Литые хладо- и износостойкие стали для горнодобывающей техники Сердитов Антон Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса 8

Глава 2. Методика испытаний 41

Глава 3. Разработка состава сталей для рабочего оборудования горнодобывающей техники 61

Глава 4. Фрактографическое исследование поверхности сталей при абразивном разрушении 81

Глава 5. Повышения конструкционной прочности литых хладостойких сталей и разработка технологии выплавки 106

Выводы 122

Список литературы 124

Приложения 138

• Разработка состава сталей для рабочего оборудования горнодобывающей техники
• Фрактографическое исследование поверхности сталей при абразивном разрушении
• Повышения конструкционной прочности литых хладостойких сталей и разработка технологии выплавки

Введение к работе

Актуальность работы. Особую актуальность проблема хладноломкости приобрела в связи с освоением Сибири и Крайнего Севера. Более половины территории России расположено севернее изотермы января с температурой -20С. Такие районы, как Сибирь, Заполярье, Якутия, Дальний Восток характеризуются большими запасами полезных ископаемых и перспективны в промышленном отношении.

Эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко снижается. При температурах ниже -35С во избежание крупных поломок приходится останавливать мощные экскаваторы, буровые установки, строительные машины, хотя регламентом работы северных горнодобывающих предприятий предусмотрена их круглогодичная эксплуатация. Это приводит к резкому снижению производительности карьеров в зимнее время (до 15-20%).

Основной поток отказов по износу падает на детали из литых сталей, подвергающиеся контакту с горными породами. .В зависимости от категории грунта и климатических условий стойкость зубьев ковша колеблется от 3 суток до 6 месяцев. Отказы зубьев составляют до 50 % отказов всех элементов механических систем экскаваторов, причем в холодный период эксплуатации число отказов возрастает в 2-3 раза.

Неудовлетворительная стойкость литых деталей при низких температурах приводит к простоям техники и большим экономическим потерям. Так, масса зуба экскаватора ЭКГ-10 составляет несколько сотых процента от массы всей машины, а затраты на их приобретение до 30% годовой стоимости запасных частей к этой машине. Потери усугубляются при повышении единичной мощности машин, при которых увеличиваются нагрузки на детали и стоимость часа простоя.

Снижение работоспособности обусловлено недостаточной износо- и хладостойкостью рабочего оборудования горнодобывающей техники, которое традиционно изготавливается из стали 1 ЮГ 13Л.

Этим обусловливается востребованность данной работы, которая направлена на разработку новых хладо- и износостойких сталей и решение актуальных вопросов .повышения надежности рабочего оборудования горнодобывающей техники.

В ходе работы для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

проведен анализ причин выхода из строя рабочего оборудования карьерных экскаваторов;

исследовано влияние химического состава, механических свойств и термической обработки на износостойкость различных опытных сталей, полученные результаты сравнены с данными о работоспособности применяемых в настоящее время материалов;

- проведено фрактографическое исследование'поверхностей разрушения
образцов из опытных сталей, исследованы микроструктуры и их взаимосвязь
с механическими свойствами и износостойкостью;

- разработана установка для проведения ускоренных испытаний абра
зивной износостойкости материалов рабочего оборудования горнодобы
вающей техники в различных горных породах, в том числе при низких
температурах; ' -

на основании полученных данных разработаны две новые марки износостойких и хладостойких литейных сталей для рабочего оборудования горнодобывающей техники в зависимости от характеристик добываемых пород по абразивности;

разработаны рекомендации по выбору материалов и режимам термической обработки. Утверждены технические условия на изготовление стальных фасонных отливок из предложенных марок сталей.

Научная новизна работы заключается в следующем: Исследованы износостойкие литейные стали в условиях различных абразивных материалов и температур. Построены математические модели и

графические зависимости их износостойкости от механических свойств и химического состава.

Установлено влияние легирующих элементов и термической обработки на износостойкость рабочего оборудования горнодобывающей техники, что позволило сформулировать рекомендации для выбора литейных хладо- и износостойких сталей и режимов термообработки, обеспечивающих получение необходимых свойств и структуры.

Установлены закономерности влияния механических свойств сталей на механизмы повреждения поверхностей. Показано, что чрезмерное увеличение твердости может приводить к охрупчиванию материала и выкрашиванию из поверхностей отдельных микрообъемов металла.

На основании проведенных исследований разработаны ^химические составы двух марок сталей для изготовления, рабочего оборудования горнодобывающей техники, в зависимости от характеристик добываемых пород по абразивности.

Практическая значимость работы заключается в следующем: Разработаны и запатентованы две марки литых сталей для изготовления зубьев ковшей карьерных экскаваторов в зависимости от характеристик-добываемых пород по абразивности: ЗОХГНМФЛ (пат. №2303077) - дляїмало-абразивных пород и 40Х2ГНМФЛ (пат. №2303076)- для высокоабразивных пород. Разработанные стали могут обеспечивать, повышение износостойкости, по сравнению с применяемыми в настоящее время материалами; более чем на 20 %.

Разработана установка для проведения ускоренных испытаний абразивной износостойкости материалов рабочего оборудования горнодобывающей техники при низких температурах.

Результаты исследований приняты к внедрению в ООО «ОМЗ-Спецсталь» (Ижорские заводы). Разработаны и утверждены технические условия ТУ 4112-003-33902054-2005 на опытную партию зубьев экскаваторов.

Достоверность результатов. работы-обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твердого тела, теории трения и применением современных компьютерных методов статистической обработки и моделирования. Научные положения, результаты экспериментов и выводы, полученные аналитически, подтверждены экспериментальное сопоставлены с экспериментальными и теоретическими данными, полученными другими исследователями.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 международных и российских конференциях и семинарах, в том числе: IX научно-технической* конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», СПб, 2003г.; II научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в , XXI веке», СПб, 2003г.; X научно- технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», СПб, 2004г.; ХГ научно технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации мате-риалов», СПб, 2005г.; XII научно-технической конференции^ «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», СПб, 2006г.

-і

Публикации:

9. Сердитов А.Е., Лебедев В.В., Солнцев Ю.П. Литые износостойкие стали для горнодобывающей техники, работоспособность некоторых литых деталей северной техники // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации' материалов. Сборник трудов. СПб: СПбГУНиПТ, 2003: - С. 70-77

10. Сердитов А.Е., Лебедев В.В., Солнцев Ю.П. Литые износостойкие стали для деталей северной техники // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: Сборник трудов 2-й международной конференции. ОГКк СПбГУНиПТ, 2003. Т.1. - С. 129-135

11. Сердитов А.Е., Лебедев В.В. Исследование износостойкости хладостойких литейных сталей на различных горных породах // Проблемы ресурса и

безопасной эксплуатации материалов. Сборник трудов. СПб: СПбГУ-НиПТ, 2004.-С. 97-102

4. Сердитов А.Е. Исследование сталей для литых износостойких деталей техники пищевых производств / Санкт-Петербургский гос. универс. низко-темп. и пищ. техн. - СПб, 2005. - 156 с. Деп. ВИНИТИ 07.04.2005 №465-В2005

5. Разработка и исследование литых износостойких сталей, работающих в условиях Севера и Сибири / Сердитов А.Е., Лебедев В.В., Солнцев Ю.П:, Weip Н., Kern Е. // Проблемы ресурса и безопаснойэксплуатации материалов. Сборник трудов. СПб: СПбГУНиПТ, 2005. - С. 146-151

6. Лебедев В.В., Сердитов А.Е., Солнцев Ю.П. Повышение ресурса зубьев ковшей экскаваторов северного исполнения // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов. Сборник трудов. СПб: СПбГУНиПТ, 2006. -С. 194-201

7. Сталь износостойкая ССИЛ-500: пат. 2303077 Рос. Федерация : МПК⁷ С22С 38/46/ Дурынин В.А., Лебедев В.В., Солнцев Ю.П., Сердитов-А.Е., Х.Вайс, Е.Керн, Габов В.В., Болобов В.И; заявитель и патентообладатель Общ. с огранич. ответств. «ОМЗ-Спецсталь». - № 2005132773/02; заявл. 24.10.05; опубл. 20.07.07, Бюл. №20

8. Сталь износостойкая ССИЛ-600: пат. 2303076 Рос. Федерация : МПК⁷ С22С 38/46/ Дурынин В.А., Лебедев В.В., Солнцев Ю.П., Сердитов А.Е., Х.Вайс, Е.Керн, Габов В.В., Болобов В.И; заявитель и патентообладатель Общ. с огранич. ответств. «ОМЗ-Спецсталь». - № 2005132698/02; заявл. 24.10.05; опубл. 20.07.07, Бюл. №20

9. Солнцев Ю.П., Сердитов А.Е., Лебедев В.В. Повышение ресурса литых деталей экскаваторов северного исполнения // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2007. -№3. -С. 35-39

10. Солнцев Ю.П., Андреев А.К., Сердитов А.Е. Хладостойкие и износостой
кие литейные стали. - СПб: Химиздат, 2007. -336с.

1. Глава 1. Состояние вопроса

Рабочее оборудование экскаватора включает ковш, рукоять ковша, механизм открывания ковша, стрелу с напорным механизмом и двуногую стойку. Нижний конец стрелы опирается на подпятники поворотной платформы, а верхний - поддерживается на весу канатным полиспастом (рис.1.1.).

Рис. 1.1. Внешний вид экскаватора ЭКГ (а) и ковша емкостью 10 м³ (б)

На поворотной платформе установлены подъемная лебедка, два поворотных механизма, электрооборудование, пневмосистема, двуногая стойка, стреловая лебедка и кузов.

Ковш состоит из передней и задней стенок, днища, коромысла и обоймы с уравнительным блоком. Передняя стенка из высокомарганцовистой стали 110Г13Л снабжена пятью съемными зубьями, сделанными, как правило, из той же стали. Корпус ковша соединяется пальцами с коромыслом и днищем.

На рис. 1.2. представлены основные виды отказов зубьев карьерных экскаваторов.

Рис. 1.2. Основные виды отказов зубьев карьерных экскаваторов:

а - ковш экскаватора до начала работы; б - полностью изношенный зуб ковша;

в - ковш экскаватора после эксплуатации; г - хрупкое разрушение зуба.

1.1 Абразивное изнашивание литых деталей в горных породах

Природа абразива, его химический состав, механические свойства в значительной мере определяют характер изнашивания металлов и его интенсивность. Принципиальные основы условий абразивного изнашивания и факторы, в той или иной мере влияющие на механизм и интенсивность изнашивания, рассмотрены в работах [1-12].

Физико-механические свойства абразивов обусловлены структурно-текстурными особенностями, возрастом, генезисом, условиями деформиро-

вания, наличием внутренних дефектов, неоднородностью. Характеристики свойств пород в массиве абразива ив раздробленном состоянии различны.

В отличие от металлов горные породы являются материалами ограниченной пластичности, у большинства горных пород способность к остаточным деформациям имеет место лишь в условиях всестороннего сжатия при низких скоростях распространения деформаций.

Для горных пород следует различать два вида твердости: агрегатную твердость и твердость минералов, входящих в состав этих пород, причем многие горные породы, имея равную агрегатную твердость, существенно отличаются, от твердости составляющих их минералов. Твердость различных минералов приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Твердость различных минералов

Механизм изнашивания может быть существенно различным в зависимости от характеристики изнашивающей среды - это монолит или закреплённый абразив либо незакреплённый абразив в составе перемешиваемой массы в наполнителе определённой вязкости. Большое значение имеет физико-механические свойства отдельных гранул абразива, особенно их твёрдость и прочность, форма и размер гранул [13-15]. Абразивная способность изнашивающей среды зависит от её состава и степени закреплённости в ней абразивных частиц, отражающей агрегатные состояние этой среды. Способность абразивного зерна создавать напряжения в месте контакта с рабочей поверхностью зависит как от микротвердости абразива, так и его прочности и величины нормальной нагрузки [16-19].

Барон Л.И. и Кузнецов А.В. разработали классификацию пород и минералов по абразивности (табл. 1.2.), в основу которой положили величину износа в мг.

Таблица 1.2. Классификация пород и минералов по абразивности

Известные теории трения и изнашивания могут быть классифицированы по следующим группам: механико-геометрические, например, теория сцепления и зацепления, или теории абразивного износа; деформационные; адгезионные; усталостные; основанные на изучении-процессов на молекулярном

и атомарном уровнях; математико-статистические; износ при интенсивной коррозии; комбинированные.

Классифицирование по этим группам произведено с позиций физико-механической интерпретации рассматриваемых явлений. Разработанные теории трения и изнашивания можно классифицировать также на феноменологические теории и модельные, позволяющие на практике в той или иной мере численно оценивать процессы износа [20-31].

В последнее десятилетие все большее внимание уделяется вопросу контакта твердых тел при трении с точки зрения макрофизики [32-39].

За последние десятилетия были проведены обширные исследования по установлению связи между трением и износом [40-49].

Рассматривая абразивное разрушение материалов, большинство исследователей считают, что определяющим является микрорезание или царапание их поверхности абразивными частицами. При этом иногда принимается во внимание пластическое оттеснение материала, а иногда и его упругое восстановление. Так, И.В. Крагельский [30] выделяет пять видов нарушения фрикционных связей двух контактирующих тел, три из которых (срез, упругое и пластическое оттеснение материала) могут наблюдаться при абразивном изнашивании (рис. 1.З.). При этом предполагается, что сам абразив не претерпевает изменений при контакте с металлом.

Рис. 1.3. Основные виды нарушения фрикционных связей по И.В. Крагель-скому (а - упругое оттеснение, б - пластическое оттеснение, в - срез, г - схватывание пленок, д - глубинное схватывание и вырывание).

Условия перехода от упругого оттеснения к пластическому и микрорезанию он ставит в зависимость от относительной глубины внедрения абразива в материал и величины сил адгезии. Автор подчеркивает, что срез (микрорезание) - явление редкое, так как минеральные частицы в.почве округлены и закреплены недостаточно прочно. Однако если хотя бы в одном из.ЮОСЬконтактов двух тел оно осуществится, то это обусловит ведущий вид изнашивания.

Утверждения И. В. Крагельского об относительной редкости микрорезания представляется спорным, так как образование микростружки происходит достаточно часто при изнашивании многих деталей мапшн, контактирующих с мерзлым грунтом [55]. Кроме того, по данным механиков!Полтавского FO-Ка при работе в железистом кварците скорость износа зубьев ковша экскаватора ЭКГ-10 из стали 110Г13Л составляет 0,17 кг/час. Эти данные-показывают, что в данном случае явно реализуетсямеханизмгмикрорезания [50].

Наиболее разрушительным видом износа является изнашивание поверхности материала абразивными частицами, более твердыми, чем изнашиваемый материал. Такой вид износа Б.И. Костецкий [29] называет патологическим. Именно этот вид износа приводит к снижению сроков службы различных деталей (зубья экскаваторов, ножи бульдозеров, коронки рыхлителей и т. д.), контактирующих с грунтом, особенно мерзлым.

Сложность рассмотрения закономерностей абразивного изнашивания материалов заключается в кажущейся простоте процессов, происходящих при контактировании абразивной частицы и поверхностных слоев материалов. Постоянноувеличивающееся количество исследований по данному виду изнашивания не намного приблизило нас к пониманию существа- этого явления. В настоящее время, понятие «абразивное изнашивание» еще более усложнилось по сравнению с существовавшим ранее [51-54].

Б.И. Костецкий [29] называет микрорезание катастрофическим абразивным изнашиванием. Однако абразивный износ - это гамма всевозможных

16 контактов абразивной частицы с поверхностью материала в диапазоне от простейшего упругого оттеснения до грубого резания.

Взаимодействие двух тел при абразивном изнашивании практически всегда может быть сведено к указанным И. В. Крагельским схемам нарушения фрикционных связей. При этом многократное упругое или пластическое оттеснение приводит к усталостному отслоению слоев металла или отделению их абразивными частицами. Срез происходит при однократном воздействии частицы на материал.

Исследователи по-разному представляют механизм взаимодействия абразива с изнашиваемой поверхностью. М. М. Хрущов и М.А. Бабичев [24] указывают на «два процесса, происходящих в- поверхностном слое металла: образование пластически выдавленных рисок- царапин и отделение частиц металла». П. Н. Львов [56] считает основным процессом, вызывающим изнашивание, образование пластически выдавленной царапины. Он подчеркивает, что-валики по краям образовавшейся царапины состоят аз «сильно* деформированных зерен основы и разрушенных твердых зерен».

В работах К. Веллингера и Г. Уэтца[57-60] процесс разрушения поверхт ности материалов рассматривается как микрорезание или микроцарапание. Царапание по их схеме обязательно связано с погружением.индентора (абразивного зерна) на глубину большую, чем толщина вторичных структур. Если абразивная частица не в состоянии проколоть вторичные структуры, то царапания ее наблюдается, а происходит непрерывное разрушение вторичных структур.

Абразивное изнашивание по Б.И. Костецкому - это «процесс интенсивного разрушения поверхностей деталей машин при трении скольжения, обусловленный», наличием абразивной среды в зоне трения и выражающийся в местной пластической деформации и микрорезании> абразивными частицами поверхностей трения» [29]. Автор дает две схемы контакта аб-

разива с поверхностью металла близкие к схемам К. Веллингера и Г. Уэтца (рис. 1.4.).

Рис. 1.4. Схемы абразивного разрушения металлов [31]: I - микрорезание; II - пластическое оттеснение; III - коррозионно-механическое изнашивание.

В. Н. Кащеев [28] считает, что при абразивном изнашивании в основном происходит микроцарапание. В.Д. Кузнецов [61] предлагает изучать абразивное изнашивание, приняв за основу процессы, протекающие при резании и шлифовании металлов.

Анализ работ по исследованию механизма разрушения поверхностей материалов абразивными частицами позволяет предположить, что чисто статического взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью нет. М. М. Тененбаум [26] указывает, что при внедрении абразивных зерен в поверхность (а это происходит почти при любом виде абразивного изнашивания) они разрушаются. Процесс раздробления зерна по характеру мгновенно прилагаемой энергии подобен взрыву. Следовательно, при любом виде абразивного изнашивания материал всегда взаимодействует с абразивом с некоторой степенью динамичности.

Абразивное изнашивание имеет несколько разновидностей, но в его характере воздействия на контакте можно выделить два самостоятельных элементарных этапа: прямое внедрение в поверхность и последующее переме-

18 .

щение по ней;при относительном движении;частицы?по* поверхности изнашивания. При перемещении? частицы вдоль поверхности силовое нагруже-ние, производимое ею на поверхность изнашивания, более сложное: при: контакте частицы с металлом могут развиваться* напряжения; вызывающие деформации; смятия; отрыва, среза. Сопротивление движению; частицы по; поверхности* изнашивания: не: исчерпывается: одной характеристикой механических свойств (пределами- прочности;, текучести, выносливости, сопротивлением* срезу)*или;их сочетанием.

Характер взаимодействия абразивной частицы с поверхностью изнашива-ния усложняется тем, что указанные два этапа могут проявляться одновременно.

В этом случае силовое воздействие частицы* на поверхность изнашивания неадекватно^шсложнее силового-нагружения образцов при: определении» ха-рактеристик:прочности;пластичности,.ударной вязкости. Поэтому; ни дляюдг ной из этих: характеристик не выявилась корреляционная связь с: износостойкостью сталей и сплавов под действием абразива.

Износостойкость определяетсякомплексом механических свойств, и зави- .j сит не только от прочности, но и от пластичности иударной вязкости. Различие в износостойкости сталей одного класса обусловлено' одновременным различием всех свойств, а также их структурной устойчивостью.

Из анализа схемы взаимодействия единичной; абразивной^ частицы с по-верхностью изнашивания ясно; что износостойкость сталей при абразивном изнашивании в: условиях трения: скольжения одной из характеристик механических свойств стали определяться не будет.

Характер деформаций в зоне контакта частицы с поверхностью изнашивания

В механизме внешнесилового воздействия твердой абразивной частицы на поверхность изнашивания при скольжении можно выделить два.этапа (рис. 1.5.)

о) 3)

Рис. 1.5. Схема контактного взаимодействия абразивной частицы с изнашиваемой поверхностью: а - радиальное внедрение; б - перемещение по поверхности

Первый этап характеризуется воздействием абразивной частицы на поверхность изнашивания и завершается ее внедрением в металл поверхностного слоя, при этом твердость и прочность абразивной частицы должны быть выше твердости металла изнашиваемой поверхности. На втором этапе абразивная частица, внедрившись в металл на определенную глубину, совершает поступательное перемещение по поверхности изнашивания, осуществляя при этом сложное полидеформационное разрушение путем пластического деформирования, микрорезания, упругого оттеснения и т. д.

В конечном счете, особенности этого взаимодействия и предопределяют природу, механизм изнашивания поверхностного слоя металла в зоне истирания.

В зависимости от сочетания различных факторов деформация в зоне контакта абразивной частицы с металлом может быть упругой или пластической [62].

Если рассматривать движение абразивной частицы в виде индентора с возможностью микрорежущего воздействия на поверхность изнашивания, то в его окрестности можно предположить две зоны: зону сжатия и зону растяжения; в пределах этих зон действуют напряжения смятия, отрыва и сдвига (среза) [63,64,69].

Развитие этих процессов постепенно переходит в конечную фазу - зону формирования и отделения продуктов изнашивания.

В свою очередь форма частиц износа будет зависеть от свойств структуры металла: это стружковидные частицы, частицы выкрашивания и частицьь в виде объемов ^металла, образовавшихся при сдвиговых процессах [65].

Все эти варианты формирования частиц износа могут завершаться на последней стадии раздельно или совместно, учитывая исключительную сложность природьъих развития [66].

Попытки расчетными методами оценить степень пластической" деформации на контакте имеют несколько различных подходов, но^? пользоваться ими на инженерном уровне сложно, а главное, они не обеспечивают той достоверности, которую можно брать, за основу при расчете износостойкости машин [67,68].

Таким образом, в целом под абразивным изнашиванием большинство авторов понимают разрушение поверхности материалов (деталей) резанием или царапанием твердыми абразивными частицами. В этом случае резание -это процесс удаления некоторого объема'материала при однократном действии абразивной частицы, а царапание - процесс, полностью или частично включающий передеформирование материала с последующим его разрушением в результате усталостных явлений, т. е. процесс, происходящий при многократном воздействии абразивных частиц. Однако это определение не полностью отражает сущность явления. Так, абразивная частица, внедряемая в материал под действием нормальной силы, не производит ни резания, ни

... 21

царапания его поверхности. Тем не менее, разрушение материала все-таки происходит.

1.2 Ударто абразиву

Явление удара в. отдельных зонах наблюдается также при скольжении и качении твердых тел. При внешнем трении соударяются, отдельные участки поверхностей (неровности профиля). Однако отдельные участки контакта и соударяющиеся массы в этом случае имеют статистическое распределение.

Для; исследования и анализа- ударного^; процесса соударения используют следующие разделы теории:

1) общую экспериментальную теорию удара, основанную на законах
действия сил, энергии и импульса силы [70/71];

2. теорию пластического у дара Майера [72-74]; :

3. теорию упругого удара Рерца; [73, 72, 75-77 ];

4. обобщенное волновое уравнение теоретической физики [71С] длядудара шара по стержню [72, 73 j 78];

5. теорию текучести при ударе [72]; г

6. теорию прочности при ударе [79,80]

7. теорию дислокаций при механическом нагружении [80,81];

8. рассеяние энергии при механическом нагружении [82, 83],, в особенности при ударе [70];

9. общую теорию изнашивания при механическом нагружении [20];

10) теорию усталости [20].
Классификация видов изнашивания при ударе

По классификации, разработанной впервые в работах [84-86], различают ударно-абразивное, ударно-гидроабразивное, ударно-усталостное и ударно-тепловое изнашивание. В данном случае, наибольший интерес представляет ударно-абразивное изнашивание.

'. 22

Ударно-абразивное изнашивание происходит при ударе по^: твердым; частицам, способным поражать поверхность контактирования путем-образования на; ней лунок- следов прямого динамического внедрения этих частиц. Качественным признаком ударно-абразивного изнашивания; является* специфическая поверхность, представляющая: собой? сочетание: лунок: различной; формы и размеров. При ударно-абразивном изнашивании нет рисок,.что указывает на невозможность относительного; перемещения-: твердых частиц вдоль этой поверхности.

Твердые; частицы, вызывающие при ударе^; по; ним? ударно-абразивное из- нашивание, могут быть, различного- происхождения;. Обычно это минеральные абразивные частицы, более твердые, чем поверхность детали-. свободно расположенные в зоне контакта или находящиеся^ монолите.

В; основе механизма ударно-абразивного; изнашивания лежат прямое внег дрение в металл, твердой; частицы;; и* связанная' с; ним: деформация^ завершающаяся разрушением; микрообъемов? металла и: образованием; лунки- и; частиц износа.. Твердая; частица, внедряясь в, ранее образованную лунку, стремится: сдвинуть металл перемычек путем г повторного? деформирования; или хрупкого выкрашиваниям зависимости от его;механических свойств. При снижении энергии удара сдвиговые процессы;в;зоне контакта, обусловливающие износ, постепенно ослабевают. При определенном внешнем; силовом воздействии на поверхность контакта.внедрение;твердой; частицы аналогично действию индентора при соответствующих методах определения твердости.

1.3 Низкая температура и абразивная износостойкость металлов

В работах [71, 87-90] рассмотрены вопросы исследования?температуры при трении твердых тел. Пока лишь по косвенным признакам можно-судить о влиянии низких температур на износостойкость металлов. TaKj срок службы кремальерных шестерен экскаваторов ЭКГ-4 в зимний период составляет 5-6

мес, в летний период- 8-9 мес. Зимой «увеличивается расход запчастей даже тех деталей, разрушения которых при понижении температуры не происходит. Например, удельный расход зубьев экскаватора ЭКГ-8 при понижении температуры увеличивается почти в 3 раза (табл. 1.3). При этом доля разрушившихся зубьев: резко возрастает, и в интервале температур от -30 до -45С она превышает 50% их удельного расхода на 1 тыс тонн горной массы. Расход нормально износившихся зубьев с понижением температуры увеличивается почти в 2 раза.

Расход зубьев экскаватора ЭКГ-8 при разных температурах на 1 тыс. т горной массы представлен в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Расход,зубьев экскаватора ЭКГ-8 при разных температурах

Это указывает на снижение износостойкости стали, так как нельзя ожидать резкого увеличения абразивной способности горных пород при понижении температуры.

Работы, посвященные абразивному изнашиванию, устанавливают закономерности и ряды износостойкости при нормальных (+20С), а иногда и при высоких температурах испытаний. Исследований по установлению функциональной связи износ - низкая температура при абразивном изнашивании практически нет. Основные задачи таких исследований были сформулированы в работе [91]. Для других схем испытаний (при трении металлических по-

верхностей) аналогичные задачи определены, в работе [92], где показано снижение износостойкости стали 45 при понижении температуры.

В работе [93] исследовано изнашивание стали Ст. 3 при трении о мерзлый грунт и показано, что износ этих материалов при.температурах до -25С возрастает более чем. в 200' раз. по сравнению с износом при температуре +20С. Автор объясняет это явление повышением закрепленности абразивных частиц в грунте.

В ряде других работ высказывается противоположная» точка зрения [94-97]. -

Таким образом, в литературе очень мало сведений о влиянии низкой температуры на износостойкость сталей. Не установлено, при^ каких схемах взаимодействия абразив.- сталь влияние температуры наиболее существенно, а также влияет ли изменение пластических и вязких свойств сталей на их износостойкость при отрицательных температурах.

Исходя из известных положений^ о повышения^ предела прочности, предела текучести и твердости сталей при понижении температуры, вопрос об ухудшении их износостойкости в этом случае представляется достаточно неясным. Тем не менее, такая характеристика стали, как ударная вязкость, не может не оказать определенного влияния на изменение износостойкости [56]. Если же учесть, что низкая температура существенно снижает вязкость сталей, особенно после предварительного циклического нагружения, то постановка исследований по выявлению влияния температуры на абразивное изнашивание различных материалов вполне правомерна.

1.4 Требования к зубьям ковшей экскаваторов

При разработке требований к зубьям ковшей» экскаваторов исследователи сталкиваются с проблемой сложности определения действующих напряжений. Сотрудниками Брянского государственного технического университета при помощи программного комплекса DSMFem методом конечных

элементов был проведен расчет напряженно-деформированного состояния зуба ковша экскаватора [126], который показал, что в отдельных зонах зуба напряжения могут достигать значений порядка 120-125 МПа при статическом приложении нагрузки. Однако следует учитывать, что зубья, ковшей экскаваторов изготавливаются-литьем и, соответственно, имеют более крупное зерно, отличаются сильной исходной поврежденностью в виде микропор, раковин и трещин. Известно, что в концентрации напряжений в устьях дефектов могут в несколько раз превосходить напряжения-в-самой детали [127]. Именно они и являютсяисточником зарождения, трещин.

Анализ опыта эксплуатации дает некоторую информацию относительно стойкости зубьев с различными механическими свойствами, однако до сих пор не существует научно обоснованных требований к выбору материала для зубьев ковшей экскаваторов, а существующая нормативно-техническая база крайне слаба и требует серьезной переработки.

В работе [128]' были проанализированы причины разрушений зубьев и показано, что очагом в большинстве случаев являются дефекты - раковины, несплошности и макротрещины. Физическая природа таких дефектов различна и обусловлена как неправильно подобранными режимами выплавки и термообработки, так и неудовлетворительными свойствами применяемого материала (недостаточной трещиностойкостью).

Для определения основных технических требований к параметрам механических свойств стального литья авторами работы был учтен опыт эксплуатации, а также результаты экспериментальных исследований.

Необходимый нижний уровень предела прочности устанавливался, экспериментальным путем, т.е. изучением видов¹ повреждений (в частности, склонности к хрупким разрушениям и пластической деформации режущей части зуба). Для этой цели были испытаны зубья, материал которых имел различные уровни значений предела прочности ст_в, а именно: 600-800, 950-1100, 1000-1200, 1200-1400 МПа и более. В результате у зубьев, изготовлен-

ных из стального литья с пределом прочности в диапазоне 600-800 МПа основным видом повреждений являлась пластическая деформация режущей части, а с пределом прочности в диапазоне 1200-1400 МПа и более - хрупкое разрушение (Рис. 1.6).

б.'геооггпа

0,'lSOO-rSOOfina

I X^х

6_t'600-700ff/!a

6,-ЙОО-- 700 ППС

6_в -7М0'-

" -иооть

6,'ttOO-3SO/Ma J,

о/ аг o.j о.* ксо ч>пдя/п'
I I I I I I I

OJO 0.Г5 0,20 0.21 КС,.НДя/н*
Хрупкое разрушете і \ I

ММчИРМН? переход І Пластическая деформация

Рис. 1.6 Склонность зубьев ковшей экскаваторов к разрушению при низких температурах

По результатам эксперимента был сделан вывод, что рациональное значение предела прочности должно находиться в пределах 950-1100 МПа, твердость 30-38 HRC. Однако, такие требования к твердости не всегда оправданы т.к. даже среднеабразивные гонные породы оказываются тверже сталей с такими характеристиками.

Кроме того, при определении химического состава и вида термической обработки зубьев необходимо иметь высокие значения работы развития трещин [129]. Из опытных и литературных данных указанный показатель дол-жен быть в пределах 20-25 Дж/см .

Таким образом, на основании анализа литературных и статистических данных определены требования к сталям для зубьев ковшей экскаваторов. Значения предела прочности а_в должно находится в пределах 950-1100 МПа, твердость 30-38 HRC, KCV"^40C> 25 Дж/см² .

1.5 Материалы, применяемые для заготовления рабочего оборудования горнодобывающей техники

1.5.1 Зарубежные стали

Японская фирма "Сумитомо-Марион" для изготовления высоконагру-женных деталей экскаваторов 201M-SS и 204М применяет стальное литье десяти разных марок [98].

Для ударников, молотков и щековых плит дробилок фирмы Японии рекомендуют сталь SCMnHl 1 (типа НОГ 13X2Л) и гусеничных звеньев SCMnH21 (типа 115Г13Х2ФЛ). Данные стали, обладают более высоким уровнем прочности и пластичности, чем классическая сталь SCMnHl (110Г13Л).

Учитывая высокую экологическую опасность, стали Гадфильда и ее модификаций, для работы в условиях абразивного износа японскими стандартами рекомендуется углеродистые и низколегированные стали SC5 (типа 45Л), SCMn5 (типа 45Г2СЛ), SCMnCr4 (типа 40Г2ХСЛ). Для более высокопрочного состояния предлагаются, стали SCMnCrM3 (типа 35Г2ХМЛ) и SCNCrM2 (30Н2ГХМЛ).

Опыт зарубежных фирм «SUMITOMO» (Япония), «HARNISFEGER» (США), «MARION» (США), «DEMAG-KAMATSU» (Германия) показывает, что зубья изготовляются из низколегированных сталей с добавками хрома, никеля, молибдена, титана. Применение высокопрочных сталей может снизить металлоемкость ковшей в среднем на 25-30%.

Наибольший интерес представляют стали марок CFE и CFE-S, имеющие следующий химический состав: 0,28-0,33 % С, 0,60-0,90 % Мп, 0,30-0,60 % Si; 1,65-2,00 % N1, 0,70-0,90 % Cr, 0,20-0,30 % Mo, < 0,04 % P и S (каждого). Из этих сталей изготовляют зубья ковшей экскаваторов, гусеничные траки,

опорные катки, рельсовый поворотный круг, т.е. детали, испытывающие высокие статические и динамические нагрузки.

По данным сертификатов, эти стали следует подвергать термической обработке по режиму: нормализация при 900С, закалка* с 900 С и отпуск при 593* (сталь CFE) или*510С (сталь CFE-S); В'соответствии с применяемым режимом термической обработки несколько различаются и требования к механическим характеристикам эти* сталей. Так, для стали марки CFE минимальные значения^ механических свойств должны быть следующие: а_т = 773 МПа; о_в = 914 МПа;'5= 15 %; \|/ =30 %; KCV"⁴⁰ = 20,7 Дж/см². Фактические же значения механических свойств этой стали, из которой были- изготовлены гусеничные траки, находились в следующих пределах: ст_т = 826 - 882 МПа; ст_в = 978 - 1054 МПа; 5 = 15,7 - 20,9 %; \|/ = 32,0 - 43,1 %; KCV"⁴⁰ = 27 -42 Дж/см² [98].

Сталь GFE-S благодаря более низкому отпуску (по сравнению со сталью CFE) имеет несколько более * высокие прочностные свойства. При этом минимальные значения механических свойств должны составлять: с_т = 949 МПа; о_в = 1090 МПа; 5 = 10%; у = 22%; KCV⁴⁰ = 20,7 Дж/см². По данным сертификата, реальные механические свойства стали, из которой изготовлены опорные катки и звездочки хода; имели следующие значения: а_т = 998 -1056 МПа; а_в = 1152 - 1197 МПа; 5 = 13,1 - 16,8 %; у = 30,5 - 35,1 %; KCV⁴⁰ = 27 - 32 Дж/см . Фактическое содержание фосфора и серы встали марок CFE и CFE-S значительно ниже максимально допустимого и составляет: фосфора - 0,014-0,027 %; серы - 0,015-0,017 % [98].

Химический состав зарубежных сталей для зубьев ковша экскаватора приведен в табл. 1.4.

29 '....

Таблица 1.4. Химический состав*зарубежных сталей для зубьев ковша экскаватора?

Механические: свойства зарубежных: сталей; для: зубьев; ковша: экскаваторам приведены в табл. 1.5 :

Таблица 1.5. Механические свойства зарубежных сталей для зубьев ковша экскаватора

Примечание: * температура испытаний минус 50 С.

Если обобщить требования зарубежных стандартов, то можно сделать заключение о том, что углеродистые стали для отливок рекомендуется эксплуатировать до температур не ниже -(30-40)С. При температурах эксплуатации до -50С используют стали, легированные 0,45-0,65 % Мо, а стали, легированные 2-4 % Ni, применяют при рабочей температуре до'-60 С. В эти стали иногда добавляют до 2 % Сг. Использование никеля и молибдена в качестве легирующих элементов повышает стоимость,шихты для производства стали. Достигаемая при этом достаточно высокая хладостойкость сталей позволяет предусмотреть возможность плавки металла с менее тщательной очисткой его от вредных примесей (предельная концентрация фосфора и' се-ры до 0,04 %), что упрощает и удешевляет сталеплавильный процесс.

Как правило, зарубежные стандарты не регламентируют режим термической обработки; при этом указывается, что отливки могут быть подвергнуты любому из следующих видов термической обработки: отжигу, нормализации, нормализации и отпуску, закалке и отпуску.

Во всех анализируемых стандартах в качестве критерия хладостойкости стали принято определенное количество энергии, поглощенной при ударном-изгибе образцов Шарпи при заданной температуре эксплуатации. Предельные значения принятого критерия хладостойкости стали при различных рабочих температурах и прочностях обосновываются, хотя и не совсем убедительно, соотношением вязкой и хрупкой составляющих в изломах образцов.

Ударный изгиб в соответствии со всеми зарубежными стандартами следует проводить только на образцах с острым надрезом при заданной температуре, близкой к температуре эксплуатации. Обычно применяют три образца, причем среднее количество поглощенной энергии в этом случае не должно быть ниже указанного в стандарте. Допускается не более одного значения ниже заданного и не допускается ни одного значения ниже минимума для случая, когда испытания проводятся с использованием только одного образца.

Технологические рекомендации в зарубежных стандартах отражены в минимальном объеме, так как технология производства на отдельных предприятиях часто* является секретом фирмы и не подлежит государственной инспекции. Стандартами многих стран предусмотрен выбор технологии производства и обработки отливок по соглашению между заказчиком и изготовителем, а в соответствии, со стандартами некоторых стран* (например, Франции) технологические вопросы являются компетенцией только изготовителя.

1і5.2 Отечественные¹ стали

В России требования к хладостойким литейным сталям регламентированы ГОСТ 21357-87. В стандарте предусматривается использование освоенных промышленностью экономнолегированных сталей, в том числе с карбонитридным упрочнением, отливки из которых успешно эксплуатируются в зонах с холодным климатом. Содержание серы и фосфора* в ГОСТ 2 КЗ 57-87 ограниченО'0,020% каждого «элемента. В, случае обеспечения заданных ме- . ханических характеристик допускается иметь в сталях концентрацию серы и> фосфора до 0,030 % каждого.

Необходимо отметить, что для выполнения требований по хладостойко-сти принципиальное значение имеют не только абсолютное содержание серы и фосфора в'указанных пределах, но и химический состав стали, технология ее выплавки, раскисления, модифицирования, термической обработки. При содержании, серы и фосфора в пределах, допустимых стандартом, и при выполнении всех требований по изготовлению отливок влияние вредных примесей'сводится до минимума, что позволяет получать-необходимую хладо-стойкость.

ГОСТ 21357-87 предусматривает проводить испытания на ударную вязкость на образцах типа 11 по ГОСТ 9454-78 при-температуре -60 С, что позволяет более надежно оценивать склонность стали к хрупкому разрушению,

а следовательно, качество хладостойких отливок. Ниже приведены краткие сведения о литых износостойких сталях, включенных в ГОСТ 21357-87.

Высокопрочная сталь 27ХН2МФЛ разработана Институтом горного дела им. А.А.Скочинского. Оптимальный химический состав по, ГОСТ 21357-87 следующий, %: 0,23-0,30 С; 0,60-0,90 Mn; 0,20-0,42 Si; 0,80-1,20 Сг; 1,65-2,00 Ni; 0,30-0,50 Mo; 0,08-0,15 V; до 0,30 Си; до 0,020 Р; до 0,020 S.

Назначение. Сталь применяют в улучшенном состоянии для изготовления цельнолитых зубьев и элементов их крепления (скоб, клиньев) одноковшовых экскаваторов. Опыт эксплуатации зубьев ковшей мощных экскаваторов показал, что из стали 27ХН2МФЛ можно изготовлять и другие детали и элементы карьерных и роторных экскаваторов, испытывающие динамические нагрузки в условиях низких климатических температур (опорные ролики, гусеничные звенья и др.).

Механические свойства. Сталь обладает высокими механическими свойствами: а_т = 800 МПа; а_в = 1000 МПа; 5 = 10 %; \|/ = 22 %; KCV"⁶⁰ = 20 Дж/см²; KCU"⁶⁰ = 30 Дж/см².

Эксплуатационные особенности. Сталь обладает высокой стойкостью к динамическим нагрузкам и абразивному изнашиванию при низких температурах. Высокие значения хладостойкое существенно повысили работоспособность отечественных зубьев ковшей, установленных на импортные экскаваторы 201М и 204М, эксплуатируемые в условиях Якутии (табл. 1.6).

Таблица 1.6. Характеристики долговечности зубьев ковшей

Низкоуглеродистая сталь 30ХГ2СТЛ обладает повышенной прочностью-и высоким уровнем хладостойкости. Разработана Запорожским машиностроительным институтоміимі В.Я;Чубаря. Сталь имеет еле дующий химический; состав^ по ГОСТ 21357-87, %: 0,25-0,35 С; 1^50-1,80 Mn; 0,40-0,80 Si; 0,60-1,00 Сг; 0,01-0,04 Ті; до 0,30 Ni; до 0,020 Р; до 0,020 S; 0,02-0,05 РЗМ-(иттрий, церий и др.).

Назначение. Сталь используют в нормализованном и улучшенном состоянии для изготовления деталей, работающих в условиях низких температур при статических, динамических и циклических нагрузках. Высокие сопротивления низкотемпературному разрушению и эксплуатационные свойства стали позволили повысить стойкость деталей оборудования: и< машин на 25-50- %, сократить число аварийных поломок, увеличить межремонтные циклы.

Износостойкие стали- аустенитиого класса типа 1 ЮГ 13Л и ее аналоги, обладающие высокой хладостойкостью. Сталь Г10Г13ХБРЛ разработана в

Томском государственном университете совместно с Рубцовским заводом тракторных запасных частей. Химический состав сталей по ГОСТ 21357-87, %:

сталь 110Г13Л: 0,90-1,20 С; 11,5-14,5 Mn; 0,40-0,90 Si; < 0,30 Cr,Ni и Си; ' сталь 110Г13ХБРЛ: 0,90-1,30 С; 11,5-14,5 Mn; 0,30-0,90 Si; < 0,30 Ni и Си; 0,8-1,5 Сг; 0,002-0,005 В; 0,06-0,10 Nb.

По согласованию изготовителя с потребителем содержание серы допускается до 0,030, а фосфора - до 0,080 %. Для< повышения износостойкостагот-ливок из стали 110Г13Л допускается микролегирование ее титаном (до 0,05 %), ванадием (до 0,30 %), молибденом (до 0,20 %). Легирование хромом (до 1,5 %) повышает прочностные свойства и износостойкость стали, при большем его содержании образуются сложные карбиды, что может вызвать появление трещин на отливках, уменьшение ударной вязкости стали, ухудшение ее свариваемости. При микролегировании ванадием' (до 0,3 %) повышение прочностных свойств, как правило, не сопровождается снижением хладо-стойкости. Вместе с тем износостойкость стали возрастает на 30 % и более.

В работе [99] изучено влияние легирования ванадием на сопротивление износу, ударную вязкость и твердость стали типа 110Г13Л. Установлено, что добавка 2 % V приводит к пятикратному повышению сопротивления износу при сохранении ударной вязкости. Молибден действует, как хром, но влияет более сильно, причем гарантируется хорошая вязкость также при повышенном содержании углерода, т.е. при одновременном улучшении износостойкости. Добавки Ті, В и РЗМ измельчают зерно, улучшают состав, форму и распределение фаз, выделяющихся при затвердевании.

Назначение. Высокомарганцевые стали используют в закаленном состоянии для изготовления деталей, работающих в условиях низких температур, ударных нагрузок и абразивного износа. Их применяют для изготовления зубьев, рабочих органов дробильного оборудования и^т.п.

Рекомендуемый режим термической обработки сталей 110Г13Л и 110Г13ХБРЛ - закалка с 1050-1100 С в воду. Следует отметить, что столбчатая и дендритная структуры полностью не устраняются при термообработке, и отрицательно сказываются на ударной вязкости стали, устойчивости ее против абразивного изнашивания и динамических нагрузок.

Механические свойства сталей после термической обработки представлены в табл. 1.7.

Таблица 1.7. Механические свойства стали 110Г13Л и 110Г13ХБРЛ (не менее)

Эксплуатационные особенности.

Высокомарганцевые стали обладают способностью сильно наклёпываться при ударных и больших деформационных нагрузках, что приводит к возрастанию поверхностной твердости литых деталей в 2-2,5 раза. При отсутствии указанных условий эксплуатации износостойкость данного типа сталей практически не отличается от износостойкости обычных углеродистых сталей.

Анализ причин выхода из строя рабочих органов горнодобывающей техники, изготовленных из стали 110Г13Л

На сегодняшний день наиболее часто рабочие органы горнодобывающей техники в т.ч. зубья ковшей экскаваторов изготавливают из стали 110Г13Л. Основным легирующим элементом стали 110Г13Л является марганец. Легирование марганцем может проводится как с помощью ферромарганца, так и металлическим марганцем. С экономической точки зрения наи-

более часто используется высокоуглеродистый ферромарганец с массовой долей углерода 7% и 0,30-0,70% фосфора (ФМн70 ГОСТ 4755-91). Однако при использовании высокоуглеродистого ферромарганца в структуре стали появляется карбофосфидые выделения (рис. 1.7), которые оказывают отрицательное влияние на хладостойкость, в результате чего реализуется механизм хрупкого разрушения в стали с аустенитной структурой.

Рис. 1.7 Микроструктура стали 110Г13Л с выделениями карбофосфидной эвтектики по границам зерен, хЮО

Для оценки износостойкости зубьев ковшей экскаваторов, изготовленных из стали 110Г13Л был проведен анализ условий работы экскаваторов типа ЭКГ.

Для карьерных экскаваторов типа ЭКГ с реечным или канатным напорным механизмом основным параметром, определяющим нагрузки на рабочий орган, является наибольшее усилие на подвеске ковша, которое в зависимости от типа экскаватора может колебаться от 490 кН (для экскаватора ЭКГ-5) до 2000 кН (для экскаватора ЭКГ-20), при этом следует ожидать, что максимальные нагрузки должны испытывать зубья ковша.

Допустим, что все зубья одновременно врезаются в абсолютно жесткую не деформирующуюся породу со скоростью 1,2 м/с с усилием, соответствующим наибольшему на подвеске ковша. По своей конструкции все ковши однотипны и оснащены 5 зубьями. Для определения максимальных напряжений на поверхности зубьев в процессе экскавации были проведены следующие расчеты на примере экскаватора ЭКГ-10. В качестве допущений были приняты следующие положения: наибольшее усилие на подвеске ков-

.-..',. 37 .

ша - 980 кЩ количество? зубьев - 5 штук,, ширина зуба - 170? мм, толщина поверхности;контактирующей с породой - 10 мм.

Исходя'из этих условий, в момент касания зубьями; породышапряжения составят ПЗМИа.

Сопоставив полученное значение с условным: пределOMt текучести стали- И OF 13 Л*. ct₀₎2=360-380 МПа установили; что онш составляют менее; 30% от величины^ обеспечивающей остаточную деформацию 0;2%...

Для; учета динамики нагружения- коэффициент приняли равным;: 1-,51 [:101]. Таким;образом;, эта величина не¹ превышает предела текучести, определяемому по степени деформации 0,2%.

Для; определения;/влияния степени деформации на твердость стали-110ШЗЛ были, проведены, следующие эксперименты. На испытательной? машине'Instron в образец из стали? 1U0F13JI:с усилием соответствующим напряжениям 112 МШа; (образец 1); и- 622!МШа(образец: 2) был внедрена инден-тор сечением 11x11 мм из стали: 45Х5М1Ф1^:ЄА'ч закаленной* на-твердость HRC 55і После нагружения- место контакта- было обследовано и замерена-твердо сть по Виккерсу. В і результате испытаний і на образце 1 следов вдавливания' не было обнаружено и твердость составила HV 225; На:образце, 2. обнаружены следы вдавливания глубиной; 0-07 мм; ш твердость составила! HV 230; то есть практически не изменилась.

Для» определения* глубины деформации, позволяющей получить существенное увеличение твердости, было проведено вдавливание индентора в образец: из стали 1 ЮГ 13 Л. В'результате эксперимента был получен: отпечаток глубиной: 1 мм, напряжения составили 2050ЖПаї.

Для: определения твердости на отпечатка было: проведено> измерение твердости по методу Бринеля. Вдавливался шарик диаметром 5 мм-с нагрузкой 7,5 кН при:этом диаметр отпечатка составил 1,5 мм;. что<соответствует напряжениям твердости 418 НВ. Таким образом, для, существенного повы-

шения поверхностной твердости необходима деформация на глубину не менее 1 мм, для чего напряжения должны быть не менее 2050 МПа.

Однако для экскаваторов типа ЭКГ-10 такое невозможно, так как усилие на* подвеске ковша должно было бы быть. 17420 кН вместо 980 кН по конструкции и, кроме того, взорванная порода не обладает абсолютной жесткостью, то есть часть энергии удара ею поглощается.

Результаты экспериментов приведеньгна рис. 1.8.

20.00 3000 40.00

Діформацкя (сжетіде), %

Рис. 1.8. Влияние степени деформации на твердость стали 110Г13Л Д - деформация, %; R - коэффициент корреляции

Из изложенного следует, что при существующих конструкции и нагрузках на экскаваторе ЭКГ-10 в зубьях ковша из стали ПОПЗЛ'не следует ожидать существенного наклепа. Этим и объясняется низкая износостойкость зубьев из стали 110Г13Л в среде железистых кварцитов Полтавского ГОКа, где скорость износа составляет 0,17 кг/ч.

Также полученные данные подтверждаются результатами, замеров твердости на наружной поверхности передней стенки ковша экскаватора ЭКГ-10, отработавшей в ОАО «Качканарский ГОК» и изготовленной из стали ПОГІЗЛі В: местах контакта с горной породой твердость > стали составляла не более 240 НВ.

Кроме того, сталь Гадфильда и все ее современные модификации являются экологически опасными при выплавке и ремонте сваркой, так, например, при сварке плавлением содержание оксида марганца более чем в 4 раза превышает предельно допустимые нормы. Соединения марганца являются

сильными протоплазматическими ядами. Обладают кумулятивным свойством - откладываются в печени, почках, костях, эндокринных железах, головном и спинном мозге. Оказывают общетоксическое действие с преимущественным поражением сосудистой системы и центральной нервной системы, вызывая в ней органические изменения.

Предпринимались неоднократные попытки оптимизации методами* планирования¹ эксперимента химического состава износостойкого металла. Однако при этом минералогический, гранулометрический, химический состав и прочностные характеристики изнашивающей среды, а также условия изнашивания (давление и температура) принимались постоянными и считались критериальными факторами; накладывающими определенные ограничения. Поэтому хотя целью поиска состава износостойкого материала, проведенного многими авторами, была, максимальная износостойкость, химический состав, разработанный каждым из исследователей' получался существенно различным; При этом оптимизация проводилась вполне корректно в соответствии со всеми известными рекомендациями по¹ планированию и> обработке экспериментов. Это вполне объяснимо, т.к. каждый из исследователей разрабатывал износостойкий материал для сугубо частных условий работы конкретной детали. Даже малейшие отклонения от одного из'параметров этих частных случаев делает полученные рекомендации по химическому составу, свойствам сплава непригодными для использования их для других условий изнашивания и требуют нового цикла планирования эксперимента при тех же подходах к решению проблемы износостойкости; Поэтому задача- получения оптимального состава износостойкого сплава имеет бесконечно большое количество решений, каждое из которых справедливо только для какой-либо одной детали из бесконечно большого количества реально существующих деталей, изнашиваемых в своих частных условиях при взаимодействии с конкретной изнашивающей средой.

Публикуемые в большинстве литературы данные о выборе легирующих элементов и вариантов легирования, справедливые только для ограниченных обстоятельств, оказываются часто противоречивыми. Одни и те же сплавы, проявляющие высокую износостойкость в одних условиях, оказывают слабую сопротивляемость изнашиванию в других. Многочисленные публикации производственно-технического порядка по износостойкости отдельных конкретных изделий ещё требуют дальнейшего анализа и обобщений.

Таким образом, многообразие условий эксплуатации, размеров деталей и их форм не позволяют выбрать определенную известную композицию стали.

Целью настоящей работы является разработка химического состава литых хладостойких сталей для горнодобывающей техники и разработка технологии их производства.

2. Глава 2. Методика испытаний

Для изучения механических свойств использовались стандартные пропорциональные образцы первого типа по ГОСТ 22706-77. Все испытания проводили по принятым для этих видов испытаний стандартов ГОСТ 1497-73, ГОСТ 1150-75, ГОСТ 22706-77, ГОСТ 9454-78_vrOCT 22848-77.

В работе были использованы как стали промышленнойшлавки, в.частности, материалы рабочего оборудования горнодобывающей; техники после эксплуатации, так и опытные плавки, которые, были выплавлены на ОАО «Ижорские заводы» в_; открытой: высокочастотной индукционной печи с основной футеровкой. Температура стали при выпуске из печи 1600-1610 С, температура разливки около 1550 С. Предварительное раскисление в печи осуществляли 45 % ферросилицием. Для окончательного раскисления на дно ковша помещали 0;1 % А1 от массы металла. Разливка осуществлялась заполнением предварительно просушенных песчано-глинистых форм. Бруски;подвергались гомогенизации при температуре 1100 - 1120 С, в течении 0,5 ч., закалке с*температуры 890-920С с охлаждением в масле с последующим отпуском при температуре 200С и 600С.

В исследовании использовались микроскопы МОИМ-8, ММР-2 и электронный микроскоп JSM-3 5.

2.1 Классификация методов испытаний на абразивное изнашивание

Анализ показывает, что в настоящее время отсутствуют как общие, так и частные теории трения и изнашивания, которые были бы развиты настолько хорошо, что могли бы быть использованы для расчета конкретных сопряжений. Более того, в настоящее время отсутствуют общепризнанные методы испытаний, хотя первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Принципиально все методы испытаний подразделяются на лабораторные и эксплуатационные. При этом могут быть собственно лабораторные методы и стендовые. Стендовые методы испытаний должны имитировать ос-

новные эксплуатационные условия работы деталей машин. Собственно лабораторные методы испытаний устанавливают только общие закономерности поведения материалов в тех или иных условиях.

Классификация лабораторных методов (способов) и видов испытаний материалов на абразивное изнашивание применительно к системе абразив -материал предусматривает, что в каждом виде испытаний в зависимости от направления взаимодействия абразива с материалом под действием нагрузки возможны трение, трение с ударом и удар [24, 52, 151, 152] (рис. 2.1.).

Методы испытаний на износ

Закрепленный абразив

Полузакрепленный абразив

Свободный абразив

Виды испытаний

Единичный абразив

Абразивная поверхность

Единичный

абразив

Абразивная

поверхность

Абразивная струя

Абразивная масса

Типы испытаний

Трение

Трение с ударом

Удар

Рис. 2.1. Классификация методов и видов испытаний на абразивное изнашивание для трехкомпонентных систем

Предложенная классификация допускает также получение однотипного характера поверхности исследуемых материалов при разных методах и видах испытаний. Это означает, что при создании соответствующих нагрузок и скоростей их приложения характер разрушения поверхности материала при трении об абразивную поверхность может быть идентичен характеру разру-

шения при действии абразивной струи. При таком подходе к классификации появляется возможность сравнивать результаты, полученные разными методами испытаний.

Метод испытания материалов на изнашивание при трении о закрепленный абразив наиболее распространен и изучен по своим режимам. Этим методом испытываются материалы при нормальных температурах (ГОСТ 17367-71). Однако пользоваться названным стандартом для испытаний при низких температурах нельзя, так как принятые в нем режимы не проверены в этих условиях.

Кроме изнашивающей способности абразива, при разработке устано-, вок для испытаний следует учитывать скорости трения. Как показано в работе [92], лишь скорости скольжения до 0,5 м/с обеспечивают сохранение низких температур в зоне трения. В реальных условиях изнашивания они часто превышают указанный предел. Однако выяснение износостойкости как характеристики машиностроительных материалов возможно только при скоростях скольжения, обеспечивающих сохранение температуры- испытаний в зоне контакта материала с абразивом. 2.2 Установки для испытаний на изнашивание

Наиболее значимым в работоспособности экскаваторов является долговечность их рабочих органов, к которым относятся ковш и зубья ковша. Наибольшие затраты из всех запасных частей приходится на зуб ковша, затем на переднюю стенку ковша.

Для выбора модельного метода испытаний рассмотрим процесс взаимодействия горной породы и передней стенки ковша в процессе экскавации. Ковш, со скоростью 1,2 м/с и усилием 980 кН, подбирает предварительно взорванную горную массу. Острие зубьев ковша подчерпывает куски породы и направляет их в ковш по передней стенке преимущественно волочением, после полной загрузки ковша передняя стенка открывается и порода скользя по ней перемещается в транспортное средство.

Ниже приведены стандартные методы испытания на абразивный и ударно-абразивный износ. В соответствие с ГОСТ 27674-88 изнашивание - это процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопление его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Метод испытаний материалов на износостойкость при ударно-абразивном изнашивании (ГОСТ 23.207-79)

Метод испытаний материалов на износостойкость при ударно-абразивном изнашивании заключается в том, что образцом из исследуемого и эталонного материалов осуществляют повторные удары через слой твердых абразивных частиц по неподвижной наковальне с заданной энергией удара, скоростью и частотой соударений. Измеряют и сравнивают износ образцов из испытываемого и эталонного материалов.

Установка и образцы для испытаний

Схема испытаний приведена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Схема испытаний на ударно-абразивное изнашивание

(ГОСТ 23.207-79) Образец 4, укрепленный на ударнике 5, наносит удары по наковальне 1 со сменным вкладышем 2 через абразив, подающийся в зону удара из дозатора 3. Условия испытаний: масса наковальни >50 кг; энергия удара Е = 2,94-294 Дж, для общих сравнительных испытаний Е=4,9Дж; частота соударений п = 20-400 мин"¹, для общих сравнительных испытаний n = 100 мин"¹; ско-

рость соударения v = 0;5-5 м/с, для общих сравнительных испытаний? v = 1? м/с; угол; закручивания, торсионаб-не менее 15 град; момент инерции ударника 5= 17,87^-10"⁴ кг-м²; направляющий канал сечением-20x1- мм, длиной 40* мм; абразив: - карбид.кремния. черный; зернистостью 0,63 мм; эталонный материал— сталь і 45 твердостью HV 598-633; образцы цилиндрические диамет-ром 10 мм, длиной 35 мм с торцевой-рабочей поверхностью;. '

Особенности испытаний:

При оценке, относящейся, к.конкретным условиям;изнашивания^ значения крутящего момента Мкр, Нм< и общей?массы'т,- кг, сменных грузов в зависимости от; необходимых значенийэнергии удара Е, Дж, и скорости соударения v определяют-по формулам:

Мкр;=Зї82Е+0ДЗІЄ: (2:1^

.''..' т = (0.08^--1)/г² (2.2) Г

v ."'..

где (С < 7,63 Мкр);- характеристика'жесткости торсиона; Нм; г - расстояние от оси вращения ударника до центра-тяжести сменных'грузов, м:

Стандартная продолжительность, испытаний 1000? ударов, после 2000 ударовїзаменяют сменныйвкладышнаковальни. Критерий износостойкости -отношение износа массы эталонного и исследуемого образцов оценивают по. формуле

иРэ^По

где р_э , р_и - плотность эталонного и испытуемого материалов, г/см;; п.-
число оборотов ролика? '

Методі испытания материалов о нежестко закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 23^208-79)

Образцы из исследуемого и эталонного материалов изнашивают абразивными частицами, подаваемыми в зону трения и прижимаемыми»к образцу вращающимся резиновым роликом. Измеряют и сравнивают износ, образцов испытываемого и эталонного материалов.

Схема и условия испытаний.

На схеме (рис.2.3.) испытуемый образец 7, закрепленный в держателе 2, прижимается к вращающемуся резиновому ролику 3. Нагрузка передается через рычаг 4. Из дозатора 6 по направляющему лотку 5 в зону трения подается абразив.

^{І..***» -}

Рис.2.3. Схема испытаний при трении о незакрепленную абразивную прослойку (ГОСТ 23.208-79)

Условия испытаний: усилие прижатия ролика 44,1 Н, частота вращения ролика 1 с , продолжительность испытаний эталонного материала 600 оборотов ролика от момента подачи абразива; продолжительность испытаний исследуемого материала - в зависимости от твердости от 600 до 3600 оборотов.

Абразивный материал - электрокорунд. В конкретных условиях изнашивания допускается использовать абразивный материал, соответствующий материалу, воздействующему при эксплуатации, но с размером зерен не более 1,0 мм. Повторное использование абразивного материала не допускается.

Образцы из исследуемых и эталонных материалов изготовляют в виде пластин шириной 30, длиной 30-50 мм, толщиной h >1 мм и шероховатостью рабочей поверхности Ra<2,5 мкм.

Эталонные образцы изготовляют из стали 45 по ГОСТ 1050 -88 в отожженном состоянии с HV 190-200. Резиновый прижимной ролик выполняют диаметром 50 мм.

Износ испытываемых и эталонных образцов определяют взвешиванием до и после испытаний с погрешностью <0,1 мг. Потеря массы образца вследствие изнашивания при испытаниях должна составлять >5 мг.

Обрабатывают результаты испытаний с использованием формул

Р_э =

(2.4)

г т

8эРи^Пи

Ри =

Ки =

(2.5) (2.6)

8иР,^Пэ

Метод испытания металлов на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367-71) Сущность метода

Испытуемый и эталонный образцы изнашивают о поверхность абразивной бумаги при статической нагрузке и отсутствии нагрева и полученные результаты сравнивают. Испытания проводят при трении торца цилиндрического образца по поверхности абразивной шкурки по спирали Архимеда в направлении от центра диска к периферии.

Схема и условия испытаний.

Согласно рис. 2.4. испытуемый образец 1 прижимается к вращающемуся диску 2 с закрепленной на нем абразивной шкуркой 3 и совершает поступательное движение от центра диска к его периферии.

-X

Рис 2.4. Схема испытания металлов на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы

Машина трения для проведения испытаний должна соответствовать следующим требованиям. Радиальная подача образцов на каждый оборот диска составляет 1 мм, а скорость трения образцов по абразивной шкурке должна быть такой, чтобы нагрев материала в процессе испытаний не влиял на его свойства. Испытания проводят под действием статической нагрузки 9,55 кгс/см (из расчета 0,3 кгс на образец диаметром 2,0 мм). Относительная погрешность нагрузки не должна превышать ±1 %.

Тип абразива шкурки выбирают следующим образом:

а) для- выявления связи относительной износостойкости испытуемого
материала с его физическими свойствами твердость абразивных частиц
должна превышать твердость испытуемого материала* не* менее чем в 1,6
раза;

б) при определении относительной износостойкости испытуемого мате
риала при действии кварцевого песка применяют кремневую шлифовальную
шкурку по ГОСТ 5009-68 зернистости абразивного материала № 6 по ГОСТ
3647-59'(размер абразива 63-80 мкм). Твердость абразивных зерен, а также
структурных элементов испытуемых материалов определяют методом испы
тания на микротвердость вдавливанием алмазной пирамиды по ГОСТ 9450-
60. При измерении линейного износа пользуются микрометрами с ценой*де
ления 0,01 мм; при измерении массового износа - аналитическими весами с
ценой деления 0,1 мг. Минимальный абсолютный, износ, подлежащий изме
рению, должен составлять: в линейных единицах 200 мкм; в единицах массы
5 мг.

Для испытаний применяют гладкие цилиндрические образцы диаметром 2 ± 0,1 мм и длиной 15-20 мм.

Особенности испытаний.

Перед испытанием эталонные и испытуемые образцы должны подвергаться приработке для достижения полного прилегания образцов к шкурке в условиях, идентичных условиям испытаний. Износ испытуемого и эталонно-

го образцов должен быть получен при одинаковых условиях: образцы должны пройти один и тот же путь трения в пределах всей серии испытаний.

Опыты проводят на двух листах абразивной шкурки в следующем порядке: на одном листе на первой его половине испытывают эталонный образец, на второй - исследуемый; на другом листе порядок испытания обратный. Результаты испытаний обрабатывают с использованием формулы

А/г„

АА„

\^d«j

, где Лп_э и АЬ_И - абсолютный линейный износ эталонного и испы-

туемого образцов d₃ и d„ - фактический диаметр эталонного и испытуемого образцов.

Помимо установок, описанных в ГОСТах, исследователи, как правило, разрабатывают собственные установки для испытаний на износ. Наиболее интересные образцы представлены ниже.

Универсальная установка [55] (рис. 2.5.).

Рис. 2.5. Схема универсальной установки для испытания на абразивное изнашивание.

Стол 8 установки с закрепленной на нем абразивной шкуркой 7 совершает возвратно-поступательное движение. Привод стола осуществляется от электродвигателя 3 через червячный редуктор 4, сменную пару шестерен 9 и цепную передачу 2, прикрепленную к столу специальным зажимом 5. Максимальный ход стола составляет 600 мм и может регулироваться перемещением концевых выключателей 10 в пазах рамы 1 уста-

новки. Скорость движения стола может изменяться ступенями при помощи сменных шестерен 9 в диапазоне от 0,5 до 35 м/мин. Количество двойных ходов стола регистрируется специальным счетчиком.

Образцы любого сечения с квадратным хвостовиком длиной до 35 мм закрепляются в специальной головке 6, на которой устанавливаются грузы, создающие необходимую удельную нагрузку на поверхность трения. На установке разметаются две головки, позволяющие одновременно испытывать как исследуемый, так и эталонный материал. Перемещение образцов поперек стола осуществляется вручную, что позволяет испытывать образцы как по свежей, так и по частично использованной шкурке.

Установка имеет ряд приспособлений, обеспечивающих проведение испытаний также при трении о монолитный или единичный закрепленный абразив. Эти приспособления съемные, что делает установку универсальной для испытаний на абразивное изнашивание.

Установка для испытаний на изнашивание при трении и ударе об

абразивную поверхность (рис. 2.6.).

Рис. 2.6. Схема установки для испытания материалов на изнашивание при трении и ударе об абразивную поверхность.

Образец 6 закрепляется в головке 1 при помощи винта 5. Нагрузка на образец создается грузами 4, которые имеете с весом головки и образца определяют удельное давление на поверхности трения. Головка шарнирно закреплена на фасонной гайке 10, перемещающейся по направляющим 12 ходовым винтом 11. На хвостовой части головки при помощи винтов закрепляется сменная накладка 2, соприкасающаяся с кулачком 3. Ири вращении кулачка хвостовая часть головки отжимается вниз, обеспечивая подъем образца. В момент подхода уступа кулачка к краю накладки последняя^ соскакивает с уступа, освобождая-хвостовую часть головни, и происходит удар образца о поверхность барабана 7 с натянутоюна него шкуркой 8.

Пустотелый барабан диаметром 160 мм и длиной 260 мм имеет прорезь, в которую вводятся* концы абразивной шкурки. Для натяжения ее в барабане смонтировано специальное устройство 9, при повороте которого обеспечивается плотное прилегание абразивной шкурки к поверхности барабана. Такое крепление позволяет легко и быстро-заменять листы абразивной бумаги.

Привод установки осуществляется от электродвигателя 15 через редуктор 14 и сменные шестерни 13 на кулачок. На* втором конце кулачка-насажен эксцентрик с собачкой 16, передающей движение на храповик 17, сидящий на валу барабана. Таким образом осуществляется прерывистое вращение барабана. Поворот барабана происходит во время подъема образца. Удар образца осуществляется в момент остановки барабана. Величина поворота барабана подобрана таким образом, что образец постоянно ударяется о свежую поверхность абразивной шкурки. Частота ударов образца о поверхность барабана может изменяться от 25 до, 250 ударов в минуту путем подбора сменных шестерен, имеющих различное передаточное число при одинаковом межосевом расстоянии.

Энергия удара образца об абразивную поверхность изменяется высотой подъема, т. е. изменением толщины сменных накладок и веса грузов.

Для проведения испытаний при скольжении образца па абразивной шкурке накладка снимается с хвостовой части головки. При этом выступ кулачка не касается головки. Кроме того, эксцентрик с собачкой и храповик заменяются обычной зубчатой передачей. Скорость трения путем подбора сменных зубчатых колес может изменяться от 0,5 до 50м/мин.

Метод исследования изнашивания при ударе по незакрепленному абразиву. В основе метода - испытание на изнашивание цилиндрических образцов путем последовательных многократных ударов по слою незакрепленного абразива определенной толщины, расположенного на плоской наковальне.

Этот метод реализуется на специальной лабораторной установке [157] (рис. 2.7.).

Рис. 2.7. Установка для испытания на изнашивание при ударе по слою

абразива

На сварной раме / укреплен электродвигатель 2, вращение от которого передается через упругую муфту двухступенчатому редуктору 3 с набором сменных шестерен. На выходном валу редуктора укреплен ведущий шкив 4 клиноременной передачи. Ведомый шкив 5 насажен на кулачковый вал, смонтированный на двух опорах качения. При вращении вала закрепленный на нем кулачок 6 с помощью ролика 7 поднимает шпиндель - боек

8 на заданную высоту, а затем освобождает его. На нижнем торце бойка в оправке закреплен испытуемый образец 15.

Под действием собственной массы и грузов 10 шпиндель-боек 8, перемещаясь в направляющих, совершает свободное падение, которое завершается ударом торцовой поверхности образца по слою незакрепленного абразива, размещенного на наковальне 15.

Установка снабжена дозатором 12, обеспечивающим дозирование абразива, подачу его в зону удара и очистку забоя.

Метод исследования изнашивания при ударе по закрепленному абразиву предусматривает испытание материалов на изнашивание путем, многократных последовательных ударов по абразиву, закрепленному на тканевом основании, расположенном на плоской стальной поверхности.

Этот метод реализуется на специальной лабораторной установке [157] (рис. 2.8.).

Рис. 2.8. Установка для испытания на изнашивание при ударе по

абразивной ленте

От электродвигателя 1 через редуктор 2 и клиноременную передачу 3 приводится во вращение вал, на котором установлен кулачок 4. С помощью кулачка шпиндель 5 вместе с испытуемым образцом 6, закрепленным в специ-

альной оправке, поднимается на определенную высоту, а затем при падении совершает удар торцовой.поверхностью образца по абразивной ленте 7.

Абразивная лента находится на наковальне 8 из стали СтЗ, подверженной цементации, закалке и низкому отпуску для получения на ее поверхности твердости 61-62'HRC₃.

Прерывистая подача ленты .осуществляется храповым механизмом. 9 синхронно с движением шпинделя. В момент удара образца по наковальне абразивная лента неподвижна.

Энергию удара образца о наковальню регулируют изменением массы грузов 10, закрепленных на шпинделе.

В качестве абразива при испытании на установке используется белый электрокорунд на полотне зернистостью 40.

2.3 Выбор схемы испытаний на абразивное изнашивание

При выборе принципиальных схем исследования изнашивания при ударе учитывалась необходимость получения на образцах качественной картины, наблюдаемой в натурных условиях, и возможность сравнения результатов исследований с ранее известными результатами исследований изнашивания.

При выборе формы и размеров образца для изучения изнашивания при ударе учитывали его технологичность, возможность термической обработки, размеры поверхности изнашивания и возможность исследования ее макро- и микрогеометрии и микроструктуры.

Из методов оценки износа наиболее распространены весовой и линей-ный, как наиболее простые и надежные. Учитывая сложный'рельеф поверхности изнашивания образца, приняли весовой метод оценки износа.

Для оценки износостойкости различных сталей выбрали величину, обратную износу.

На основании анализа существующих методов для исследования износостойкости были разработаны и приняты следующие схемы испытаний.

1. На базе Технического Университета г. Зиген (Германия) была разработана установка для испытания металлов на абразивное изнашивание о закрепленные на бумаге абразивные частицы. Схема испытания представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема испытания износостойкости при низких температурах: 1 - образец; 2 - абразивная бумага;

F_n - нагрузка на образец; п - вращение образца вокруг оси; S_np - продольное перемещение стола с абразивной бумагой; S_n- поперечное перемещение образца

Закрепленный в шпинделе станка образец совершает поперечное движение и одновременно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому образец не только всегда движется по новому абразиву, но и стачивается равномерного, имея неизменную площадь контакта. Стол с закрепленной на нем абразивной бумагой совершает возвратно поступательные движения в горизонтальной плоскости. По окончании испытания измеряется потеря массы образца, отнесенная к длине пробега.

Внешний вид установки представлен на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Установка для проведения теста «штифт-наждак» 2. На базе ОАО «Ижорские заводы» была разработана установка для испытания металлов на ударно-абразивный износ. За основу была взята испытательная машина Instron, на которой в циклическом режиме с частотой 2 Герца и усилием около 1500 кг в емкость с гранитным щебнем внедрялся образец сечением 10x10 мм (рис. 2.11., рис. 2.12.).

Рис. 2.11. Общий вид установки для испытания на ударно-абразивный износ

Рис. 2.12. Установка для испытания на ударно-абразивный износ: а - крепление испытуемых образцов в установке; б - контейнер с абразивной породой

Перед испытаниями и после них проводилось взвешивание образцов на лабораторных весах с точностью до 0,001 г. После этого поверхность образцов рассматривалась под микроскопом с целью определения характера и механизма повреждения поверхности образцов (глава 4).

Выбор режимов испытаний на абразивное изнашивание

Исследования изнашивания сталей при трении по абразиву позволили выявить влияние различных факторов на закономерности ударно-абразивного изнашивания [85,86,153,154].

Выбор размеров и формы образцов. В исследованиях на изнашивание материалов при трении об абразивную шкурку выбор образцов обычно осуществлялся из конструктивных соображений, что недостаточно правомерно.

Для обеспечения максимальной достоверности результатов испытаний был учтен опыт исследований [55].

Для выяснения влияния площади контакта образца на результаты испытаний авторами [55] было проведено специальное исследование, которое показало, что для испытаний па абразивное изнашивание можно использовать образцы с площадью номинального контакта до 2 см². При больших площадях образцов нарушается прямая пропорциональность между площадью контакта и величиной износа. Кроме того, было исследо-вано влияние геометрической формы на результаты испытаний и установлено, что форма образцов не оказывает существенного влияния.

На основании вышеизложенного для испытаний на износостойкость было предложено использовать цилиндрические образцы диаметром 6 мм и образцы квадратного сечения 10x10 мм.

Влияние твердости и размера зерна абразива. Вопрос о влиянии твердости на результаты абразивного изнашивания материалов рассмотрен во многих работах [24,25,31 и Др.]. Соотношение твердости абразива и материала должно быть >1,4, поэтому для изготовления, шлифовальных шкурок применяют такие абразивные материалы, которые обладают высокой твердостью (карбид кремния, корунд, электрокорунд и др.).

О влиянии размера зерна абразива на изнашивание материалов исследователи высказывают противоречивые точки зрения. Авторы работ [24,25] указывают на наличие некоторого «критического» размера абразивных частиц, например для сгалей - 100 мкм, для цветных металлов -120-150 мкм. По другим данным [57] этот размер не превышает 70-80 мкм.

В реальных испытаниях область перехода к критическому размеру не имеет четко выраженной границы. Кроме того, понижение температуры испытаний смещает область перехода в сторону меньших значений критического размера зерна абразива, так как закрепленность абразивных частиц на шкурке при низких температурах снижается. Однако, большинство исследователей склоняются к тому, что при положительной температуре критический размер зерна достигает 160 мкм. При температуре -60С этот размер не зависит от нагрузки и равняется 80 мкм.

Поэтому в испытаниях на абразивное изнашивание предложено использовать абразивные бумаги на основе естественных и синтетических материалов с твердостью от 1000 до 2200 HV с размером абразивных частиц 70 мкм и 200 мкм.

Выбор режимов испытаний. При трении об абразивную шкурку весьма важно определить те условия и режимы, которые могут обеспечить сопоставимость и достоверность результатов испытаний. Особое значение в этом случае должно быть уделено сохранению температурного режима в зоне трения. При испытаниях по методике [24] повышение температуры на 50-70С не оказывает влияния на результаты испытаний, однако-повышение температуры при низкотемпературных исследованиях может привести к конденсации влаги в зоне ірения, т. е. к созданию смазочного эффекта, а следовательно, к искажению результатов испытаний.

Результаты наших испытаний показали, что для всех испытанных материалов износ прямо пропорционален пути трения.

Для того, чтобы погрешность измерения не выходила за определенные пределы, величина износа должна быть достаточно большой. В наших испытаниях погрешность измерения износа принята ±5%. При взвешивании образцов на аналитических весах с точностью до 0,001 г такое условие соблюдается при весовом износе более 50 мг. На установке для испытаний на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы такая величина износа может быть получена на пути трения около 8 м. Для повышения точности измерений принят путь трения 10 м.

Удельная нагрузка выбиралась по литературным данным исходя из условия сохранения прямой пропорциональности износа от нагрузки и соответствия характера абразивного износа встречающемуся в условиях реальной эксплуатации зубьев т.е. микрорезанию. В результате анализа литературных данных [55, 114] для дальнейших испытаний приняты удель-ные нагрузки на образец 175 и 310 Н/см".

Скорость скольжения образца при испытании на установке для испытания на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы была выбрана с учетом данных работы [55], где испытания стали 45 на универсальной установке показали, что в диапазоне до 32 м/мин скорость скольжения не влияет на износ. Кроме того, было установлено, что температура окружающей среды сохраняется до скорости 15-20 м/мин. Поэтому с некоторым температурным запасом для основных испытаний принята скорость скольжения 10 м/мин.

Таким образом, для испытаний на абразивное изнашивание металлических материалов при трении о шкурку были выбраны следующие характеристики образов: диаметр образца 6 мм; длина образца - 40 мм; площадь 0,283 см . Были выбраны абразивные бумаги на основе естественных и синтетических материалов на основе Si0₂ - оксида кремния (HV 1000), А1₂Оз -корунда (HV 1800) и SiC - карбида кремния (HV 2200). Размер абразивных частиц 70 мкм и 200 мкм. РІспьітания проводились при начальных температурах+20С и -80 С. Путь трения образца был выбран равным 10 м; удельная нагрузка - 175 и 310 Н; скорость скольжения - 10 м/мин. Эти режимы обеспечивают постоянство температуры в зоне трения и минимальный разброс значений величины износа испытываемых материалов.

3. Глава 3. Разработка состава сталей:для рабочего оборудования горнодобывающей техники

Из анализа многочисленных публикаций в отечественной [19, 26, 30, 102-104] и зарубежной [105-107] литературе, посвященных изучению зависимости износостойкости и твердости, а также опыта собственных лабораторных и производственных испытаний следует, что выбор износостойкого материала и режимов его термической обработки из условий получения наивысшей исходной твердости не является безусловным. Максимальный уровень сопротивляемости абразивному изнашиванию не всегда совпадает с максимальной твердостью. Ни одна стандартная механическая характеристика не может служить критерием оценки износостойкости - этот критерий должен быть комплексным, включающим твердость, прочностные, пластические и вязкие свойства стали, а также температуру проведения испытаний.

Критериями износостойкости считают характеристики,- механических или физических свойств сталей и сплавов, которые имеют определенную' связь с износом (износостойкостью). Если между одной из характеристик свойств стали или сплава и ее износостойкостью- выявлена четкая зависимость, то с повышением этой характеристики увеличивается износостойкость материала.

Выявление критериев износостойкости является сложной задачей в силу специфики силового воздействия единичной абразивной частицы при контакте и несоответствия этого силового воздействия тем силовым воздействиям, которые развиваются при определении характеристик механических свойств стандартных образцов.

Выяснение природы абразивного изнашивания и оценка критериев износостойкости усложнены тем, что все показатели нестабильны и неоднозначно изменяются в зависимости от силового и температурного воздействия при контакте взаимодействующих при изнашивании материалов.

Анализ стандартных методов определения механических свойств показывает, что для каждого из них характерно одно из основных силовых воз-

действий - растяжение, сжатие, срез, смятие. При некоторых видах абразивного изнашивания наблюдается одновременно' несколько видов деформаций, что приводит к сложному объемному напряженному состоянию на контакте в момент формирования и отделения частиц износа.

При выявлении критериев износостойкости сталей и сплавов в условиях трения скольжения абразива необходимо рассматривать два самостоятельных процесса силового взаимодействия частицы абразива с поверхностью изнашивания: внедрение частицы в поверхность контакта и последующее перемещение по^ ней. С учетом этих особенностей очевидно, что одна характеристика механических свойств стали не может быть единым критерием износостойкости, так как при ее определении силовая картина нагружения не охватывает всего комплекса силовых воздействий на каждом из этапов.

Разработка состава сталей для рабочего оборудования горнодобывающей техники

Из анализа многочисленных публикаций в отечественной [19, 26, 30, 102-104] и зарубежной [105-107] литературе, посвященных изучению зависимости износостойкости и твердости, а также опыта собственных лабораторных и производственных испытаний следует, что выбор износостойкого материала и режимов его термической обработки из условий получения наивысшей исходной твердости не является безусловным. Максимальный уровень сопротивляемости абразивному изнашиванию не всегда совпадает с максимальной твердостью. Ни одна стандартная механическая характеристика не может служить критерием оценки износостойкости - этот критерий должен быть комплексным, включающим твердость, прочностные, пластические и вязкие свойства стали, а также температуру проведения испытаний.

Критериями износостойкости считают характеристики,- механических или физических свойств сталей и сплавов, которые имеют определенную связь с износом (износостойкостью). Если между одной из характеристик свойств стали или сплава и ее износостойкостью- выявлена четкая зависимость, то с повышением этой характеристики увеличивается износостойкость материала.

Выявление критериев износостойкости является сложной задачей в силу специфики силового воздействия единичной абразивной частицы при контакте и несоответствия этого силового воздействия тем силовым воздействиям, которые развиваются при определении характеристик механических свойств стандартных образцов.

Выяснение природы абразивного изнашивания и оценка критериев износостойкости усложнены тем, что все показатели нестабильны и неоднозначно изменяются в зависимости от силового и температурного воздействия при контакте взаимодействующих при изнашивании материалов.

Анализ стандартных методов определения механических свойств показывает, что для каждого из них характерно одно из основных силовых воздействий - растяжение, сжатие, срез, смятие. При некоторых видах абразивного изнашивания наблюдается одновременно несколько видов деформаций, что приводит к сложному объемному напряженному состоянию на контакте в момент формирования и отделения частиц износа.

При выявлении критериев износостойкости сталей и сплавов в условиях трения скольжения абразива необходимо рассматривать два самостоятельных процесса силового взаимодействия частицы абразива с поверхностью изнашивания: внедрение частицы в поверхность контакта и последующее перемещение по ней. С учетом этих особенностей очевидно, что одна характеристика механических свойств стали не может быть единым критерием износостойкости, так как при ее определении силовая картина нагружения не охватывает всего комплекса силовых воздействий на каждом из этапов.

Раздельное рассмотрение поведения частицы на контакте в два этапа соответствует действительному механизму взаимодействия частицы с поверхностью изнашивания и способствует выявлению критериев износостойкости с учетом особенностей контактного взаимодействия на каждом этапе.

Для абразивного изнашивания при трении скольжения износостойкость материалов будет определяться по крайней мере двумя характеристиками механических свойств: одна из них должна характеризовать сопротивление сталей и сплавов прямому внедрению частицы в зону трения, а другая - отражать сопротивление перемещению этой частицы вдоль поверхности. 3.1 Взаимосвязь механических свойств и износостойкости сталей

Все лабораторные установки, применяемые для испытаний на абразивное изнашивание, имеют методическое сходство: микрорежущее действие абразивной или иной твердой частицы по испытуемой поверхности металла. Схема силового взаимодействия при изнашивании оказывает важное влияние на основной критерий износостойкости металлов. Имеющиеся данные позволяют считать, что мерой сопротивления перемещению абразивной частицы по поверхности изнашивания являются пределы прочности и текучести. Но на износ влияют и другие характеристики. При равной твердости и равных пределах прочности и текучести износостойкость выше у сталей, имеющих более высокое значение относительного удлинения, относительного сужения, ударной вязкости.

В работах [86, 108] больше внимания уделялось исследованию влияния механических свойств на износостойкость. Было рассмотрено влияние пределов прочности и текучести, твердости, относительного удлинения, относительного сужения, ударной вязкости, энергоемкости, поверхностной энергии, удельного электрического сопротивления, коэрцитивной силы. По характеру влияния все характеристики механических свойств сталей разделились на две группы: повышение одних при раздельном учете положительно влияет на износостойкость, повышение других - снижает износостойкость.

К первой группе относятся предел прочности, предел текучести, твердость. По общей тенденции они все однозначно влияют на износостойкость. Детали- машин, механизмов и инструмент, работающие в условиях абразивного изнашивания, должны иметь высокие прочностные характеристики. Это необходимо для одновременного обеспечения статической прочности и износостойкости от действия абразива [1, 109, ПО].

Фрактографическое исследование поверхности сталей при абразивном разрушении

Изнашивание сталей при ударе их об абразив сопровождается появлением на поверхности износа пластически выдавленных лунок, различных по размерам и форме. Пластически выдавленные лунки образуют те абразивные зерна, которые в данный момент имеют наиболее благоприятную ориентацию граней по отношению к изнашиваемой поверхности и твердость, превышающую твердость этой поверхности. Зерна, меньшей твердости и неблагоприятно ориентированные к поверхности износа, разрушаются, не оставляя заметных следов износа на этой поверхности.

При повторном ударе часть зерен попадает в ранее образовавшиеся лунки, расширяя и углубляя их, а другие внедряются между лунками. При этом, как указывается в работе [156], происходит многократное повторение единичных актов внедрения зерен абразива в изнашиваемую поверхность, сопровождаемое пластической деформацией. В результате этой пластической деформации отдельные частицы материала могут отрываться от изнашиваемой поверхности. По мере повышения упрочнения поверхностного слоя может происходить также хрупкое выкрашивание частиц металла. Соотношение хрупкого выкрашивания и отрыва отдельных частиц с поверхности износа определяется в первую очередь физико-механическими свойствами испытуемого материала.

Физико-механические свойства материалов с изменением температуры испытаний значительно изменяются. Особенно велико это изменение при микроударном нагружении. При обычных видах нагружения сплавы со структурой мартенсита разрушаются хрупко, без развития процессов пластической деформации. Иначе обстоит дело при микроударном нагружении мартенсита. При таком виде воздействия мартенсит ведет себя как структура с высокой пластичностью и большой упрочняемостью [155]. Это обстоятельство авторы объясняют особенностями деформации перенасыщенного твердого раствора (каким является мартенсит), характером приложения нагрузки и условиями деформации. Контактный способ приложения нагрузки также создает объемное напряженное состояние микроучастков. Таким образом, при ударном воздействии абразивных зерен сопротивление металла изнашиванию определяется свойством поверхностных слоев выдерживать многократное пластическое деформирование без разрушения.

Анализ рассмотренных данных показывает, что как при единичных, так и при повторных контактах одной и той же поверхности с абразивом доля пластического оттеснения уменьшается с понижением температуры. Глубина внедрения абразива в металл с понижением температуры в отдельных случаях увеличивается, несмотря на некоторое повышение его твердости. Это объясняется, вероятно, эффектом разупрочнения микрообъемов материала при низких температурах вследствие интенсификации процессов перенаклепа. 4.2 Исследование поверхности изнашивания

Как отмечалось выше, определение механизма износа абразивными частицами породы характеризуется изменением вида поверхности и поэтому наиболее целесообразно использовать фрактографию. Фрактография — область знания о строении изломов и повреждении поверхности с помощью визуального их рассмотрения, а также с использованием бинокулярных оптических микроскопов и растровых электронных микроскопов (РЭМ).

При использовании РЭМ возможно сочетание высокой разрешающей способности (100 ) и большой глубины резкости (до 1000 мкм) при увеличении 1000 крат, что обеспечивает объективную оценку состояния поверхности. Как было описано, наиболее опасным механизмом износа является микрорезание, которое представляет собой отделение материала путем образования микростружки. Микростружка формируется в результате однократного воздействия абразивной частицы. Однако, несмотря на то что в грунте минеральные частицы округлены и закреплены недостаточно прочно, если хотя бы в одном из тысячи контактов оно будет реализовано, то этот механизм будет превалирующим.

Другим, по-видимому, наиболее часто встречающимся механизмом является царапание - образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при взаимодействии твердых частиц. Это скорей всего образование пластически выдавленных канавок с последующим передеформированием поверхностных слоев и отделением частиц материала в результате отслаивания или выкрашивания.

Пластическое оттеснение - в зависимости от относительной глубины внедрения в направлении скольжения абразивной частицы сопровождается возникновением гребешка деформированного металла, который поднимается при относительном движении.

Повышения конструкционной прочности литых хладостойких сталей и разработка технологии выплавки

Еще до нагружения в конструкционных материалах присутствуют тре-щиноподобные дефекты в виде газовой пористости, неметаллических включений и других несплошностей.

В определенных условиях эти дефекты могут инициировать разрушение даже при нагрузках, значительно меньших прочностных свойств материала, определенных при обычных механических испытаниях.

Поэтому только высокая прочность без необходимого комплекса таких механических свойств, как вязкость, пластичность и трещиностойкость не -обеспечивает надежности констуукций. В ряде случаев высокопрочное состояние металла даже .может оказывать отрицательное действие. Известно, что усталость ответственна более, чем за полозину случаев всех аварийных разрушений, встречающихся в инженерной практике. Предел выносливости OR довольно жестко связан с временным сопротивлением 0"в. Для большинства сталей а составляет 0,4-0,6 от ав. Однако одностороннее увлечение повышением прочности может приводить к снижению предела выносливости. Повышение прочности с одной стороны затрудняет образование усталостных трещин, но с другой, снижая пластичность, приводит к ускорению распространения трещин в хрупком материале. Рост временного сопротивления сверх определенных значений может привести к снижению отношения O"R/GD. Поэтому высокопрочные конструкционные стали могут иметь даже худшие значения предела выносливости по сравнению с обычными сталями.

Анализ работы зубьев показывает, что они должны, наряду с высокой износостойкостью, прочностью v пластичностью, хорошо сопротивляться ударным нагрз зкам, обладая запасом вязкости. Учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, материал должен обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин. Поэтому надежность материала в конструкции принято характеризовать конструктивной прочностью, под которой понимают не отдельно взятые прочностные характеристики, а комплекс механических свойств, определяющих эксплуатационные возможности изделия. В этом состоит особенность требований к конструкционным материалам вообще, в том числе, к литым хладостойким сталям.

При производстве практически всех современных литых конструкционных сталей окончательное раскисление осуществляется алюминием, который обеспечивает достаточно низкое содержание кислорода в металле (0,003-0,005 %) и получение плотных отливок. Кроме того, алюминий благодаря его способности взаимодействовать с азотом, растворенным в стали, применяют в качестве регулятора зерна аустенита при производстве сталей с наследственно мелкозернистой структурой. Получение мелкозернистой структуры является эффективным средством упрочнения стали и повышения ее сопротивления разрушению. Алюминий не образует химических соединений с серой, однако он оказывает значительное влияние на форму и характер расположения сульфидов.

При раскислении литых конструкционных сталей алюминий вводят из расчета, обеспечивающего 0,03-0,06 % его остаточного содержания, Ш тип неметаллических включений по классификации Симса и Даля и № 5-7 зерна аустенита. Однако окончательное раскисление стали алюминием не является оптимальным в отношении формы неметаллических включений. Образующиеся в стали остроугольные включения способствуют образованию микротрещин. Лучшей формой включений является глобулярная, способствующая вязкому разрушению литой стали путем образования и слияния микропор.

Многочисленные анализы шлифов модифицированной глобуляризато-рами литой стали свидетельствуют о том, что при визуальном металлографическом контроле часто возникают трудности разделения включений на оксиды, сульфиды и нитриды. В то же время сравнительно легко (и логично) разделить включения на две группы - остроугольные и глобулярные, так как именно их соотношением определяется эффективность модифицирования. Способность ГЦЗМ и РЗМ собирать воедино сульфиды, оксиды и даже в ряде случаев нитриды в сложные глобулярные комплексы исключительно велика. Для оценки включений в модифицированной литой стали можно использовать коэффициент глобуляризации К, представляющий собой процентное отношение индекса загрязненности глобулярными включениями 1г к общему индексу 1н : К =100- Ir/IH %. Общий индекс и индекс глобулярных включений в достаточной степени характеризуют форму включений в модифицированной стали и эффективность модифицирующей обработки жидкой стали, а также позволяют выявить резервы повышения степени глобуляризации включений путем усовершенствования технологии обработки стали.

Перспективным и простым технологическим методом, позволяющим получать глобулярную форму неметаллических включений и таким образом повышать хладостойкость литой стали, является модифицирование ее высокоактивными РЗМ и ЩЗМ, обладающими большим химическим сродством к растворенным в стали примесям серы, кислорода, азота и водорода. Модифицирование является одним из универсальных и эффективных способов повышения качества стального хладостойкого литья. При минимально допустимых затратах модифицирование позволяет измельчить микро- и макроструктуру, уменьшить развитие химической, физической и структурной неоднородности, снизить содержание газов, благоприятно изменить природу и форму неметаллических включений, повысить комплекс технологических, механических и эксплуатационных свойств.

Модифицирование ЩЗМ. В последние годы все большее применение для раскисления и модифицирования стали находят ЩЗМ, вводимые в сталь в виде комплексных лигатур. Относительно низкая стоимость таких лигатур открывает широкие перспективы их применения при производстве хладостойкого стального литья. Из группы ЩЗМ наиболее широко в сталеплавильной практике применяют кальций, используемый в виде сплавов - силикокальция и комплексных лигатур типа КМК, КМКА, в состав которых, кроме кремния и кальция, входят марганец, алюминий и другие элементы. Реже используют сплавы кальция с барием, магнием, алюминием и никелькаль-циевые лигатуры. Использование силикокальция и лигатуры КМКА имеет определенные недостатки. К ним относится прежде всего низкая эффективность взаимодействия жидкого металла с кальцием вследствие высокой упругости его паров при температурах сталеплавильных процессов. Элементом, заметно снижающим скорость испарения кальция, является барий. Это обусловлено тем, что кальций плавится при 850 С и кипит при 1347С. Пріґ температуре сталеплавильных процессов упругость паров кальция составляет 158 кПа. Барий имеет ограниченную растворимость в жидком железе и неограниченную в кальции. При этом наблюдается значительное отклонение от закона Рауля, свидетельствующее о том, что барий снижает активность кальция. Упругость пара бария равна 105 кПа при 1647 С. Упругость пара сплава, содержащего кальций и барий, значительно меньше, чем каждого элемента в отдельности. Таким образом, совместное введение в сталь этих элементов значительно улучшает кинетику процесса взаимодействия кальция с примесями. На сталях 35Л, 45Л, 35ГЛ, 20ГСЛ и др. была доказана эффективность применения лигатур с барием. Результаты испытаний в диапазоне температур от +20 до 80С показали, что металл, обработанный кальцийбарий-содержащей лигатурой, по ударной вязкости не уступает сталям, раскисленным одновременно алюминием, силикокальцием и церием, что обеспечивается воздействием бария. Барий в большей степени глобуляризует включения, чем кальций: значительная часть включений приобретает округлую форму.

Похожие диссертации на Литые хладо- и износостойкие стали для горнодобывающей техники

Исследование и разработка высокопрочных коррозионностойких сталей с регулируемым мартенситным превращением для паяно-сварных узлов криогенной техникиНовиков Виктор Иванович