cercetĂri privind tipurile de uzurĂ ce apar la sculele ... · cuple de frecare formată dintre un...

Fiabilitate si Durabilitate - Fiability & Durability nr.2/2009 Editura “Academica Brâncuşi” , Târgu Jiu, ISSN 1844 – 640X

53

CERCETĂRI PRIVIND TIPURILE DE UZURĂ CE APAR LA SCULELE FOLOSITE LA MĂRUNŢIREA DEŞEURILOR DE BENZI

TRANSPORTOARE

Prof. dr. ing. Dan DOBROTĂ, Universitatea „Constantin Brâncuşi” din Târgu Jiu Sef lucr.dr. ing. Alin NIOAŢĂ, Universitatea „Constantin Brâncuşi” din Târgu Jiu

Abstract: Lucrarea prezintă o serie de date experimentale obţinute în cadrul cercetărilor ce au avut drept scop analiza uzurii sculelor folosite la mărunţirea deşeurilor de benzi transportoare. Deasemenea în cadrul lucrării este prezentată şi o analiză concludentă asupra fenomenelor legate de uzura sculelor. Keywords: uzură, cuplă de frecare, rostogolire uscată;

1. Introducere

Majoritatea pieselor de maşini care au rol funcţional şi sunt scoase din folosinţă datorită uzării suprafeţelor de contact aflate în mişcare relativă (frecare). Din acest motiv cunoaşterea şi alegerea materialelor rezistente la uzare, respectiv proiectarea a numeroase elemente de construcţie ale maşinilor şi instalaţiilor pe baza condiţiei rezistenţei la uzare prezintă mare importanţă. Pentru a analiza uzura sculelor folosite la mărunţirea deşeurilor din cauciuc trebuie stabilite pentru început cauzele ce o determină. Uzura ce apare la sculele folosite în procesul de mărunţire a deşeurilor din cauciuc [1] se datorează fenomenelor de rostogolire uscată ce apar între un metal şi un nemetal. Evoluţia în timp a uzurii pentru orice cuplă de frecare cuprinde rei stadii distincte, iar această evoluţie a uzurii este valabilă şi pentru cazul unei cuple de frecare formată dintre un material metalic şi cauciuc. Frecare de rostogolire dintre scule (cilindrii) şi deşeurile din cauciuc determină apariţia următoarelor tipuri de uzură: uzură dimensională şi uzură de tipul coroziunii fisurante. Uzura dimensională este caracterizată prin aceea că în timpul proceselor de mărunţire a cauciucului o parte din masa de material a sculelor se pierde ceea ce determină o reducere a dimensiunii acestora. Acest proces de uzare dimensională poate fi compensată prin reglajul distanţei dintre cilindrii. În majoritatea cazurilor uzarea dimensională determină şi o modificare a geometriei striaţiilor de pe cilindrii. Datorită modificării geometriei striaţiilor dinstanţa dintre scule se va regla numai după ce în prealabil a fost refăcută geometria acestora. Odată cu refacerea geometriei striaţiilor de pe suprafaţa cilindrilor va fi îndepărtată o cantitate considerabilă de material ceea ce determină o reducere a dimensiunii cilindrului cu o valoare mult mai mare decât mărimea uzurii a acestora. Acest proces de refacere a geometriei striaţiilor se poate face în mai multe rânduri, dar trebuie avut în vedere faptul că nu trebuie să depăşim o reducere a dimensiuni sculelor pe direcţie radială mai mare de 20 [mm]. Influenţa preponderentă asupra mărimii uzurii dimensionale o au eforturile ce însoţesc procesul de mărunţire a deşeurilor din cauciuc. Procesul de uzare dimensională normală poate fi înlocuit cu un proces cu caracter foarte violent, însă doar pentru o perioadă scurtă de timp, în cazul în care între elementele aflate în mişcare îşi face prezenţa un material abraziv (inserţii metalice, corpuri dure din diverse materiale). O influenţă foarte mare asupra mărimii uzurii dimensionale o au şi carcteristicile materialului din scule dar şi ale materialului supus mărunţirii.

Alegerea corespunzătoare a compoziţiei chimice, gradului de aliere şi tratamentului termic pentru materialul din scule poate avea o influenţă favorabilă asupra creşterii rezistenţei la uzare. Uzura de tipul croziunii fisurante prezintă o mare importanţă, deoarece apariţia acesteia duce la fisurarea sculelor şi scoaterea acestora din uz înainte de data programată. Pentru un practician cunoaşterea susceptibilităţi materialelor la coroziunea fisurantă prezintă o


54

deosebită semnificaţie din punct de vedere al proiectării optime, adică al raportului dintre solicitarea mecanică, consumul de material, cheltuieli de investiţie, exploatare şi mentenanţă, alte influenţe (mediul înconjurator, factorul uman etc.). Tradiţional în majoritatea cazurilor, drept parametru privind susceptibilitatea la coroziunea fisurantă serveşte, încă, aşa numita durabilitate a materialului nominalizat, într-un mediu agresiv, în circumstanţele unei concomitente solicitări mecanice. În condiţiile exploatării tehnologice, ruperile sau cedările prin rupere se datoresc în marea lor majoritate extinderii dimensiunilor unui defect de tip fisură ca efect al coroziunii, respectiv al acţiunii unui mediu agresiv, ca efect al variabilităţii ciclice a intensităţii solicitărilor mecanice (oboseală etc.) [3]. Fenomenul este specific mai ales în cazul ruperilor care intervin pentru intensităţi mici ale tensiunilor mecanice, fără o prealabilă deformare plastică globală a elementului afectat (fisurat). Cedarea prin coroziune fisurantă parcurge următoarele trei stadii: - stadiul 1 – formare de amorse (de tipul unor uşoare punctări prin înţepare figura 1 a) la suprafaţa metalului; - stadiul 2 – amorsa devine o fisură (figura 1 b) ale carei dimensiuni continuă să se extindă lent din punct de vedere macroscopic; - stadiul 3 – ruperea (figura 1 c) când fisura – extinzându-se – atinge o anumită dimensiune (lungime), suficient de mare, numită critică.

Evoluţia unei fisuri şi modul cum aceasta se extinde, respectiv se propagă, depinde determinant de starea de eforturi unitare existente în zona în care este plasată [4].

a) b) c)

Figura 1 Stadiile fracturării corozive.

a) – formarea amorsei (stadiul 1); b) – fisurarea respectiv extinderea fisurii (stadiul 2)

c) –ruperea (stadiul 3).

Sculele folosite în procesul de mărunţire a deşeurilor din cauciuc sunt solicitate ciclic la oboseală, dar totodată ele lucrează şă într-un mediu agresiv din punct de vedere chimic. Agresivitatea mediului în care lucrează aceste scule se poate explica prin prezenţa în compoziţia chimică a deşeurilor din cauciuc a diferite elemente chimice (în special sulf). Aceste elemente chimice în anumite condiţii de presiune şi temperatură pot să formeze anumiţi compuşi care pot să aibă acţiune corozivă asupra materialelor metalice. Dacă se ţine cont de faptul că în timpul mărunţirii deşeurilor avem o distribuţie aleatoare a eforturilor trebuie luate în calcul toate posibilităţile de solicitare. Astfel, după mişcarea relativă a suprafeţelor de rupere, situate de o parte şi de alta a planului în care se extinde fisura, evoluţia şi, deci, propagarea acesteia se poate realiza în conformitate cu următoarele moduri fundamentale de deplasare figura 2 [4].


55

a) b) c)

Figura 2. Modurile fundamentale de deplasare respectiv extindere (propagare) a fisurilor.

a - deschiderea fisurii (modu l); b - lunecarea dreaptă (modul II);c - lunecarea curbă (modul III).1 – suprafaţă atacată de coroziune; 2 – suprafeţele (flancurile) fisurii; 3 – frontul fisurii; 4

– rădăcina (vârful fisurii).

modul I – fisura se extinde prin deschidere, punctele aparţinând suprafeţei de fisurare deplasându-se normal în planul fisurii (figura 2 a); modul II – fisura se extinde prin lunecare dreaptă, frontală, deplasările punctelor din suprafaţa de fisurare efectuându-se în planul fisurii, perpendicular pe marginea acesteia şi în sensul avansării sale (figura 2 b); modul III – fisura se extinde prin lunecarea curbă, laterală sau spirală, deplasările punctelor din suprafaţa de fisurare efectuându-se de asemenea în planul fisurii, însă paralel cu frontul acesteia (figura 2 c). Evident, toate celelalte moduri de fisurare posibile pot fi descrise prin suprapunerea, respectiv prin combinarea corespunzătoare a celor trei moduri fundamentale precizate. Odată cu apariţia fisurilor, eforturile unitare σ se modifică ca valoare. Factorul de intensitate al tensiunii mecanice, notat cu K, reprezintă măsura amplificării eforturilor unitare respectiv σ , generate de prezenţa unei fisuri, în raport cu aceleaşi eforturi unitare nominale, existente într-un element în absenţa fisurii. Tot timpul valorile lui K sunt supraunitare depinzând de geometria elementului a structurii sau a sistemului studiat şi de lungimea fisurii la un moment dat. Fisurarea lentă într-un mediu coroziv poate fi perfect descrisă numai prin intermediul factorului de intensitate al tensiunii, metoda bazându-se, deci, pe factorul K. Pentru niveluri înalte ale intensităţii tensiunilor mecanice, nu există o corelaţie univocă între factorul K şi viteza de evoluţie a coroziunii fisurante. Aceasta corelaţie nu permite prognozarea extinderii ulterioare a fisurilor detectate la un moment dat. De această dată, utilitate maximă prezintă numai rezultatele măsurării sub sarcină constantă a vitezei de extindere a fisurilor. Pentru sculele folosite la mărunţirea deşeurilor din cauciuc este foarte important a se evita încă din etapa de execuţie a acestora prezenţa nodurilor termice sau a eventulelor incluziuni în materialelor acestora.

Prezenţa acestor defecte în materialul sculelor se pot constitui în continuare ca principale amorse de fisură şi deci motive pentru declanşarea fenomenului de coroziune fisurantă.

I II III


56

2. Cercetări experimentale Datorită solicitărilor deosebite de complexe la care sunt supuse sculele folosite la mărunţirea deşeurilor din cauciuc materialele din acestea trebuie să îndeplinească anumite cerinţe [5]. Principalele cerinţe pe care trebuie să le îndeplinească materialul din cilindrii sunt: - suprafaţa de lucru a sculelor fiind supusă atât frecării cu materialul supus mărunţirii cât şi contactului cu diverse obiecte străine trebuie ca materialul acestora să fie caracterizat de o duritate cu valori cuprinse între 330 – 340 HB; - pentru ca răcirea sculelor să se facă în condiţii optime trebuie ca materialul din care sunt executate să aibă un coeficient de transfer de căldură de valoare ridicată; - datorită faptului că sculele folosite la nărunţirea deşeurilor din cauciuc sunt puternic solicitate şi la oboseală materialul din acestea trebuie să corespundă şi acestei cerinţe; - deoarece sculele sunt caracterizate şi de dimensiuni foarte mari materialul din acestea trebuie să corespundă şi din punct de vedere al economicităţii. Uzual cilindrii se obţin, în prezent, din fontă elaborată îngrijit în compoziţa căreia este de evitat prezenţa sulfului şi fosforului. Ca tehnologie de execuţie aceştia se obţin prin turnare în plan vertical. Tăblia cilindrului se plasează în cochilie metalică, astfel încât răcirea ei rapidă să asigure obţinerea unui strat superficial de o duritate ridicată. Grosimea stratului superficial astfel realizat este de 15 - 18 mm pe direcţie radială. Fusurile şi părţile de trecere nu trebuie să aibă o duritate ridicată de aceea acestea se formează în pământ fără cochilie. Prin această tehnologie de execuţie a cilindrilor se obţine în stratul superficial fontă albă, iar în profunzime fontă cenuşie. În ceea ce priveşte compoziţia chimică a unor fonte utilizate frecvent la execuţia cilindrilor este dată în tabelul 1.

Tabelul 1 Compoziţia chimică a fontelor folosite la construcţia cilindrilor.

Duritatea tăbiliei

HB

C

[%]

Si

[%]

Mn

[%]

S+P

[%]

Cr

[%]

Ni

[%]

Mo

[%]

330…340 3…3,75 0,7…0,8 0,5…0,7 0,05 - - -

350…400 3,25…3,5 0,8…1,2 0,4…0,5 0,04 0,75 - 0,25…0,35

Materialul existent în sculele folosite la mărunţirea deşeurilor din cauciuc este în principal fonta [6]. Fonta este caracterizată prin prezenţa grafitului şi se clasifică după masa de bază în: feritică, perlitică sau ferito-perlitică în funcţie de proporţia constituientului prezent. După forma, mărimea şi repartiţia grafitului, fontele pot fi împărţite în: fontă cu grafit lamelar, vernicular, repartizat în cuiburi, nodular etc.

Pentru o analiză a transformărilor structurale din materialul cilindrilor este necesară în primul rând o cunoaştere a principalelor tipuri de structuri ce pot să apară în materialul acestora. Pentru aceasta este necesară cunoaşterea structurilor ce apar în aliajele fier-carbon. În aliajele fier-carbon (din care fac parte şi fontele) pot apare următoarele soluţii solide fier-carbon tabelul 2. Tabelul 2 Soluţii solide fier-carbon

Denumirea Conţinutul maxim de carbon

Denumirea metalografică

Soluţie solidă δ 14870C; 0.07%C Ferită δ

Soluţie solidă γ 11450C; 1.7%C Austenită

Soluţie solidă α 7210C; 0.02%C Ferită α


57

Aşadar solubilitatea carbonului în soluţia solidă γ cubică cu feţe centrate este mult mai mare decât în soluţia α sau δ. În soluţiile α,γ sau δ carbonul se găseşte în golurile din reţea între atomii de fier (soluţiile solide de pătrundere). Acest fapt este de o importanţă deosebită pentru proprietăţile fontelor, întrucât pe el se bazează duritatea şi rezistenţa înaltă ale acestora în stare călită.

Spre deosebire de diferitele cristale omogene (faze) ce apar în aliajele fier-carbon, constituenţii structurali se caracterizeaza prin faptul că sunt de natură neomogenă (perlita , ledeburita I, ledeburita II). Proprietăţile acestor constituenţi sunt redate în tabelul 3.

Tabelul 3. Proprietăţile constituenţilor structurali.

Denumirea Compus din: Domeniul de stabilitate Perlită 86.5%Ferită+13.5%Cementită T<7210C; 0.02-6.67%C Ledeburită I 48%Austenită+52%Cementită T<1145-7210C; 1.7-6.67%C Ledeburită II 48%Perlită+52%Cementită T<7210C;1.7-6.67%C

Perlita este un amestec eutectoid de ferită şi cementită şi se formează prin decompunerea cristalelor de soluţie solidă γ cu 0.9% C, la răcire. Ledeburita I este un amestec eutectic de austenită şi cementită şi se formează prin solidificarea unui aliaj fier-carbon cu 4.3% carbon, la temperatura eutectică de 1145oC.

Ledeburita II se formează la răcire din ledeburita I, prin descompunere eutectoidă la 721oC a austenitei. Cementita apare ca un constituent structural independent sub trei forme diferite, însă cu aceeasi compoziţie chimică. Forme diferite de apariţie a cementitei şi modul de formare al acesteia sunt prezentate în tabelul 4. Ferita (ferita α şi ferita δ) reprezintă o soluţie solidă de interstiţie a carbonului dizolvat în fier α cristalizat în reţea C.V.C. La temperatura mediului ambiant ferita α dizolvă o cantitate foarte mică de carbon 0,002%C .

Tabelul 4 Forme diferite de apariţie a cementitei.

Denumirea Se formează prin: Cementită primară Cristalizare primară din topitură

Cementită secundară Precipitare din austenită Cementită terţiară Precipitare din ferită

Pentru a realiza analiza structurală a materialului din sculele uzate s-a realizat prelevarea a patru probe din zona de ruptură a unui cilindru uzat. Prelevarea probelor s-a făcut din zona de ruptură a cilindrului deoarece în aceast loc transformările structurale sunt cele mai importante. Probele au fost prelevate din ambele bucăţi rezultate în urma ruperii sculei uzate. Deoarece pe una din bucăţi s-au observat fisuri din această zonă au fost prelevate 3 probe, iar din cealaltă bucată o singură probă. Scula uzată din care au fost prelevate probele şi zonele de prelevare sunt prezentate în figura 4.


58

Figura 3 Scula uzată şi zonele de prelevare a probelor.

Forma probei 1 care urmează a fi supusă analizelor structurale este prezentată în figura

4. Pentru a realiza analiza structurală s-au observat imagini, la microscopul metalografic, ale structurii materialului în diferite puncte pe adâncimea probei. a,b,c – punctele unde se realizează analiza din vedere structural.

Corespunzător celor trei puncte de analiză vom avea şi trei microstructuri diferite prezentate în figura 5 pentru zona (a), figura 6 pentru zona (b) şi figura 7 pentru zona (c).

Figura 4. Forma probei 1

Figura 5. Fontă albă caracteristică stratului superficial.

Strat de suprafaţă

30m

m

a

b

c


59

Figura 6. Fontă albă caracteristică unui strat superficial cu tendinţă de trecere spre fontă cenuşie

Figura 7. Zona de trecere de la fonta albă la fonta cenuşie şi fonta cenuşie

Forma probei 2 pentru care urmează a fi realizată analiza modificărilor structurale este prezentată în figura 8.

Analiza structurală a probei numarul doi se va face prin observarea microstructurii materialului la microscopul metalografic în doua puncte diferite (a) respectiv (b).


După cum se observă din figura 8 în materialul probei apar şi fisurile. Corespunzător celor doua puncte de analiză vom avea doua structuri diferite prezentate în figura 9. pentru punctul (a) şi figura 10 pentru punctul (b)


60

Figura 9. Fontă albă cu zone de transformare de transformare a acesteia în fontă cenuşie

Figura 10. Fontă albă şi fontă cenuşie cu evidenţierea clară a transformării fontei albe în fontă

cenuşie

Pentru analiza modificărilor structurale pentru proba 3 este prezentată mai întâi forma acesteia în figura 11. Modificările structurale ale probei 3 ne interesează în mod deosebit datorită poziţiei din care aceasta este prelevată aceasta. Modificările structurale se vor observa la microscop în două puncte distincte ale probei. Corespunzător celor două puncte în care se realizează analiza structurală vom avea figura 12 pentru punctul (a) şi figura 13 pentru punctul (b)



61

Figura 12. Fontă albă pe o anumită porţiune şi fontă cenuşie pe o porţiune situată spre interior şi zone de transformare a fontei albe în fontă cenuşie

Figura 13. Zona de trecere de la fonta albă la fonta cenuşie precum şi structură modificată de

fontă cenuşie

Pentru analiza modificărilor structurale ale probei 4 trebuie prezentată mai întâi forma acesteia figura 14. Această probă a fost prelevată din cealaltă bucată rezultată în urma procesului de rupere a cilindrului. După cum se observă din figura 14 pe suprafaa probei îşi fac prezenţa fisurile. Datorită faptului că şi-au făcut apariţia fisurile zonele de analiză structurală le-am încadrat între stratul de suprafaţă şi ultima fisură. Având în vedere faptul că această zonă ne poate oferi informaţii foarte importante asupra modificărilor structurale şi analiza s-a făcut pentru cinci puncte distincte. Corespunzător vom avea şi cinci structuri diferite, prezentate în figura 15 punctul (a), figura 16 punctul (b), figura 17 punctul (c) , figura 18 punctul (d) şi figura19 pentru punctul (e).

Figura 14. Forma probei 4.

Strat de suprafaţă


62

Figura 15 Structură perlitică cu o distribuţie neuniformă de ferită şi cementită

Figura 16 Structură perlitică cu o distribuţie cu o distribuţie uniformă de ferită şi cementită

Figura 17 Structură perlito-feritică cu evidenţierea clară a zonelor cu perlită şi a celor cu ferită


63

Figura 18 Fisură determinată de transformarea fontei albe în fontă cenuşie şi structură perlitică

Figura 19 Zonă de trecere de la fonta cenuşie spre fonta albă.

3. Concluzii După prezentarea acestor modificări structurale ce apar în materialul sculelor uzate

este necesară şi o stabilire a cauzelor ce le determină. Procesul de mărunţire al deşeurilor din cauciuc în vederea regenerării este însoţit de frecări între materialul sculelor şi cauciuc. Prezenţa frecărilor determină degajarea unei mari cantităţi de căldură. Căldura degajată este preluată o parte de agentul de răcire (apa dedurizată), dar o mare parte se acumulează în cilindrii. Această acumulare de caldură în cilindrii se datorează unui sistem de răcire necorespunzător, dar şi materialului sculelor (fonta) care are o conductibilitate termică scazută. Acumularea de căldură face ca în timp să apară un proces de transformare a fontei albe din strat în fontă cenusie. Direcţia de transformare a fontei albe în fontă cenuşie este de la interior spre exterior. Acest proces determină apariţia în stratul de suprafaţă a unor zone în care fonta albă este înlocuită de fonta cenuşie.


64

Prezenţa fontei cenuşii în stratul superficial determină o deteriorare a caracteristicilor mecanice ale materialului din care sunt executaţi cilindrii, iar separările de grafit de grafit determină apariţia amorselor de fisură şi deci a fenomenului de coroziune fisurantă. Pe lângă studiul modificărilor structurale este necesară şi o analiză în ceea ce priveşte evoluţia în timp a compoziţiei chimice a materialului din cilindrii. Pentru a realiza o analiză concludentă a compoziţiei chimice trebuie cunoscute influenţele fiecărui element chimic în parte asupra proprietăţilor materialului sculelor: Carbonul - principalul element de aliere. Prin creşterea conţinutului de carbon se măreşte rezistenţa şi duritatea, scăzând alungirea, forjabilitatea, sudabilitatea şi prelucrabilitatea prin aşchiere. Rezistenţa la coroziune a apei, acizilor şi a gazelor calde nu este influenţată de concentraţia carbon. Manganul - creşte rezistenţa fără a scădea în aceeaşi măsură alungirea şi favorizează forjabilitatea şi sudabilitatea. Cromul - creşte rezistenţa la tracţiune şi uzură scăzând doar alungirea, măreşte termorezistenţa şi rezistenţa la uzare la cald. Cromul scade rezistenţa la şoc, conductivitatea electrică şi termică. Nichelul - sporeşte puţin caracteristicile de rezistenţa asigurând în shimb o bună rezilienţă îndeosebi la temperaturi scăzute. Sulful - element dăunător, provocând segregaţii puternice făcând materialele casante la cald. Conţinutul admisibil uzual 0,025 – 0,030%. Siliciul – element cu acţiune dezoxidantă, măreşte limita de curgere şi rezistenţa, scade conductivitatea electrică, forţa coercitivă şi pierderile la magnetizare.

Bibliografie [1].Maridaas B. Journal of elastomers and plastics, 38, pp. 211-229 (2006) [2].Ismail H. University Sains Malaysia, Novel Recycling Process, (2005) [3].Kuskenkon V.S. Fracture Micromechanics of Polymer Material, Editor Natinus Nijhoff, Hague, (2008) [4].Bedjukh A.Magnetic Shock Method for Tyre Recycling, Conference European Tyre recycling, Brussels, Belgium, (2007) [5].Dobrota D. Considerations on constituent equations used in study of mincing rubber waste reinforced with metallic insertion, Plastic Materials Revue, volume 43, pp. 225-230, (2006) [6].Dobrota D. Experimental research regarding processing rubber waste with metallic insertions, Plastic Materials Revue, volume 43, pp. 65-68, (2006)

cercetĂri privind tipurile de uzurĂ ce apar la sculele ... · cuple de frecare formată dintre un...

Documents