автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Утилизация вредных отходов как фактор улучшения условий труда при обработке металлов

Р Г Б ОД

11а правах рукописи

НИКИФОРОВА Светлана Борисовна

УТИЛИЗАЦИЯ ВРЕДНЫХ ОТХОДОВ КАК ФАКТОР УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ТРУДА ПРИ ОБРАБОТКЕ

МЕТАЛЛОВ

Специальность 05.26.01 - "Охрана труда"

А втореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 1995

Работа выполнена техническом университете

в

Дальневосточном государственном

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Короткой В.И.

кандидат технических наук, доцент Каяк Г.Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жуков А.В,

кандидат технических наук, доцент Горчакова С.А.

Ведущая организация

АООТ "Инструментальный завод"

Защита диссертации состоится

30 -ьш&Я^

_1995 г. в

Ю00 часов на заседании диссертационного Совета Д 064.01.02 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, г.Владивосток, ул. Пушкинская, 33, ауд. Г-134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

" " ОМП'Лд'!^

Автореферат разослан " * О " ОМГМОМ 1995 г

Ученый секретарь диссертационного Совета /„ «^-Шереметииский О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В процессе шлифования образуются продукты разрушения инструмента и обрабатываемого материала в виде мелкодисперсного абразивного порошка, смешанного с мелкой стальной стружкой (шлам). Помимо твердой фракции в отходах находятся остатки смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ). Часть отходов находится во взвешенном состоянии в виде аэрозоля. При длительном контакте с кожными покровами и при поступлении паров и тумана через дыхательные пути СОЖ может оказывать вредное воздействие на организм работающих. Степень и характер этого воздействия зависит от химического состава СОЖ и обрабатываемого материала, способа подачи жидкости в зону шлифования, режимов шлифования, наличия очистки СОЖ и различных защитных и вентиляционных устройств, условий окружающей среды (температуры, влажности и т.д.). Длительная работа в таких условиях приводит к раздражению слизистых оболочек верхних дыхательных путей и даже к развитию пневмонии, снижению общей иммунобиологической реактивности организма. При длительном контакте с масляными СОЖ у рабочих возникают профессиональные кожные поражения (дерматозы), хронические пигментации, сухость и шелушение кожи. Шлам не пригоден для переплавки и поэтому его вывозят на свалки, загрязняя при этом окружающую среду. Ежегодно только один Владивостокский инструментальный завод вывозит таких отходов более 20 тонн. Разлагаясь, тяжелые металлы попадают в грунтовые воды, снижают качество питьевой воды и повышают риск заболеваемости.

Металлическая составляющая шламовых отходов быстрорежущих сталей содержит значительное количество дорогостоящих легирующих элементов, таких как вольфрам, молибден, кобальт, хром. Технология комплексной регенерации отходов шлифования позволила бы снизить их воздействие на организм человека, улучшить гигиенические условия труда станочников, устранить безвозвратные потери металла, абразива, смазочно-охлаждающей жидкости.

Целью работы является улучшение условий труда при обработке металлов за счет регенерации отходов шлифования.

Цель работы определила постановку и решение следующих задач:

-определение химического и дисперсного состава шлифовального аэрозоля;

-исследование состава, морфологии и свойств исходных отходов шлифования (шлама) быстрорежущей стали Р6М5;

-изучение влияния шихтования, дезинтеграторной обработки, виброобработки на свойства металлической и абразивной составляющих шлама;

-изучение режимов спекания и свойств готовых изделий, полученных из шламовых отходов.

Положения, выносимые на защиту

- способы улучшения технологических свойств исходного шлама;

- математические модели влияния количества связующего, времени и температуры спекания на плотность и износостойкость изделий из дисперсноупрочненных материалов;

- результаты исследований и технические решения утилизации отходов шлифования быстрорежущих сталей.

Научная новизна работы. Впервые изучен и классифицирован аэрозоль, образующийся при шлифовании быстрорежущей стали и исследовано влияние режимов вакуумной дистилляции, дезинтеграции на химический состав и свойства порошка шлама. Установлено влияние керамических добавок на структуру и свойства изделий из шламовых отходов.

Разработана технология комплексной регенерации отходов шлифовального производства методами порошковой металлургии.

Получены математические • модели влияния количества связующего, времени и температуры спекания на плотность и износостойкость изделий из дисперсноупрочненных материалов на основе шлама.

Разработан метод получения заготовок, позволяющий проводить их механическую обработку без предварительного спекания.

Практическая ценность и реализация работы. Разработана технология получения изделий из отходов шлифования инструментальных сталей, позволяющая улучшить условия труда при обработке металлов и использовать такие отходы в качестве сырья для получения изделий методами порошковой металлургии и полностью возвратить их в производство. Инструмент, полученный из шлама обладает более высокими свойствами, чем инструмент из литой быстрорежущей стали. Разработана технология получения

керамических изделий из абразивной составляющей шламовых отходов и дисперсноупрочненных материалов на основе шлама.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Порошковая металлургия" (Свердловск, 1989 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Комплексное освоение техногенных месторождений" (Челябинск, 1990 г.), Межреспубликанской конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (Волгоград, 1991 г.), Ill Зональной научно-технической конференции "Пути повышения качества и надежности инструмента" (Барнаул, 1989 г.), Международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Владивосток, 1994 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 работах, получено одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и приложения. Она содержит 15k страницы, в том числе 53 рисунка и 17 таблиц. Список использованных литературных источников содержит 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава включает научный обзор и анализ современного состояния условий и безопасности труда в шлифовальном производстве инструментальной промышленности.

Вопросам поиска новых порошковых композиций, в том числе и инструментальных, посвящены работы таких ученых как Геллер Ю.А., Кипарисов С.С., Самсонов Г.В., Анциферов В.Н., Либенсон Г.А., Ермаков С.С., Дорофеев Ю.Г.

Из большого числа работ, посвященных проблеме борьбы с пылью следует выделить труды Н.А.Фукса, A.A. Скочинского, В.Б. Комарова, Г.И.Ромашова, В.Н.Воронина, А.И.Ксенофонтовой, Л.И.Барона, В.В. Недина, П.П. Торского, П.И. Мустеля, В.И. Короткова, Л.Д. Ворониной.

Анализ работ Власова А.Ф., Нейкова О.Д., Поруцкого Г.В., Кундиева Ю.Н., Апирина Б.С., посвященных изучению воздействия

аэрозолей на здоровье работающих, показал, что качество воздушной среды в шлифовальном производстве неудовлетворительно.

Рассмотрены существующие методы получения порошковых быстрорежущих сталей для порошковой металлургии. Представлены основные тенденции в технологиях утилизации отходов шлифования инструментальных сталей.

Во второй главе описаны материалы, оборудование и методики проведения экспериментов.

Основным исходным материалом для исследований являлись отходы шлифования стали Р6М5 (шлам) Владивостокского инструментального завода.

Была использована следующая технология получения порошковых изделий из отходов шлифования: отстаивание шлама в контейнере, слив смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ); очистка от СОЖ в центрифуге ; вакуумная дистилляция; отбор фракций порошка менее 500 мкм; размол в дезинтеграторе; сепарация; введение пластификатора; гранулирование протиркой через сито; изостатическое прессование брикетов; спекание образцов в вакуумной печи.

Особенность методики изготовления металло-керамических материалов заключалась в смешивании исходных порошков в вибромельнице, сконструированной в лаборатории порошковой металлургии ДВГТУ.

Плотность прессовок и спеченных образцов определяли по ГОСТ 18898-73.

Микроанализ порошков и металлографический анализ полученных образцов проводился на оптическом микроскопе ММР-2 при увеличениях от х 100 до хЮОО.

Твердость спеченных изделий по Роквеллу определяли по шкалам С и А в соответствии с ГОСТ 25698-83, микротвердость - на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76.

Рентгеноструктурный анализ фаз осуществляли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с использованием а и (3 излучения. Качественный фазовый анализ проводили с использованием картотеки АБТМ.

Морфологию порошка отходов шлифовального производства изучали на растровом электронном микроскопе ,18М-35 (производства Японии) с разрешающей способностью 7-12 нм.

В работе использовалось математическое планирование эксперимента.

Из композиции, показавшей лучшие механические свойства изготавливались режущие пластины. Качество режущих пластин оценивали испытаниями на стойкость. Испытания на стойкость проводили в лаборатории технологии машиностроения на станке 1К62, материал заготовки - сталь 45 (ГОСТ 1050-74), НВ-197. Резцовая пластина - ГОСТ 19265-73.

Геометрия пластины: - у=Ю°, а=8°, Х=6°, г-1,2 мм.

Режимы резания: 160 об/мин., скорость резания 52 м/мин., подача -0,12 мм/об., глубина резания - 1 мм.

Третья глава посвящена изучению физико-химических свойств аэрозолей, технологических и механических свойств отходов шлифовальных цехов инструментального производства.

В исследуемом цехе Владивостокского инструментального завода наиболее распространенным шлифуемым материалом является сталь Р6М5. Обработка этой стали производится шлифовальными кругами, которые содержат в своей основе оксид алюминия (корунд) с подачей смазочно-охлажающих жидкостей.

Анализ отходов шлифования подтверждает постоянное наличие в них как элементов застывшего (после расплавления) металла, так и наличие стружек с заметными линиями сдвигов на них, т.е. стружек, не претерпевших расплавления. Такие стружки напоминают (при должном увеличении) стружки, снятые при весьма тонком скоростном фрезеровании. Динамическое приложение силы, сопровождающей снятие стружки зерном, обеспечивает пластическое деформирование лежащего ниже слоя металла. В процессе шлифования при высоких температурах смазочно - охлаждающая жидкость вступает в реакцию с окисью алюминия и образует гидрат окиси алюминия,который является пластичным, низкоплавким и более интенсивно изнашивающимся по сравнению с исходной окисью алюминия. Отходы, образующиеся при шлифовании, кроме стружки, содержат также истертую в порошок связку и мельчайшие частицы шлифующего зерна .

Наиболее значительный из вредных факторов при сухом шлифовании - пылевыделение. Установлено, что при сухих шлифовальных работах в окружающую среду выделяется металлоабразивная пыль с размером частиц до 12 -20 мкм и более,

причем свыше 91 % частиц имеют размер до 6 мкм. Именно эти частицы представляют наибольшую опасность, так как они не выводятся из организма. Количество пыли, отделяющейся от обрабатываемого металла и абразивного инструмента, зависит от ширины шлифования, режимов резания, физико механических свойств обрабатываемого материала и характера абразива (по связке и режущим звеньям). При грубом шлифовании (обдирке) количество пыли, отделяющейся в процессе резания абразивными инструментами, колеблется в пределах от 100 до 300 г/ч машинного времени, а при тонком шлифовании и заточке металлического режущего инструмента от 25 до 50 г/ч машинного времени. При этом пыль обрабатываемого материала составляет приблизительно 80 % общего количества пыли, отделяющегося в процессе обработки абразивным инструментом.

Основная масса образующейся пыли (78,5 %) имеет размер свыше

9 мкм, но количество этих частиц невелико (около 9 %). Масса частиц размером до 6 мкм составляет 5 %. В пыли преобладает минеральная фракция. Измерения показали, что запыленность воздуха в цехах может колебаться в широких пределах от 0,3 до 76 иг/и3 в зависимости от оснащенности средствами очистки воздуха. Содержание в пыли двуокиси кремния колеблется от 0,9 до 9,6 % и силикатов от 3 до 14,1%.

Вдоль боковых сторон круга пылевые частицы движутся от центра к периферии, где воздушный поток увлекает частицы во вращение, причем в тонком слое толщиной 0,5-1 мм движутся мелкие частицы размером до 2 мкм, которые вылетают из него, сделав несколько оборотов, на расстояние до 2 м. Частицы размером до

10 мкм вылетают быстрее, совершив около одного оборота. Они разлетаются на меньшее расстояние. Частицы размером до 25 мкм пролегают до 1,2 м. Имея значительную начальную скорость, частицы под действием воздушного потока разносятся на большие расстояния и загрязняют воздушную среду .

При шлифовании быстрорежущих сталей применяют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), которые представляют собой водную эмульсию минерального масла. Подача СОЖ при шлифовании резко снижает запыленность воздуха. Современные СОЖ представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие присадки различного назначения, причем некоторые из них могут быть токсичными для работающих. Отдельные химические соединения, не обладающие выраженными токсичными свойствами, могут их

приобретать в результате взаимодействия или синергетического эффекта различных химических составляющих СОЖ, обрабатываемых и инструментальных материалов.

Таким образом, аэрозоль, образующийся при шлифовании с использованием СОЖ, представляет собой сложную многокомпонентную систему. Это воздушная смесь абразивных частиц (продукт разрушения обрабатывающего инструмента), металлических частиц дисперсностью до 30 мкм (продукт разрушения обрабатываемого материала) и частиц смазочно - охлаждающей жидкости.

Далее были рассмотрены состав и свойства отходов шлифования инструмента из стали Р6М5.

Шлам представляет собой смесь твердой фракции и смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), которой около 30 %.

Абразивные частицы представляют собой мелкодисперсный порошок АЬ203 дисперсностью менее 250 мкм. Форма частиц близка к сферической. Содержание металлических частиц в исходном шламе около 60 %. Форма частиц - тонкая "вьюнообразная" (50%), изогнутая выгнутая (20 %), сегментарная (5 %) и осколочная различных размеров (15 %). Толщина "вьюнообразной" и изогнутой стружки изменяется от 50 до 100 мкм. Наблюдаются частицы с соотношением длины к ширине 15:1. Частицы в форме стружки имеют зубчатый рельеф и неровную поверхность. Мелкие абразивные частицы внедрены в основу. "Вьюнообразные" и вытянутые частицы образуют сплетения, которые могут достигать размеров до 500 мкм. Микроструктура - мартенсит отпущенный, остаточный аустенит и карбиды. Микротвердость частиц 2530 - 7810 МПа. Содержание окалины-до 5 %.

Для получения качественного порошка, пригодного для использования в качестве исходного сырья порошковой металлургии, необходимо очистить исходный шлам от остатков СОЖ, вывести абразивные частицы, улучшить технологические свойства порошка.

Очистку исходного порошка от СОЖ производили в контейнере из жаростойкой стали, который помещали в вакуумную установку. Нагрев производили до температуры 920 °С с выдержкой при 300 °С и 600 °С. Для удаления паров СОЖ и предотвращения окисления в контейнере создавалось разряжение.

При нагреве шлама, загруженного в вакуумный контейнер, наблюдаются значительные выделения продуктов дистилляции и

разложения СОЖ при температуре больше 200 СС. При 230 °С наблюдается остановка роста температуры садки. Это связано с тем, что вся энергия уходит на поддержание кипения и возгонки масла, входящего в состав СОЖ. Для предотвращения повышения давления и наиболее полного удаления СОЖ делали выдержку при Т=300 °С. Неразложившиеся битумные остатки масла, входящего в состав СОЖ, создают на поверхности частиц порошка тонкую углеродную пленку, которая при дальнейшем нагреве до Т = (900-920) °С восстанавливает окисленную поверхность частиц и окислы. Оставшийся углерод цементирует поверхность частиц порошка. Для получения структуры соорбитообразного перлита и тем самым снижения твердости металлических частиц применяли изотермическую выдержку при охлаждении в интервале температур 620-640 °С.

Уменьшение содержания кислорода начинается при температуре 670 °С. Повышение же температуры дистилляции выше 800 °С приводит к активному протеканию окислительно-восстановительных процессов. Однако, при таких температурах происходит твердофазное спекание частиц, образуются спеки и конгломераты. Это может найти применение в технологиях утилизации шлама традиционными методами для получения из него брикетов. При дальнейшем использовании в порошковой металлургии для изготовления деталей возникает необходимость дополнительного размола образовавшейся губки. Поэтому температуру отгонки целесообразно ограничить750°С.

Высушенный шлам имеет химическую неоднородность вследствие загрязнения его продуктами разрушения шлифовального круга -абразивом AL2O3 . Количество абразива изменяется в зависимости от режимов шлифования, вида инструмента и качества шлифовального круга и находится в интервале от 4 до 12 % по массе. Форма абразивных частиц близка к сферической.

Очищенный сухой шлам не находит применения в качестве сырья порошковой металлургии в силу его низких технологических свойств: нулевой текучести, низкой насыпной плотности, неудовлетворительной прессуемости, что обусловлено формой, размерами и свойствами' частиц порошка. Для улучшения технологических свойств применяли обработку порошка в дезинтеграторе.

При варьировании скорости ротора и количества проходов установили, что дезинтеграторная обработка способствует более

глубокой очистке шлама от абразивных частиц при последующей магнитной сепарации. При этом освобождается абразив, механически захваченный микростружкой стали. При дезинтеграции разнородной по составу смеси металл-абразив фракции измельчаются по разному. Так, например, абразивные частицы при увеличении количества проходов в дезинтеграторе измельчаются от 45 мкм в недезинтегрированном до 15 мкм в дезинтегрированном после пяти проходов. Металлические частицы, имеющие в исходном порошке основную фракцию 64 мкм уменьшаются до 35 мкм после пяти проходов. Это объясняется различными механизмами измельчения абразивных и металлических частиц. Металлические частицы как более разнородные по химическому составу, сложные по форме и более плотные в начале размола измельчаются интенсивнее. Происходит изменение формы стружки. Из "вьюнообразных" сегментарных частиц они приобретают осколочную сферическую форму. Удельная поверхность в зависимости от количества проходов в дезинтеграторе возрастает незначительно, от 2,14-Ю3 до 2,38-Ю3 м2/кг. Это показывает, что происходит разрушение тонкой стружки в поперечном направлении, а образованная вследствие разлома поверхность имеет небольшую площадь. После первого прохода порошка в дезинтеграторе происходит смещение пика фракционного состава от 63 мкм до 43 мкм, что связано с интенсивным измельчением стружки. В дальнейшем размер преобладающей фракции достигает 37 мкм. После четвертого прохода порошок в целом претерпевает незначительные изменения. Однако следует заметить, что почти в два раза увеличивается содержание фракции менее 20 мкм. Частицы приобретают сферическую форму. Внешнее ударное действие вызывает наклеп. После пяти проходов наблюдается резкое изменение микротвердости вследствие появления наклепа и скопления дефектов кристаллического строения.

Абразивные частицы измельчаются равномернее. Это обусловлено тем, что абразив представляет собой кристалл с ионной связью и практически не имеет дефектов. Значительное изменение происходит сразу после первого прохода в дезинтеграторе из-за разрушения крупных частиц. Количество абразива размером менее 20 мкм возрастает от 10 до 43 %. Затем размол затрудняется так как мелкие частицы имеют меньше дефектов и получают меньший момент импульса при взаимном соударении.

Обработка порошка в дезинтеграторе приводит к росту его насыпной плотности. Наиболее эффективно изменяется плотность после первого прохода: от 0,9 г/см3 до 1,3 г/см3, в дальнейшем изменение не столь велико.

В связи с различными механизмами размола различных составляющих шлама существует реальная возможность подбора таких технологических режимов, которые способствовали бы измельчению частиц определенного состава. Вследствие селективного размола появляется возможность разделения металлической и неметаллической составляющих, взвешенных в воздушном потоке, создаваемым в рабочей камере дезинтегратора. Количество удаленного абразива увеличивается с возрастанием скорости ротора до 160 об/сек, а затем не меняется. Повышение числа проходов не влияет на количество удаляемого абразива. Резкое возрастание количества вынесенных металлических частиц наблюдается при увеличении скорости ротора более 180 об/сек. Если после пяти походов при 160 об/сек потери металлической фракции составили 5 %, то при скорости 200 об/сек -12 %. Поэтому скорость ротора целесообразно ограничить от 160 до 180 об/сек при 3-5 кратной обработке. Количество абразива в порошке составит не более 2 %, а потери металла - 4-5 %.

Положительно влияет дезинтеграция на прессуемость и формуемость порошка, что можно заметить по возрастанию плотности образцов. Необработанный порошок имеет плотность после прессования 5,84 г/см3. Дезинтегрированный после 1 прохода - 6,30 г/см3, а после пяти проходов - 6,37 г/см3 .

Благоприятно сказывается обработка в дезинтеграторе на спекаемость изделий. Детали, спеченные при температуре 1200-1240 °С, изготовленные из порошка после пятикратной дезинтеграции имеют максимальную плотность 7,93 г/см3, из недезинтегрированного шлама - 7,85 г/см3. Это объясняется тем, что дезинтегрированный порошок, имея на поверхности частиц скопление дефектов, при спекании проявляет большую активность, что благоприятствует лучшему схватыванию частиц, существенно повышая плотность.

Имея высокую твердость, абразив не подвергается пластической деформации и увеличивает трение между частицами, что затрудняет уплотнение при прессовании, поэтому порошок, содержащий абразив, уплотняется хуже, чем очищенный. В прессовках из очищенного от

абразива порошка плотность по высоте равномернее. Снижается давление прессования, что повышает стойкость прессформ.

Очистку порошка от абразива производили при помощи магнитного сепаратора. Для повышения эффективности очистки получали псевдосжиженный кипящий слой порошка на нижней поверхности сердечника. Для этого на катушку соленоида подавали однонаправленные электрические импульсы с последовательным наложением высокой и низкой частот. Высокая частота обеспечивала эффект кипения слоя металлического порошка, низкая - позволяла встряхивать обрабатываемую порцию. Частоты импульсов оптимизировались экспериментально. Из дезинтегрированного шлама немагнитная фракция извлекается лучше, так как при размоле разбиваются спеки и частицы металла и абразива разделяются между собой. После пятикратной дезинтеграции выделенного абразива меньше: частицы АЬгОз становятся мельче и отделить их труднее. Кроме того, часть абразива уносится воздушным потоком при дезинтеграции.

Для изучения процессов, происходящих при спекании, образцы, спрессованные из порошков отходов шлифования стали Р6М5, исследовали на высокотемпературном микроскопе. При 1180 °С наблюдается резкое падение сопротивления. Это происходит из-за образования эвтектики при взаимодействии окислов с углеродом. Каждый новый нагрев смещает температуру образования жидкой фазы до 1240 °С. Это обусловлено тем, что в следствие окислительно-восстановительных процессов снижается содержание кислорода. При температуре 1240 °С начинает образовываться ледебурит, что подтверждается структурой образцов. Значительная усадка происходит за первые 30 минут при 1180 °С и 15 минут - при 1240 "С. С увеличением выдержки скорость усадки замедлялась и после 1 часа практически прекращалась.

Наибольшую плотность дает мелкодисперсный дезинтегрированный порошок. Абразив в количестве 3 % снижает плотность на 4-6 %. В начале спекания, когда активно происходит усадка материала, дисперсные абразивные включения, находясь на поверхности металлических частиц, препятствуют диффузионным процессам, как любое другое инородное тело. На заключительной стадии спекания, когда образец становится компактным, абразив

препятствует рассасыванию пор и диффузии вакансий по межкристаллитным границам.

Повышение температуры выше 1250 °С нецелесообразно, так как ведет к образованию крупных карбидов, что снижает легированносгь твердого раствора и ухудшает свойства материала. Оптимальная температура лежит в интервале 1220-1240 °С, время выдержки после прогрева садки - 1 час.

По результатам исследования рекомендованы следующие режимы изготовления прессовок из шлама:

1) Термическая обработка порошка с целью очистки от СОЖ, восстановления окислов и повышения пластичности материала, включающая нагрев до 300 °С, выдержку до окончания процессов парообразования; нагрев до 680-720 °С, выдержку (в зависимости от массы садки) не менее' 1,5 часа.

2) Обработка в дезинтеграторе 3-4 раза при угловой скорости ротора 160-180 об/сек.

3) Тонкая очистка от абразива в магнитном сепараторе до содержания не более 1 %.

4) Прессование заготовок при 700 МПа. Для повышения плотности и равноплотности прессовок вводят каучук или стеорат цинка.

5) Спекание изделий в вакууме при температуре 1210-1240 °С в течение часа позволяет получить изделия с остаточной пористостью не более 1,5 %.

Абразив является второй твердой составляющей в шламе. Возможно два пути использования отсепарированных продуктов разрушения абразивных кругов. Первый - это использование абразива для получения керамических изделий. Второй - использование в качестве дисперсноупрочняющих добавок при получении дисперсноупрочненных материалов, например, на основе стали Р6М5. Для этого оксид алюминия обладает необходимыми свойствами, прежде всего высокой твердостью. Но, в силу своей высокой химической устойчивости, абразив не связывается с металлической матрицей. Поэтому он разупрочняет материал, играя по-существу роль пор. Если покрыть частицы оксида алюминия каким-нибудь металлом или соединением, которые бы связывались с основной матрицей и при этом не ухудшали ее свойств и взаимодействовали с А^Оз , то можно

было бы использовать такую смесь как дисперсноупрочняющий материал.

В работе исследовались смеси А12О3 с кобальтом, хромом, карбидом хрома и оксидом иттрия. Совместную обработку порошков производили в вибромельнице. Так как оксид алюминия обладает высокой твердостью, то при размоле композиций в вибромельнице, наряду со смешиванием и измельчением частиц, частицы А12О3 частично покрываются слоем легирующей добавки. После размола размер частиц составляет 1-10 мкм, около 10 % частиц имеют размер менее 1 мкм. Такой размер частиц полностью удовлетворяет требованиям к дисперсноупрочняющим материалам. При размоле происходит образование активных поверхностей, что улучшает прессуемость смеси и позволяет не использовать пластификатор. При исследовании влияния легирующих добавок на прессуемость установили, что добавление 5 % хрома снижает пористость на 15 %, дальнейшее увеличение содежания хрома не уменьшает пористости прессовок. Так же к улучшению прессуемости приводит добавление в порошок оксида иттрия. Так как оксид иттрия имеет небольшую микротвердость по сравнению с оксидом алюминия (микротвердость А1гОз - 20000 МПа, УгОз - 7250 МПа), то при прессовании оксид иттрия выполняет роль смазки, что приводит к улучшению прессуемости и, как следствие, снижению пористости заготовок.

Апробован способ изготовления прессовок из твердых материалов повышенной прочности и равнопрочности. Для этого проводили совместную виброобработку керамического порошка и связующего для равномерного распределения связующего по поверхности частиц порошка. В качестве связующего использовали твердофазные термопластичные полимеры класса метакрилатов. Максимальная прочность прессовок достигается при введении 2-3 % связующего. Меньшее количество полимера недостаточно для полного покрытия пленкой керамических частиц. При введении связующего более 3 % полимер, разлагаясь во время спекания, образует газ, который скапливаясь в закрытых порах, ведет к разупрочнению изделий. Виброобработку следует проводить в течение 2-3 часов, так при малом времени процессы деструкции не идут и такая виброобработка не повышает равномерность распределения связующего по объему. Затем заготовки прессуют и термически обрабатывают для повышения прочности. При этом происходит

полимеризация и схватывание между собой покрывающих керамические частицы пленок полимера. Полимеризационный нагрев осуществляли в течение 2 часов при температуре 120-150 °С. Прочность получаемых прессовок позволяет проводить их механическую обработку резанием до спекания, что особенно важно при изготовлении мелких партий изделий, когда проектирование и изготовление прессформ экономически невыгодно. Окончательное спекание проводили при 1450 °С в вакууме с выдержкой при температуре 600-700 °С для отгонки связующего в течение 2 часов. Небольшие добавки легирующих элементов снижают пористость спеченных образцов, увеличение их содержания более 5 % приводит к уменьшению плотности. Увеличение содержания оксида иттрия от 5 до 20 % повышает пористость на 10 %. Наиболее высокую пористость имеют образцы, полученные из смеси оксида алюминия с карбидом хрома и с кобальтом. Добавки оксида иттрия и хрома способствуют улучшению спекаемости оксида алюминия.

Взаимодействие этих добавок с оксидом алюминия иллюстрируется наличием шпинелей на рентгенограммах спеченных образцов.

При испытании полученных образцов на прочность выявленно, что наибольшую прочность имеют образцы, полученные из смеси оксид алюминия-хром. При увеличении содержания хрома происходит увеличение прочности при сжатии. Аналогичную зависимость от содержания легирующих добавок имеет предел прочности при изгибе.

При содержании хрома, кобальта, оксида иттрия и карбида хрома 5 % твердость образцов одинакова и составляет 92 НИ.А. При таком незначительном содержании легирующих добавок твердость образцов обуславливается твердостью матрицы. Увеличение содержания Со приводит к некоторому снижению твердости, а содержание оксида иттрия в количестве 20 % ведет к падению твердости до 64 НЛА. При таком содержании добавок значительное влияние оказывает их твердость, а так же прочность сцепления между частицами.

Исследованные композиции после размола вводили в порошок шлама быстрорежущей стали Р6М5. С помощью метода математического планирования эксперимента была расчитана математическая модель влияния содержания легирующей добавки в

дисперсноупрочненном материале, температуры и времени спекания на его плотность и износостойкость.

Наибольшее значение плотности достигнуто при введении в шлам смеси оксид алюминия - хром. При анализе уравнения регрессии, полученного для плотности образцов выявлено, что наиболее сильное влияние на плотность образцов оказывает фактор двойного взаимодействия температуры и времени спекания. Содержание металла в керамической добавке положительно влияет на увеличение плотности образцов, вследствие улучшения взаимодействия матрицы и частиц А^Оз, покрытых хромом. Так же повышает плотность одновременное увеличение содержания хрома и рост температуры спекания.

При расчете влияния варьируемых факторов на износостойкость получены следующие результаты. В композиции шлам - (А^Оз-Сг) наиболее сильное влияние на износ образцов оказывает фактор смешанного взаимодействия содержания хрома, времени и температуры спекания. С увеличением значений этих факторов износостойкость увеличивается, так как при увеличении температуры и времени спекания происходит более полное взаимодействие керамики с матрицей, а увеличение содержания хрома повышает вероятность такого взаимодействия. На износостойкость системы шлам - (А12О3-Со) наибольшее влияние оказывает время спекания. С увеличением времени спекания износостойкость увеличивается. Такое же влияние оказывает и фактор смешанного взаимодействия температуры и времени спекания.

Спеченные образцы испытывали«, на прочность, измерялась их твердость. Наибольшую твердость (66 НЛС) показали образцы, полученные из смеси шлам - (А12О3+15 % Сг) при следующем режиме спекания: Т = 1300 °С, I = 60 мин. Эти же образцы обладали и наибольшей прочностью, которая составила 720 МПа.

В заключении вышеизложенного можно рекомендовать следующую технологию получения дисперсноупрочненных материалов:

-отсепарированный абразив виброобрабатывать совместно с 510% хрома;

-при необходимости механической обработки прессовок резанием проводить совместную виброобработку исходного порошка с полимером полиметилметакрилат (2-3 %) в течение 2-3 часов.

Полимеризационный нагрев осуществлять при 120-150 °С, а отгонку связующего - при 600 - 700 °С;

-спекание дисперсноупрочненного материала на основе шлама стали Р6М5 проводить при температуре 1250-1300 °С в течение 60 мин.

Из шламовых отходов, восстановленных по предлагаемой технологии, были изготовлены режущие пластины. Величина износа по первому периоду стойкости пластин из шлама в 2-3 раза превышает величину износа компактной быстрорежущей стали. На втором периоде стойкости после измерения износа по задней поверхности сравнивалось только приращение износа и по его усредненному значению оценивалась сравнительная стойкость пластин из шлама и компактной стали. Установлено, что приращение износа у пластин из шлама меньше, чем у пластин из компактной стали Р6М5.

Анализ поверхности резцовых пластин из отходов быстрорежущей стали показал наличие обезуглероженного слоя глубиной 300+500 мкм. Если вычесть эту величину из значения износа на первом периоде, то полученная разница не будет превышать величину износа компактной пластины из стали Р6М5, что подтверждает равную стойкость пластин.

Следовательно, после окончательной термообработки инструмента необходимо снятие обезуглероженного слоя либо термообработку следует проводить в защитной среде.

По экспериментальным данным сделаны следующие выводы:

1) испытываемый инструмент обладает запасом стойкости равным запасу стойкости компактного материала;

2) класс чистоты обработанной поверхности не ниже класса чистоты при обработке инструментом из компактной стали стали Р6М5;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных научных исследований разработана новая технология регенерации отходов шлифовального производства, позволяющая улучшить условия труда при обработке резанием. Данная технология является безотходной, так как позволяет использовать полностью все компоненты: металлический порошок, абразивный порошок и индустриальное масло, входящее в состав СОЖ

Выполненная работа позволяет сделать следующие выводы:

1) морфология частиц шлифовального аэрозоля и их гранулометрический состав не имеют значительных отличий от частиц шлифовального шлама и он может быть утилизирован по той же технологии, что и шлам;

2) установлен химический и гранулометрический состав отходов шлифовального производства;

3) переработка шлама с помощью вакуумной дистиляции позволяет получить металлический порошок со свойствами удовлетворительными для использования в качестве сырья порошковой металлургии;

4) дезинтеграция шламовых отходов позволяет существенно повысить качество порошковых материалов;

5) предложен способ получения прессовок повышенной равнопрочности, позволяющих проводить их механическую обработку резанием до спекания;

6) исследование дисперсноупрочненных материалов, полученных из отходов шлифовального производства, показало, что они обладают свойствами, превышающими свойства литых материалов;

7) получены математические модели влияния количества связующего, времени и температуры спекания на плотность и износостойкость изделий из дисперсноупрочненных материалов;

8) по предлагаемой технологии получен инструмент из отходов шлифования стали Р6М5, который по своим свойствам не уступает инструменту из компактной стали.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Изготовление инструмента сложной формы из твердого сплава/ Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова, С.В.Щеголихина//Тезисы докладов III Зональной научно-технической конференции "Пути повышения качества и надежности инструмента" -г.Барнаул - 1989.

2. Свойства и технология изготовления инструмента из отходов шлифования быстрорежущих сталей/ Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, A.A.Передня, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова// Тезисы докладов XVI Всесоюзной научно-технической конференции "Порошковая металлургия" - Свердловск, - 1989.

3. Термопластичные полимеры в производстве твердосплавного инструмента сложной формы /В.С.Фоменко, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова, С.В.Щеголихина //Тезисы докладов XVI Всесоюзной научно-технической конференции "Порошковая металлургия" -Свердловск, - 1989.

4. Регенерация отходов шлифования быстрорежущих сталей/ Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, А.А.Передня, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова // Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции "Комплексное освоение техногенных месторождений" -Челябинск, - 1990.

5. Дисперсноупрочненный материал из отходов шлифования стали Р6М5 /Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, А.А.Передня, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова// Тезисы докладов Межреспубликанской научно -технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающий долговечность деталей машин" - Волгоград, - 1991.

6. Способ получения и термообработка инструмента из регенерированных отходов шлифования быстрорежущих сталей /Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова// Тезисы докладов Межреспубликанской научно - технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающий долговечность деталей машин" - Волгоград, -1991.

7. Влияние легирования и механоактивации порошка на свойства керамики /Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, В.Г.Чернышев, С.Б.Никифорова// Тезисы докладов Межреспубликанской научно - технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающий долговечность деталей машин"-Волгоград, - 1991.

8. Исследование физико - химических процессов и разработка технологии получения порошковых материалов, покрытий и изделий из отходов машиностроительного производства для работы в агрессивных средах/ Сборник рефератов НИР и ОКР. Серия 9. Металлургия, №11, 1991 г.

9. Способ изготовления твердосплавного инструмента сложной формы. В 22 F 1/00 /В.Г.Чернышев, Г.Л.Каяк, В.С.Фоменко, С.Б.Никифорова, С.В.Щеголихина; ДВПИ. - A.C. N 4731228/02; заявл. 22.06.89; опубл. 23.09.91 бюлл. N 35.

10. Шлифовальные аэрозоли/ С.Б.Никифорова// Материалы Международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности"/ Под ред. докт.техн.наук, проф., академика МАНЭБ В.И.Короткова - Владивосток, - 1995, с. 9 - 11.

11. Порошковые материалы, полученные из шлифовальных и гальванических шламов/ Г.Л.Каяк, С.Б.Никифорова, В.С.Фоменко, В.В.Чернышева// Материалы Международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности"/ Под ред. докт.техн.наук, проф., академика МАНЭБ В.И.Короткова - Владивосток, - 1995, с. 14 - 15.