrostruktura osnovnog materijala. Potom je uzorak ponovo pripremljen i nagrižen u Murakavi reagensu, koji je otkrio mikrostrukturu materijala prevlake.

Mikrostruktura osnovnog materijala sastoji se od beinita, slika 11a. Na slici 11 b i 12 a prikazana je linija

spajanja dva materijala. Neposerdno uz liniju spajanja nalazi se prelazna zona, sa beinitno-martenzitnom strukturom, slika 11c. Mikrostrukturu materijala prevlake čine karbidi volframa (tamnije nagriženi konstituent) u osnovi od bakra (svijetle oblasti), slika 12. Čestice WC su različite veličine, slike 12b-d. Veličina čestica se kreće od 0.05 do 0.25 mm.

Na slici 13 prikazana je mikrostruktura materijala prevlake na mjestu na kome su čestice abrazivnog materijala anodne mase izazvale lom čestica volfram karbida.

Ovo je prvi korak ka njihovom konačnom uklanjanju iz matrice, što je čest slučaj kada je osjetna razlika u veličini kristala abraziva i materijala - nosioca otpornosti na habanje.

Slika 6: Izgled zavojnice rotora miksera

Slika 7: Tragovi habanja na zubima rotora miksera

Slika 8: Tragovi habanja zuba plašta i lom zuba plašta miksera

mjesto loma zuba plašta habanje zuba plašta

bočno habanje zuba segmenta

PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2009), str. 15-20 19

Mjerenje tvrdoće

Izmjerene su vrijednosti tvrdoće osnovnog materijala, dok tvrdoću prevlake nije moguće izmjeriti zbog opsega uređaja do 65 HRc. Mjerenja su urađena pri opterećenju od 1000 g i povećanja od 100x, a prosječno su iznosila 310 HV za osnovni materijal, odnosno 351 HV za materijal prelazne zone.

Nepostojanje zone topljenja na prelazu između osnovnog materijala zuba i materijala prevlake navodi na pretpostavku da je oslojavanje izvedeno postupkom sinterovanja. Ono se pokazalo nedovoljno efikasnim u ublažavanju habanja s obzirom da se poslije svakih 7000-8000 tona anodne mase pristupa lokalnoj reparaturi oštećenja na kontaktnim površinama zupčastih segmenata rotora i zuba plašta miksera.

Slika 9: Odvajanje kontaktnog materijala (prevlake) od osnove zuba Slika 10: Izgled ispitivanog uzorka

a) 1000x b) 140x c) 1000x Slika 11: Mikrostruktura osnovnog materijala

DISKUSIJA

Zbog nemogućnosti simuliranja uslova habanja koji bi reprezentativno odslikali mno-gobrojne uticajne faktore na mehanizam habanja, najčešće se primjenjuje metod neposrednog mjerenja pokazatelja habanja izraženih preko dubine i širine traga habanja [2]. Ovo je primjenljivo kod modelskih ispitivanja triboloških parametara kada je pogodna geometrija kontakta.

Međutim, kod abrazivnog habanja, zbog izuzetno složene konfiguracije tragova habanja, indeks otpornosti dobija se kao odnos masa novog i pohabanog zuba, a potom se komparativnom analizom utvrđuje intezitet habanja. U konkretnom slučaju, u budućem radu predviđeno je pilot oslojavanje

kontaktnih površina postupcima gasnog navarivanja, tople metalizacije i njihovom kombinacijom, da bi se tokom eksploatacije izvršila zamjena ugradbenih mjesta tako oslojenih elemenata sistema za miješanje u cilju stvaranja istih uslova habanja, u pojedinim zonama miješanja. Kao dodatni materijali koristile bi se obložene žice u čijoj se oblozi nalazi 80% čestica volfram karbida različite granulacije, tvrdoće 1350-1650 HV / 2500-3000 HV za gasno navarivanje, odnosno prašak sa sličnim karakteristikama za postupak tople metalizacije. Primjenom kombinacije ova dva postupka nanošenja zaštitnog sloja, toplom metalizacijom sa naknadnim utapanjem finih čestica volfram karbida korigovao bi se i profil zuba miksera.

PRAKSA

PRACTICE

20 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2009), str. 15-20

a) 140x b) 140x

c) 530x d) 530x

Slika 12: Mikrostruktura materijala prevlake

Slika 13: Lom čestica volfram karbida

ZAKLJUČAK

Na osnovu ispitivanja i navedenih zapažanja, moguće je zaključiti da efikasna zaštita od abrazivno zamornog habanja podrazumijeva posjedovanje veoma kompleksnih znanja i iskustva. Njihova primjena treba da omogući upotrebu dodatnih materijala kojima se postiže kompromis osobina tribo sistema - žilave osnove i tvrde prevlake , sa mogućnošću ponavljanja procesa reparature kada gubitak mase odnosno zapremine pogorša proizvodne parametre.

LITERATURA

[1] Tehnička dokumentacija, Fabrika anoda KAP-a, Titograd, 1979 [2] Perović M. Uticaj parametara navarivanja na otpornost na habanje,

Magistarski rad, Univerzitet u Novom Sadu, Srbija, 2007 [3] Izvještaj br. 020000-02/08, Institut crne metalurgije, Nikšić, Crna

Gora, 2008