PL204095B1 - Odlewany element zużywalny oraz sposób wytwarzania takiego elementu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest odlewalny element zużywalny o zwiększonej odporności na zużycie w wyniku poprawy jego odporności na ścieranie, przy równoczesnym zachowaniu zadawalającej odporności na uderzenia w obszarach wzmocnionych. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania takiego elementu.

Urządzenia do wydobywania i rozdrabniania minerałów, a w szczególności urządzenia do kruszenia i mielenia materiałów, podlegają licznym ograniczeniom w zakresie osiągów i kosztów.

Przykładowo, w dziedzinie przerobu kruszyw, cementu i minerałów można przytoczyć elementy zużywalne, takie jak wyrzutniki oraz kowadła urządzeń kruszących o wałach pionowych, młotki i łamacze młynów o wałach poziomych, stożki do kruszarek, stoły i walce do kruszarek pionowych, zbrojone płyty i podnośniki do młynów kulowych i młynów prętowych. Odnośnie kopalnianych urządzeń wydobywczych, można by wymienić między innymi pompy do piasków bitumicznych albo maszyn wiertniczych, pompy kopalniane oraz zęby czerpaków.

Dostawcy elementów zużywalnych do tych maszyn stają w obliczu rosnącego zapotrzebowania na elementy zużywalne, które spełniają równocześnie wymagania w zakresie odporności na uderzenia i odporności na ścieranie.

Powszechnie stosowane materiały spełniają zwykle jedno bądź drugie z powyższych wymagań i bardzo rzadko są odporne zarówno na uderzenia, jak i na ś cieranie. Rzeczywiś cie, materiał y plastyczne oferują lepszą odporność na uderzenia, lecz mają bardzo małą odporność na ścieranie. Z drugiej zaś strony, materiały twarde, odporne na ścieranie, mają bardzo małą odporność na gwałtowne uderzenia.

Historycznie rzecz biorąc, pierwsze rozważania dotyczące tego problemu doprowadziły do wyłącznie metalurgicznego podejścia, które polegało na zaproponowaniu stali z manganem, bardzo odpornych na uderzenia, pomimo tego osiągających pośrednie poziomy twardości rzędu 650 - 700 HV (twardości Vickersa).

Proponowano także inne rozwiązania, jak np. odlewy z chromem. Pozwalają one, po odpowiedniej obróbce termicznej, uzyskać poziomy twardości rzędu 700 - 850 HV. Wartości te uzyskuje się w przypadku stopów o zawartości wę glików do 35%.

Obecnie często stosuje się także odlewy bimetaliczne, wadą ich jest jednak ograniczone stosowanie do elementów o prostych kształtach, co drastycznie zmniejsza możliwości ich przemysłowego zastosowania.

Elementy zużywalne uważa się na ogół za materiały eksploatacyjne, co oznacza, że oprócz ograniczeń czysto technicznych, istnieją także ograniczenia finansowe, które ogranicza możliwości do rozwiązań, których średni koszt wynosi 4 USD/kg. Na ogół ocenia się, że ten poziom cenowy, który jest dwukrotnie wyższy niż w przypadku powszechnie stosowanych elementów zużywalnych, stanowi dla klientów próg dopuszczalności finansowej.

Uzyskanie elementu zużywalnego, który jest odporny na ścieranie i uderzenia, stanowiło już przedmiot studiów różnorodnych typów.

W niniejszym kontekś cie, zwrócono się naturalnie ku elementom kompozytowym na bazie ceramiki oraz, w tejże dziedzinie, ujawniono już w międzynarodowej publikacji WO 99/47264 stop na bazie żelaza i ceramiki, który jest wysoce odporny na zużycie i na uderzenia.

W mię dzynarodowej publikacji WO 98/15373 zaproponowano wstawienie do formy, przed odlewaniem, płytki z porowatej ceramiki, która podczas odlewania będzie nasączana metalem. Możliwości zastosowania tego wynalazku są jednak ograniczone do elementów o dużym przekroju poprzecznym i do stopów o dużej lejności podczas odlewania. Co więcej, rozmieszczenie tych płytek ceramicznych jest raczej uwarunkowane wymaganiami związanymi z nasączaniem odlewanym metalem, nie zaś z rzeczywistymi wymaganiami związanymi z użytkowaniem elementów.

Nie mając na uwadze tych samych celów, w międzynarodowej publikacji WO/9007013 (Merzhanov) ujawniono ognioodporny materiał porowaty, uzyskany poprzez prasowanie na zimno w próżni surowca w postaci egzotermicznej mieszaniny proszków, po którym to prasowaniu nastąpiło rozpoczęcie spalania mieszaniny. Mamy tu do czynienia z reakcją łańcuchową. Za pomocą tego sposobu uzyskuje się materiały niezwykle twarde, lecz pozbawione jakiejkolwiek odporności na uderzenia. Wynika to zasadniczo z dużej porowatości wyrobów.

Co więcej, w międzynarodowej publikacji WO/9011154 ten sam wynalazca proponuje podobny sposób, w którym, w tym przypadku, mieszaninę proszków po przereagowaniu poddaje się ciśnieniu

PL 204 095 B1 nawet do 100 MPa (1000 barów). Wynikiem tego wynalazku jest wytwarzanie warstw, które są niezwykle odporne na ścieranie, lecz nie mają dostatecznej odporności na uderzenia. W tym przypadku celem jest przede wszystkim wytworzenie powierzchni dla narzędzi ściernych, które w tym sensie są bardzo pożądane.

Ogólnie biorąc, stosowanie bardzo czystych proszków, takich jak proszki tytanu, boru, wolframu, aluminium, niklu, molibdenu, krzemu, węgla itp., daje w efekcie po reakcji elementy o dużej porowatości bliskiej 50%. A zatem, po reakcji elementy te wymagają prasowania powodującego ściśnięcie i tym samym zwię kszenie gęstości, co w zastosowaniu przemysłowym jest niezbędne.

Skomplikowane wdrażanie takiego sposobu, kontrolowanie reakcji oraz koszt surowców ograniczają jednak znacznie wprowadzanie tych technologii w przemyśle.

W niemieckim zgł oszeniu patentowym nr 1949777 (Lehmann) ujawniono sposób wytwarzania elementów odlewanych, które są wysoce odporne na zużycie. W tym sposobie proszki węglików łączy się z palnymi środkami wiążącymi i/lub proszkami metali o niskiej temperaturze topnienia. Podczas odlewania środek wiążący ustępuje miejsca odlewanemu metalowi, który wówczas otacza cząstki węglika. W tym sposobie nie zachodzi chemiczna reakcja łańcuchowa, a wszystkie cząstki o wysokiej odporności na zużycie znajdują się w formie od samego początku.

Taki sposób otaczania twardych cząstek ujawniono w licznych dokumentach, a w szczególności w dokumentach US-P-5052464 i US-P-6033791 (Smith), w których oparto się na obecności twardych cząstek przed odlewaniem, którego zadaniem jest nasączenie porów pomiędzy cząstkami ceramicznymi.

Dzięki wynalazkowi unika się problemów związanych z dotychczasowymi rozwiązaniami, wytwarzając elementy zużywalne o oryginalnej strukturze i wytwarzane oryginalnym i prostym sposobem, który tym samym jest tani.

Wynalazek ma na celu dostarczenie elementu zużywalnego odpornego zarówno na ścieranie, jak i na uderzenia, po cenie możliwej do przyjęcia pod względem finansowym, jak również sposobu jego wytwarzania. Ma on w szczególności na celu rozwiązanie problemów związanych z dotychczasowymi rozwiązaniami.

Zgodny z wynalazkiem odlewany element zużywalny, zawierający strukturę wzmocnioną za pomocą co najmniej jednego składnika wybranego spośród grupy węglików metali, azotków metali, borków, tlenków metali oraz związków międzymetalicznych, charakteryzuje się tym, że składniki są wytworzone w wyniku reakcji in situ z surowców działających jako reagenty dla tych składników, przy czym reagenty te są umieszczane najpierw w formie przed odlewaniem, w postaci wkładek albo półwyrobów ze sprasowanych proszków albo w postaci masy lejnej, przy czym reakcja in situ tych proszków jest wywoływana przez odlewanie metalu, przy czym ta reakcja in situ tworzy porowaty konglomerat, przy czym ten odlewany metal nasącza ten porowaty konglomerat, powodując w efekcie włączenie tego konglomeratu do struktury metalu użytego do odlewania, wytwarzając w ten sposób strukturę wzmocnioną na elemencie zużywalnym.

Korzystnie, porowaty konglomerat jest wytworzony in situ i jest nasączony odlewanym metalem, przy czym konglomerat ma twardość Vickersa 1300 - 3000 HV, przy czym ta struktura wzmocniona na elemencie zużywalnym ma udarność powyżej 10MPa^m.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania odlewanego elementu zużywalnego, zawierającego strukturę wzmocnioną za pomocą co najmniej jednego składnika wybranego spośród grupy węglików metali, azotków metali, borków, tlenków metali oraz związków międzymetalicznych, charakteryzuje się tym, że składniki te wytwarza się w wyniku reakcji in situ z surowców działających jako reagenty dla tych składników, przy czym reagenty te umieszcza się najpierw w formie przed odlewaniem, w postaci wkładek albo półwyrobów ze sprasowanych proszków albo w postaci masy lejnej, przy czym reakcję in situ tych proszków wywołuje się przez odlewanie metalu, przy czym reakcja in situ tworzy porowaty konglomerat, przy czym nasącza się porowaty konglomerat odlewanym metalem, z włączeniem tego konglomeratu do struktury metalu użytego do odlewania, z uzyskaniem struktury wzmocnionej na elemencie zużywalnym, przy czym tę reakcję in situ pomiędzy surowcami przeznaczonymi do utworzenia składników po reakcji wywołuje się i podtrzymuje przez ciepło roztopionego metalu.

Według jednej z postaci wynalazku, reakcja pomiędzy surowcami tworzy konglomerat o dużej porowatości, który może być równocześnie nasączany odlewanym metalem, z utrzymaniem niezmienionej struktury wzmacnianej.

Według jednej szczególnie korzystnej postaci wynalazku, reakcję pomiędzy surowcami prowadzi się pod ciśnieniem atmosferycznym i bez jakiejkolwiek określonej atmosfery ochronnej.

PL 204 095 B1

Korzystnie, stosuje się surowce należące do grupy żelazostopów, korzystnie obejmującej żelazotytan, żelazochrom, żelazoniob, żelazowolfram, żelazomolibden, żelazobor, żelazokrzem, żelazocyrkon i żelazowanad, surowce należące do grupy tlenków, korzystnie obejmującej TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2O5, CuO, MgO i NiO, surowce należące do grupy metali, korzystnie obejmującej żelazo, tytan, nikiel i aluminium, albo ich stopy oraz jako surowce stosuje się związki węgla, boru albo azotu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia masę lejną 4 rozprowadzoną na obszarach, w których odlewany element zużywalny 2 w formie 1 ma być wzmocniony; fig. 2 - wynalazek w postaci wzmacniających wkładek 3 w elemencie zużywalnym 2 przewidzianym do odlania w formie 1; fig. 3, 4 i 5 - odciski z pomiaru twardości w przypadku odlewu z chromem (fig. 3), czystej ceramiki (fig. 4) oraz stopu (fig. 5) wzmocnionego ceramiką, jak w niniejszym wynalazku; fig. 6 - cząstki TiC w stopie żelaza, powstałe w wyniku reakcji in situ FeTi z węglem w celu wytworzenia TiC w osnowie na bazie żelaza. Rozmiary cząstek TiC są rzędu kilku mikrometrów.

Wynalazek proponuje odlewane elementy, których powierzchnie zużywalne są wzmacniane poprzez włożenie do formy, przed odlewaniem, materiałów stanowiących proszki, które są zdolne do reagowania in situ i pod samym tylko wpływem ciepła odlewania.

W tym celu, reagenty w postaci prasowanych proszków stosuje się i umieszcza w formie w postaci płytek albo wkładek 3 o żądanym kształcie, bądź też alternatywnie w postaci powłoki z masy lejnej 4 pokrywającej formę 1, w miejscu, w którym element zużywalny 2 ma być wzmocniony.

Materiały, które mogą reagować in situ, wytwarzają twarde związki węglików, borków, tlenków, azotków albo związki międzymetaliczne. Związki te, raz wytworzone, łączą się z dowolnymi możliwymi węglikami, już obecnymi w stopie odlewniczym tak, aby jeszcze bardziej zwiększyć udział twardych cząstek o twardości HV>1300, które przyczyniają się do odporności na zużycie. Te ostatnie są „nasączane w temperaturze około 1500°C przez roztopiony metal i tworzą domieszkę cząstek odpornych na ścieranie, włączonych w strukturę metalu użytego do odlewania (fig. 6).

Ponadto, w przeciwieństwie do dotychczasowych sposobów, nie zachodzi konieczność stosowania czystych proszków metali w celu uzyskania tej reakcji in situ. Proponowany sposób korzystnie umożliwia stosowanie niedrogich żelazostopów albo tlenków w celu uzyskania niezwykle twardych cząstek zagnieżdżonych w osnowie utworzonej z odlewanego metalu, gdzie jest wymagane wzmocnienie odporności na zużycie.

Nie tylko wynalazek nie wymaga późniejszego zagęszczania, tzn. prasowania, obszarów o strukturze wzmocnionej, lecz wykorzystuje on tak wytworzoną porowatość w tych obszarach do umożliwienia przesiąkania roztopionego metalu w szczeliny w wysokiej temperaturze (fig. 6).

Nie wymaga to żadnej szczególnej atmosfery ochronnej i odbywa się pod ciśnieniem atmosferycznym z wykorzystaniem ciepła dostarczanego przez odlewanie, co wyraźnie pozytywnie wpływa na koszt związany z tym sposobem. W ten sposób otrzymuje się strukturę o bardzo korzystnych cechach pod względem równoczesnej odporności na uderzenia i ścieranie.

Wartości twardości osiągane dzięki cząsteczkom zagnieżdżonym w ten sposób we wzmocnionych powierzchniach wynoszą 1300 - 3000 HV. Po nasączeniu odlewanym metalem uzyskany związek ma twardość większą niż 1000 HV₂₀, zachowując równocześnie udarność większą niż 10MPa^m. Udarność mierzy się przez wgniecenie, co oznacza, że wykonuje się odcisk za pomocą diamentowego narzędzia przebijającego w kształcie ostrosłupa pod wykalibrowanym obciążeniem.

Pod działaniem obciążenia materiał wygina się i w narożach odcisku może wytworzyć pęknięcia. Pomiar długości pęknięć umożliwia obliczenie udarności (fig. 3, 4 i 5).

Surowce przeznaczone do wytwarzania składnika należą do grupy żelazostopów, korzystnie obejmującej żelazotytan, żelazochrom, żelazoniob, żelazowolfram, żelazomolibden, żelazobor, żelazokrzem, żelazocyrkon albo żelazowanad, bądź też należą do grupy tlenków, korzystnie obejmującej TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2O5, CuO, MgO i NiO, albo do grupy metali, korzystnie obejmującej żelazo, nikiel, tytan i aluminium, albo ich stopy, a także do grupy związków węgla, boru albo azotu.

Przykładowo, reakcje wykorzystywane w niniejszym wynalazku są na ogół typu:

FeTi + C TiC + Fe

TiO₂ + Al + C TiC + Al₂O3

Fe₂O3 + Al Al₂O3 + Fe

Ti + C TiC

PL 204 095 B1

Al + C + B2O3 B4C + AI2O3

M0O3 + Al + Si MoSi2 + AI2O3

Reakcje te mogą być także łączone.

Szybkość reakcji można także kontrolować poprzez domieszki różnych metali, stopów albo cząstek, które nie biorą udziału w reakcji. Domieszki te można ponadto korzystnie wykorzystać do modyfikowania udarności albo innych właściwości kompozytu wytworzonego in situ zgodnie z wymaganiami. Przedstawiają to następujące przykładowe reakcje:

Fe2O3 + 2Al + ΧΑΙ2Ο3 (1+x) AI2O3 + 2Fe

Ti + C + Ni TiC + Ni

Opis korzystnej postaci wynalazku

Pierwsza korzystna postać wynalazku polega na zagęszczaniu wybranych reaktywnych proszków poprzez zwykłe prasowanie na zimno. Odbywa się to w formie do prasowania, mającej żądany kształt wkładki 3 albo półwyrobu, ewentualnie w obecności środka wiążącego, w celu wzmocnienia odlewanego elementu zużywalnego 2. Ta wkładka albo półwyrób będzie następnie umieszczona w formie 1 do odlewania w żądanym miejscu.

W przypadku proszków dobiera się rozkład wielkości cząstek z wartością D50 pomiędzy 1 i 1000 μm, korzystnie poniżej 100 μm. Praktyka wykazała, że ta wielkość cząstek stanowi idealny kompromis pomiędzy manipulowaniem surowcami, zdolnością porowatego produktu do nasączenia oraz kontrolowaniem reakcji.

Podczas odlewania gorący metal wywołuje reakcję wkładki albo półwyrobu, która przekształca się w konglomerat z porowatą strukturą twardych cząstek. Konglomerat ten, wciąż w wysokiej temperaturze, zostaje sam nasączony i zagnieżdżony w odlewanym metalu tworzącym element zużywalny. Etap ten, w zależności od temperatury odlewania stopu wybranego do wykonania elementu zużywalnego, odbywa się w temperaturze 1400-1700°C.

Drugą korzystną postać stanowi zastosowanie masy lejnej (pasty) 4, zawierającej różnorodne reagenty tak, aby pokryć pewne obszary formy 1 albo rdzeni. W zależności od żądanej grubości można nałożyć jedną albo większą liczbę warstw. Te różne warstwy pozostawia się do wyschnięcia przed wlaniem metalu do formy 1. Ten roztopiony metal służy także do wywołania reakcji w celu wytworzenia warstwy porowatej, która natychmiast po reakcji zostaje nasączona, tworząc strukturę szczególnie odporną zarówno na uderzenia, jak i na zużycie.

Claims (15)

1. Odlewany element zużywalny, zawierający strukturę wzmocnioną za pomocą co najmniej jednego składnika wybranego spośród grupy węglików metali, azotków metali, borków, tlenków metali oraz związków międzymetalicznych, znamienny tym, że składniki są wytworzone w wyniku reakcji in situ z surowców działających jako reagenty dla tych składników, przy czym reagenty te są umieszczane najpierw w formie (1) przed odlewaniem, w postaci wkładek (3) albo półwyrobów ze sprasowanych proszków albo w postaci masy lejnej (4), przy czym reakcja in situ tych proszków jest wywoływana przez odlewanie metalu, przy czym ta reakcja in situ tworzy porowaty konglomerat, przy czym ten odlewany metal nasącza ten porowaty konglomerat, powodując w efekcie włączenie tego konglomeratu do struktury metalu użytego do odlewania, wytwarzając w ten sposób strukturę wzmocnioną na elemencie zużywalnym (2).

2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że porowaty konglomerat jest wytworzony in situ i jest nasączony odlewanym metalem, przy czym konglomerat ma twardość Vickersa 1300 - 3000 HV, przy czym ta struktura wzmocniona na elemencie zużywalnym ma udarność powyżej 10MPa^m.

3. Sposób wytwarzania odlewanego elementu zużywalnego, zawierającego strukturę wzmocnioną za pomocą co najmniej jednego składnika wybranego spośród grupy węglików metali, azotków metali, borków, tlenków metali oraz związków międzymetalicznych, znamienny tym, że składniki te wytwarza się w wyniku reakcji in situ z surowców działających jako reagenty dla tych składników, przy czym reagenty te umieszcza się najpierw w formie (1) przed odlewaniem, w postaci wkładek (3) albo półwyrobów ze sprasowanych proszków albo w postaci masy lejnej (4), przy czym reakcję in situ tych proszków wywołuje się przez odlewanie metalu, przy czym reakcja in situ tworzy porowaty konglomerat, przy czym nasącza się porowaty konglomerat odlewanym metalem, z włączeniem tego konglomeratu do struktury metalu użytego do odlewania, z uzyskaniem struktury wzmocnionej na elemencie

PL 204 095 B1 zużywalnym (2), przy czym tę reakcję in situ pomiędzy surowcami przeznaczonymi do utworzenia składników po reakcji wywołuje się i podtrzymuje przez ciepło roztopionego metalu.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że reakcja pomiędzy surowcami tworzy konglomerat o dużej porowatości, który może być równocześnie nasączany odlewanym metalem, z utrzymaniem niezmienionej struktury wzmacnianej.

5. Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że reakcję pomiędzy surowcami prowadzi się pod ciśnieniem atmosferycznym.

6. Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że reakcję pomiędzy surowcami prowadzi się bez jakiejkolwiek określonej atmosfery ochronnej.

7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że reakcję pomiędzy surowcami prowadzi się bez jakiejkolwiek określonej atmosfery ochronnej.

8. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 7, znamienny tym, że stosuje się surowce należące do grupy żelazostopów, korzystnie obejmującej żelazotytan, żelazochrom, żelazoniob, żelazowolfram, żelazomolibden, żelazobor, żelazokrzem, żelazocyrkon i żelazowanad.

9. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stosuje się surowce należące do grupy żelazostopów, korzystnie obejmującej żelazotytan, żelazochrom, żelazoniob, żelazowolfram, żelazomolibden, żelazobor, żelazokrzem, żelazocyrkon i żelazowanad.

10. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 7, znamienny tym, że stosuje się surowce należące do grupy tlenków, korzystnie obejmującej TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2O5, CuO, MgO i NiO.

11. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stosuje się surowce należące do grupy tlenków, korzystnie obejmującej TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2O5, CuO,

MgO i NiO.

12. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 7, znamienny tym, że stosuje się surowce należące do grupy metali, korzystnie obejmującej żelazo, tytan, nikiel i aluminium, albo ich stopy.

13. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stosuje się surowce należące do grupy metali, korzystnie obejmującej żelazo, tytan, nikiel i aluminium, albo ich stopy.

14. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 7, znamienny tym, że jako surowce stosuje się związki węgla, boru albo azotu.

15. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako surowce stosuje się związki węgla, boru albo azotu.