INCREASE OF THE PURITY OF METAL PRODUCTS SURFACES WITH APPLICATION OF NANOTECHNOLOGIES

Full Text

Введение. На эксплуатационные характеристики металлоизделий большое влияние оказывает шероховатость поверхности, в том числе и в случае их эксплуатации в жидких средах, что имеет место и при работе жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) [1]. Однако ввиду сложности организации экспериментов на ЖРД были обработаны результаты исследований, полученные на судовых винтах, которые эксплуатируются в жидкой среде (вода) и могут быть использованы при проектировании техпроцесса изготовления литых деталей ЖРД, таких как рабочие колеса турбонасосного агрегата (ТНА). Эти детали получают литьем по выплавляемым моделям в формы, состоящие из мелкозернистого сухого кварцевого песка, смешанного с фенольно-формальдегидной смолой (пульвербакелитом) [2]. Сходные по геометрии и функциям с рабочими колесами ТНА в судостроении в качестве движителей широко применяются гребные винты (ГВ) [3], которые изготавливают из специальных бронз и латуней, углеродистых и нержавеющих сталей (ГОСТ 8054-81 «Винты гребные металлические») литьем в песчано-глинистые формы (по составу практически аналогичны формам при литье по выплавляемым моделям, применяемым при литье рабочих колес ТНА ЖРД) либо в виде цельнолитой конструкции (ГВ относительно малых размеров), либо в виде отдельных лопастей с последующим их прикреплением к ступице при изготовлении крупногабаритных ГВ [4; 5]. Функция ГВ заключается в преобразовании вращения вала судового двигателя в упор - силу, толкающую судно вперед. Диаметры крупнейших винтов достигли 10 м, масса - 70 т. При этом основная нагрузка ложится на лопасти, в связи с чем проблемами являются их получение с требуемой геометрией и чистотой (шероховатостью) поверхности - параметрами, которые оказывают существенное влияние как на эксплуатационные характеристики ГВ [6; 7], так и на ходовые характеристики судна [8; 9]. Известно также, что чистота поверхности ГВ оказывает существенное влияние на возникновение кавитационной эрозии поверхности ГВ [10; 11], развитие которой может привести не только к ухудшению ходовых характеристик судов, но и к разрушению лопастей [12; 13]. Пригар отливок. Следует отметить, что при литье в песчано-глинистые формы поверхность стальных отливок практически во всех случаях поражается дефектом, именуемым пригаром, который представляет собой грубую, прочно сцепленную с телом отливки корку, образующуюся в результате проникновения жидкого металла в поры между зернами песка формы и стержня, а также и в результате химического с ними взаимодействия [14]. И для приведения качества поверхности отливки в соответствие с требованиями технической документации применяются различные, достаточно трудоемкие, способы ее очистки. С целью уменьшения пригара рабочие поверхности литейных форм и стержней (последние оформляют внутренние полости отливки) покрывают огнеупорными красками [15], представляющими собой суспензии, которые состоят из порошкового наполнителя (например, графит, пылевидный кварц/маршалит SiO2, двуокись титана TiO2, оксид алюминия Al2O3 и др.) и связующего/растворителя (например, вода, гидролизный спирт, жидкое стекло и др.) [16]. Однако применение принятых в настоящее время красок не предупреждает образование на отливках пригара из-за крупности частиц наполнителей. Нанопокрытия литейной формы. В связи с этим нами были разработаны и испытаны в производственных условиях новые противопригарные краски [17-19], новизна которых заключается в том, что они содержат нанопорошки (НП) тугоплавких химических соединений. При использовании таких покрытий практически полностью предотвращается образование пригара и, как результат, повышается чистота и улучшается качество поверхности отливок, в связи с чем отпадает необходимость проведения обрубных и зачистных работ и применения связанного с этим оборудования, включая, например, установку для электрогидравлической выбивки стержней, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда и экологическое состояние. Очевидно, основной эффект от применения НП в красках происходит в связи со значительной разницей размеров наночастиц, величина которых не превышает 100 нм (1 нм = 10-9м [20]), и частиц формовочного песка (зерна кварца имеют размеры от 0,14 до ³ 0,28 мм [21]), из которого состоит литейная форма. Существенным фактором является и форма зерен 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. При этом все применяемые в работе НП - Al2O3, BN, В4С, SiC, Si3N4, TiC, TixCyNz, TiN, TiO2, VCN - независимо от их структуры показали близкий и высокий противопригарный эффект. По-видимому, их противопригарный эффект определяется только размерами частиц. Примерный расход любого из приведенных НП составлял около 25 г на 1 м2 окрашиваемой площади поверхности литейной формы/стержня. С целью определения функции НП в красках с поверхности литейной формы снимали поверхностный слой, погружали его в соляную кислоту и полученный осадок отфильтровывали и изучали с помощью бинокулярного микроскопа. При этом было установлено, что осадок имел вид отдельных губчатых корочек, состоящих из спекшихся песчинок, что характерно для химического пригара. Это свидетельствует о том, что присутствующие в краске частицы НП предотвращают проникновение жидкого металла в поры формовочной смеси. Установлено также, что в связи с наноразмерностью частиц НП улучшаются и технологические свойства красок: а) повышается их седиментационная устойчивость в результате участия высокодисперсных частиц в броуновском движении, открытие которого принадлежит R. Brown [23], а объяснение - А. Эйнштейну [24], 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; 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 достигается при однослойной покраске. При разработке состава красок, как любой дисперсной системы, постоянство свойств композиции во времени, выражаемое седиментационной устойчивостью, определяли согласно ГОСТ 10772-78 «Покрытия литейные противопригарные водные» по высоте выделившейся из краски жидкости при отстаивании в калориметрическом цилиндре емкостью 250 мл при выдержке 3, 7 и 24 ч. В результате изучения этой характеристики для красок с НП их расслоение не происходило и при выстаивании в течение 24 ч. 45. При применении на красноярском заводе «Сибтяжмаш» стандартных красок при литье стальных деталей - самовысыхающее противопригарное покрытие, содержащее 60,7 % электрокорунда белого (синтезированный синтетический корунд (98-99 % Al2O3)) и поливинилбутирального лака (остальное), поверхности отливок на достаточно большую глубину поражались пригаром (табл. 1). В результате введения в эту краску (за счет соответствующего уменьшения жидкой составляющей) 1,3 % НП Al2O3 и окраски ими песчаных стержней, изготовленных по СО2-процессу, образование пригара на отливках было полностью предотвращено. При окраске покрытием с НП Al2О3 поверхности песчаного стержня (площадь окраски - 0,052 м2) при литье на Красноярском судоремонтном заводе детали судового двигателя «Дебаланс» (габариты 127×408×420 мм, масса 88,6 кг), отливаемой из стали 25Л, также было предотвращено образование пригара. Полученные результаты послужили основой для применения нанопокрытий при литье деталей, к качеству поверхности которых предъявляются высокие требования. Литье стального гребного винта. Объектом исследования послужил цельнолитой четырехлопастный ГВ, относящийся к классу водометных движителей пассажирского судна внутреннего плавания типа «Заря», отливаемый на Красноярском судоремонтном заводе из стали 25Л. Водометный движитель представляет собой систему каналов или один канал, расположенных внутри корпуса судна, по которым перемещается забортная вода с помощью осевого насоса (гребной винт в трубе). К характерным особенностям водометных движителей относится хорошая защищенность ГВ при встрече судна с различными предметами в воде. КПД водометного движителя на быстроходных судах может достигать 60 % и более, тогда как у обычных гребных винтов в этих условиях он может снижаться из-за кавитации. Диаметр винта составляет 0,698 м, высота ступицы - 150 мм, масса - 98 кг, частота вращения - 1450 об/мин. Согласно ГОСТ 8054-81 «Винты гребные металлические» ГВ судов такого типа относятся к классу «обычный», для которых параметры шероховатости Ra (Rz) входящей кромки лопасти на 0,1 длины сечения от радиуса ступицы и поверхность от 0,9R до конца лопасти должны быть не больше 20 (80) мкм, а Ra (Rz) всех остальных поверхностей лопастей и ступицы не должны быть больше 80 (320) мкм. Таблица 1 Влияние состава противопригарного покрытия на пригар стальных отливок Наименование отливки и марка стали Масса отливки, т Окраска стандартной краской Окраска стандартной краской с добавкой НП Al2O3 Окрашенная рабочая поверхность стержней, м2 Площадь отливки, пораженная пригаром, м2/% от окрашенной площади стержней Площадь отливки, пораженная пригаром, м2/% от окрашенной площади стержней Броня, сталь 110Г13Л 3,0 3,12 1,15/37 (пригар до 9 мм) Пригар отсутствует Зубчатое колесо Æ 3,66 м, сталь 45Л3 18,42 8 × 1,94 = 15,528 До 1,5/7,79 (площади, оформляющие спицы; пригар до 3 мм) Пригар отсутствует Литейную форму собирали из четырех изготовленных по СО2-процессу (химическое твердение смеси, состоящей из песка и жидкого стекла Na2SiO3) песчаных стержней, окрашенных стандартной краской (60,7 % электрокорунда белого и остальное - поливинилбутиральный лак при площади окраски полости формы, оформляющей одну лопасть с обеих сторон, - 0,045 м2), в которых оформлялись лопасти и ступица. При этом пригар на обеих сторонах лопастей составлял 12-15 мм. В результате применения той же краски, но содержащей порядка 10 % НП SiC (соответственно было уменьшено содержание электрокорунда) было полностью предотвращено образование пригара на лопастях и ступицах. Измерение величины шероховатости показало, что величина Ra (Rz) не превышает 20 (80) мкм. На рис. 1 приведена фотография ГВ, одна из лопастей которого оказалась чистой от пригара (см. ® на рис. 1), по той причине, что поверхность стержней, в которых она оформлялась, была окрашена краской, содержащей НП SiC. Остальные лопасти оформлялись в стержнях, поверхность которых была окрашена стандартной краской. ® ® Рис. 1. Отливка судового четырехлопастного гребного винта массой 98 кг из стали 25Л; стрелка ® указывает на лопасть, оформившуюся в полости формы, окрашенной краской, содержащей НП SiC Точность геометрии лопастей. Другая часть работы была выполнена с целью обеспечения точности геометрии лопастей ГВ и их расположения в пространстве, от которой зависят ходовые качества судна (расчетная скорость судна составляет около 40 км/ч), которые оцениваются по точности одного из наиболее важных геометрических параметров - величине шага сечения лопастей Нс (рис. 2), который рассчитывали по принятой методике на сечении лопасти данного радиуса Ri между двумя крайними точками m и n, каждая из которых расположена на расстоянии не менее 100 мм от кромки лопасти. Рис. 2. Схема измерения шага сечения лопасти Нс Между этими точками в плоскости, перпендикулярной оси винта, с помощью шагомера при заданном угле a определяют разность высот h в м. С использованием полученных данных шаг сечения данного радиуса ri подсчитывается по формуле При литье ГВ в разовые песчаные формы точность параметра Нс должна обеспечиваться, в первую очередь, заданными размерами элементов формы и, следовательно, точностью используемой для их изготовления оснастки, а также точностью сборки формы перед заливкой, а также шероховатостью ее поверхности. Как было указано ранее, литейную форму собирали из четырех песчаных стержней, в полостях которых из заливаемой стали формируются лопатки. После выбивки форм и зачистки лопастей измеряли h на приведенных в табл. 2 радиусах. Измерения производились на каждой лопасти на трех ГВ, выбранных методом случайных чисел, причем с целью получения более достоверных результатов каждый из ГВ измеряли несколько разметчиков. Полученные величины Нс для одного из ГВ приведены в табл. 1, с использованием которой была построены диаграммы (рис. 3), позволяющие оценить расчетные значения Нс по сравнению с требуемыми с учетом допусков. Таблица 2 Результаты измерений шага лопасти Радиус лопасти, Ri, мм Требуемый шаг лопасти, Нс, мм Фактический шаг лопасти № 1 № 2 № 3 № 4 174 706 ± 6 705 702 705 695* 224 641 ± 5 644 638 643 639 278 611 ± 5 620* 612 608 615 330 564 ± 5 565 562 565 568 * Значения Нс, не соответствующие требованиям технической документации. Ri = 174 мм Ri = 224 мм Ri = 278 мм Ri = 330 мм 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Лопасть № 1 Лопасть № 2 Лопасть № 3 Лопасть № 4 Рис. 3. Результаты измерений и расчетов шага сечения винта, Нс При этом также было установлено отсутствие каких-либо закономерностей в изменении Нс, что свидетельствует о случайном характере отклонений. Оказалось также, что из 48 рассчитанных значений Нс для лопастей всех трех движителей только 4 (8,33 %) не соответствуют требуемым значениям, причем отклонения за поле допусков лежат в интервале от минус 6 до плюс 7 мм. Анализ полученных результатов показал, что к факторам, наиболее ответственным за отклонение расчетных значений Нс от требуемых по чертежу, можно отнести отклонения требуемых размеров и расположения лопастей в трехмерном пространстве из-за неточности изготовления стержневых ящиков, в которых формуют песчаные стержни, а также погрешности сборки формы из стержней и механической обработки лопастей, на точность которой влияет шероховатость поверхности, и, что менее вероятно, погрешности измерений при разметке. С целью предупреждения отклонений размеров рекомендуется периодически производить обмер полости стержневого ящика и, в случае необходимости, производить доводку его размеров до требуемых. Кроме того, следует разработать специальные шаблоны с целью обеспечения точности сборки стержней в форму. По результатам измерений была доработана оснастка и организована более тщательная сборка формы, что позволило получать винты с требуемыми размерами лопастей. Заключение. В результате применения нанопротивопригарного покрытия песчаных стержней, оформляющих в литейной форме лопасти гребного винта, и доработки оснастки были соответственно повышены чистота поверхности и точность лопастей.

About the authors

G. G. Krushenko

Institute of Computational Modeling SB RAS

Email: genry@icm.krasn.ru
50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

References

Supplementary files