ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ И ПЕРЕПЛАВКИ ВТОРИЧНЫХ БАББИТОВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты промышенной апробоции, разработанной в лаборатории Ферганского политехнического института технологии очистки и переплавки баббитов, отработавших срок службы в подшипниках скольжения промышленного оборудования. Целью получения качественных вторичных баббитов является создание участка по регенирации старых подшипников на промышленных предприятиях Узбекистана, отказ от импорта баббитов.

ABSTRACT

The article presents the results of the industrial testing developed in the laboratory of the Fergan Polytechnic Institute of Technology of Cleaning and Melting of Babbits, which have spent the service life in sliding bearings of industrial equipment. The purpose of obtaining quality secondary babbits is to create a section for regeneration of old bearings at industrial enterprises of Uzbekistan, to refuse to import babbits.

Ключевые слова: олово, сурьма, баббиты, технология переработки, подшипники скольжения.

Keywords: tin, antimony, babbits, processing technology, sliding bearings.

Введение. Баббиты являются качественными антифрикционными материалами, которые по своим свойствам превосходят все остальные сплавы. Баббиты нашли широкое применение для заливки подшипников скольжения.

На всех крупных промышленных предприятиях республики работают большое количество компрессоров, насосов, и другие виды оборудования, в которых используются подшипники скольжения. В настоящее время участки по ремонту оборудования, в том числе, капитальному ремонту, создают на территории предприятия.

Для ремонта оборудования требуется большое количество дорогостоящего баббита, подобного марке Б83, для заливки в подшипники скольжения. Баббиты Узбекистан не производит, импортирует извне, хотя сырьевая база для создания собственного производства имеется.

Кроме того, едегодно выходят из строя сотни тысяч подшипников, в которых есть, отработавшие срок службы вкладыши из баббитов. Однако, до настящего времени не отработана промышленная технология, позволяющая использовать вкладыши из баббитов для восстановления вышедших из эксплуатации подшипников.

Целью работы является внедрение технологии очистки и переплавки баббитов из лома и отходов для регенерации подшипников скольжения промышленного оборудования.

Для достижения цели в работе решены следующие задачи:

- доработана в промышленных условиях технология переплавки баббитов из лома и отходов;

- на основе двухкомпонентной диаграммы состояния олово – сурьма изучены фазовые превращения в трех-, четырехкомпонентных диаграммах состояния;

- установлены изменения в микроструктуре баббитов в зависимости от содержания других элементов;

- доработана технология переработки вторичных баббитов для восстановления отработавших срок службы подшипников скольжения.

Материалы и методы исследования. Для анализа химического состава сплавов использовали портативный рентгенофлуоресцентный анализатор S1 TITAN – прибор позволяет проводить анализ большого количества разнообразных материалов, среди которых: различные традиционных конструкционные сплавы черных и цветных металлов, золото и драгоценные металлы, лом электронных элементов и каталитических преобразователей, почвы, горные породы, опасные материалы. Кроме того, прибор имеет интерфейс создания собственных калибровок, в нем применена передовая технология кремниевый дрейфового детектора, позволяет проводить анализ легких элементов, таких как магний, алюминий или кремний, без вакуумизации или продувки гелием (S1 TITAN^LE).

Технологические свойства изученных сплавов, а именно: жидкотекучесть и усадку определяли известными методиками [1 - 3].  Величину жидкотекучести определяли по технологической пробе «спираль», т. е. по длине спирального канала, заполненного металлом в контрольной форме. Усадку — относительное уменьшение основных линейных и объемных размеров отливки по сравнению с размерами модели, по которой она была отформована - для удобства определяли в процентах по отношению к размерам модели (установка и метод Королькова Г.А.).

Механические свойства сплавов определены по межгосударственному стандарту ГОСТ 1497-84. «Металлы. Методы испытаний на растяжение (с Изменениями N 1, 2, 3)».

Твердость сплавов определена по межгосударственному стандарту ГОСТ 9012-59 (ИСО 4 1 0 -8 2, ИСО 6506-81) «Металлы. Методы измерения твердости по Бринелю».

Плотность и пористость сплавов определяли методом гидростатического взвешивания.

Температуру, в зависимости от ее уровня, измеряли стандартными измерителями – термометрами, термопарами.

Для изучения микроструктуры использовали микроскоп металлографический ЛОМО МЕТАМ РВ-21, с увеличением до 1000 крат.

Диаграммы состояния изучали с помощью программного пакета «Thermo-calc» (Шведция).

Составы исследованных сплавов представлены в табл.1.

Таблица 1.

Химический состав исследованных сплавов, % по массе

Примечание: состав сплавов усреднен по результатам нескольких экспериментальных плавок лома и отходов на пробу

Результаты и их обсуждение. Баббит, полученный при переплавке стружки, не отвечает требованиям, предъявляемым к антифрикционным материалам. Его структура и свойства не соответствуют требованиям потребителей. В нем содержатся значительное количество вредных примесей – около 3,5% [4 - 6]. Количество же необходимых для сплава компонентов снижается при переплавке стружки. Лабораторные исследования показали, что химический состав по основным компонентам наиболее удачного переплавленного, по предлагаемой технологии образца, вторичного баббита следующий: 81,5% Sn, 9,6% Sb, 5,5% Cu. Для того чтобы довести химический состав до состава первичного баббита марки Б83 необходима дошихтовка 1,5% Sn, 2,4% Sb, и до 1,0% Cu (аналог пробы 2). Кроме того, если учесть сильную засоренность вторичного баббита другими примесями, возникает вопрос его очистки или нейтрализации наиболее вредных примесей.

В связи с этим, основываясь на достижениях ученых по теме, необходимо исследовать, как эксплуатационные свойства экспериментальных сплавов, так их структурные составляющие. По итогам полученных результатов, необходимо было предложить варианты парамтеров технологии оптимизации состава вторичных баббитов, позволяющих обеспечить качество отливок, включая вкладыши подшипников. В этих целях были изучены диаграммы состояния, составляющие основу баббитов. Структура баббитов в основном определяется диаграммой равновесия "олово-сурьма" (рис. 1).

Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов олово-сурьма.

На рис. 1 представлены известная диаграмма состояния [1, 7 - 9], а также диаграмма состояния, построенная путем расчетов с использованием программы Thermo-calc. Уточнение критических точек на диаграмме состояния – важный фактор в развитии науки металловедения баббитов. Дело в том, что известная диаграмма состояния построена в прошлом столетии, когда приборная база не могла обеспечить точность измерений [10 - 12]. Благодаря новой программе, определенные критические точки имеют другие значения, что важно в технологиях обработки баббитов, например, термической обработке, где каждый градус при нагреве или охлаждении сплавов влияет на их структуру и свойства.

Расчет фазовых равновесий для трехкомпонентной диаграммы показал область распределения фаз в сложных системах (рис. 2).

а)             б) 

Рисунок 2. Поверхность ликвидуса (2а) и изотермическое сечение при 240 ^оС (2б) диаграммы состояния Cu-Sn-Ni

На рис. 2 в качестве примера трехкомпонентной системы показана система медь-олово-никель, где медь и олово – это основные компоненты, никель – примесь. Зная геометрию ликвидуса (рис. 2а) и изометрического сечения (рис. 2б) можно определить рекомендуемый состав вторичного баббита. Задача по изучению трех- и четрех-компонентных систем на основе олова продолжается.

Микроструктура изученных баббитов состоит из фазы - α -твердого раствора сурьмы и меди в олове, β - фазы - твердого раствора на основе химического соединения SnSb. В качестве структурной составляющей встречаются кристаллы в виде звездочек или удлиненных игл - соединение Cu₃Sn. Структура гетерогенная, состоящая из мягкой и пластичной основы и включений более твердых частиц. При вращении вала основную нагрузку выдерживают, обеспечивающие износостойкость, частицы химического соединения.

Основная масса, истирающаяся более быстро – твердый раствор прирабатывается к валу и образует сеть микроскопических каналов, по которым циркулирует смазочный материал и уносит продукты износа. [5 - 9].

Изучение эксплуатационных свойств баббитов позволило установить следующие параметры (табл. 2).

Таблица 2.

Основные параметры баббитов, полученных из лома и отходов

В целом свойства вторичного баббита отвечает требованиям потребителей с позиций использования их для восстановления подшипников скольжения. Результаты получены на базе ОАО «Ферганаазот», где были проведены множество поисковых плавок с различными вариантами дошихтовки шихты. Наилучшие показатели эксплуатационных свойств получены при добавлении во вторичный баббит из расчета на 1 кг баббита 15 г меди в порошке, 30 г сурьмы и 75 г олова. Типичная структура баббитов, полученных в условиях промышленного производства, показана на рис. 3.

Рисунок 3. Типичная микроструктура вторичных баббитов, полученных в промышленных условиях, СМ

Качество полученных баббитов с новой структурой и химическим составом проверялось в производственных условиях заливкой во вкладыши подшипников скольжения, поступивших на ремонт. Анализ химического состава баббитов проводился в химической лаборатории РМЦ.  

Наилучших результатов были достигнуты при литье баббитов с химическим составом, указанным в п. 2 табл. 3.

Таблица 3.

Результаты проведенных опытов по заливке вкладышей подшипников скольжения баббитами с различным химическим составом

Плавка баббитов проводили по следующей схеме:

• в графитовый тигель поместили 30 г порошкообразной сурьмы. Сурьма, для защиты от воздействия воздуха, сверху была засыпана плотным слоем древесного угля. Процесс проводили в электропечи сопротивления с температурой нагрева 655 °С;
• во втором тигеле, также под слоем древесного угля, производили плавку исходной основы баббита весом 1 кг.  Температура нагрева для плавки баббита принята 460°С;
•  после расплавления сурьмы в тигель засыпали 15 г порошка чистой меди и тщательно перемешивали с добавлением 5 г хлористого аммония. При этом древесный уголь не удаляли;

. содержание второго тигля добавили в первый (с основой баббита). При этом добавляли 20 г хлористого аммония и производили перемешивание смеси.

В завершение схемы удаляли с поверхности жидкого баббита древесный уголь и шлаки, проводили тщательное перемешивание баббита с добавлением еще 20 г хлористого аммония. После удаления шлаков производили заливку баббитов, качество которых соответствует требованиям потребителей.

Выводы. Полученные результаты исследований будут использованы на производственных предприятиях Республики Узбекистан для создания современных технологий переработки баббитов и разработки новых технологических процессов восстановления подшипников скольжения.  

Список литературы:

1. Ткаченко А. В. Литейные сплавы: практикум для выполнения лабораторных работ по литейному производству. Гомель. «ГПТУ им. П.О. Сухого», 2017. – 134 с.
2. Титов Н. Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. М. «Машиностроение», 1974. – 234 с.
3. Козлов Л. Я. Словарь по литейному производству / Л. Я. Козлов, С. А. Никулин, Е. Г. Пилецкая. - М.: МИСИС, 2000. - 240 с.
4. Арзамосов Б.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов М. «Машиностро­ение» 2007г. – 447 с.
5. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов. М.: «Высшая школа» 2007г. - 861 с.
6. A.Kh.  Valeeva, I.Sh.  Valeev, R.F.  Fazlyakhmetov, N.P.  Barykin, A.V.  Reva Journal of Friction and Wear. 33 (2012) 34-38. [Валеева А. Х., Валеев И. Ш., Фазлыахметов Р. Ф., Н.П.Барыкин, А.В. Рева. Трение и износ 33 (2012) 46-51.]
7. A.Kh.  Valeeva, I.Sh.  Valeev, R.F.  Fazlyakhmetov, and A.I.  Pshenichnyuk. The Physics of Metals and Metallography. 116 (2015) 509–511. [Валеева А. Х., Валеев И. Ш., Фазлыахметов Р. Ф., Пшеничнюк А. И. ФММ. 116 (2015) 538-540.]
8. A.Kh. Valeeva and I.Sh. Valeev. Russian Physics Journal. 58 (6) 2015. 869-872. [А. Х.Валеева, И. Ш. Валеев. Известия ВУЗов. Физика. 6 2015. 121-124.]
9. A.Kh.  Valeeva, I.Sh.  Valeev. Physics and chemistry of materials treatment. 6 (2015) 24-29 (in Russian) [А.Х.Валеева, И.Ш.Валеев. ФХОМ 6 (2015) 24-29.]
10. A.Kh. Valeeva, I. Sh. Valeev, R.F. Fazlyakhmetov. Letters on Materials 4 (2014) 134-136 (in Russian) [А.Х.Валеева, И.Ш.Валеев, Р.Ф. Фазлыахметов. Письма о материалах 4 (2014) 134-136.]
11. Fedot’yev N.P., Bibikov N.N., Vyacheslavov P.M., Grilikhes S.Ya. Electrolytical alloys. М. Mashgiz (1962) 312.(in Russian) [Федотьев Н.П., Бибиков Н.Н., Вячеславов П.М., Грилихес С.Я. Электролитические сплавы. М.: Машгиз (1962) 312.]
12. Sinn-wen Chen, An-ren Zi, Wojciech Gierlotka, Chingfeng Yang, Chao-hong Wang Shih-kang Lin, Chia-ming Hsu. Mat. Chem. and Phys. 132 (2012) 703-715.
13. Гаппаров К.Г., Мансуров Ю.Н. Технологическая деформируемость баббитов В книге: Химическая технология. Материалы региональной Центрально-азиатской международной конференции по химической технологии. 2012. - С. 402 - 405.
14. Мансуров Ю.Н., Гаппаров К.Г. Структура и свойства баббита Б83 после штамповки в процессе кристаллизации. В книге: Химическая технология. Материалы региональной Центрально-азиатской международной конференции по химической технологии. 2012. - С. 412-415.
15. Гаппаров К.Г., Эркабоев Х.Ж., Мансуров Ю.Н., Аксёнов А.А. Структурный анализ вторичных баббитов. // Металлург. 2021. № 5. - С. 60 - 64.