Испытания абразивостойких наплавленных плит в Институте металлургии и металловедения имени А.А. Байкова РАН

Износ узлов и рабочих поверхностей оборудования добывающей промышленности ведет к значительным материальным потерям. Условия работы добывающего, горно-обогатительного и транспортного оборудования определяют абразивный износ одним из основных видов изнашивания. Кроме этого, изнашивание оборудования ведет к снижению его производительности и эффективности эксплуатации [1, 2]. Чаще всего вследствие абразивного износа выходят из строя рабочие поверхности открытых пар трения: ковши, катки, желоба и др. Для предотвращения возможных повреждений оборудования, как правило, защищают его рабочие поверхности нанесением износостойких покрытий, либо проводят модифицирующую обработку, используя лазерные, плазменные, электроннолучевые, электродуговые и др. методы [3-5]. Подобная обработка поверхностей машин и механизмов и защитные покрытия обеспечивают повышение твёрдости и износостойкости, значимо повышая их ресурс и допустимые нагрузки. Однако, возникающие при эксплуатации условия нередко являются причинами предельных износов поверхностей деталей, приводящих в ряде случаев к катастрофическим видам изнашивания.

Перспективным и надежным способом ремонта и обеспечения продолжительности эксплуатации оборудования представляется защита и восстановление целостности изношенных узлов материалами с повышенной износостойкостью. Так, компанией ООО «РСТП», накоплен большой практический опыт по производству наплавленных абразивостойких биметаллических плит для ремонта и восстановления предельно изношенного оборудования, используемого на предприятиях по добыче рудных материалов (рис. 1 а). Такой подход является экономически выгодным, поскольку позволяет не только в крайне сжатые сроки восстановить эксплуатацию оборудования без покупки новых взамен изношенных агрегатов, но и значительно повысить продолжительность его эксплуатации (рис. 1 б). Как правило, улучшение эксплуатационных свойств восстановленного оборудования материалами с повышенной износостойкостью оценивается именно сроком его эксплуатации, а долговременная работа напрямую зависит от свойств и состава применяемых материалов.

Рис.1. Заготовки наплавленных абразивостойких биметаллических плит для ремонта ковша экскаватора – а; Восстановленный ковш экскаватора после одиннадцати месяцев эксплуатации – б. Фотографии предоставлены ООО «РСТП»

Вобщемслучае, мероприятиям,направленным на создание защитныхпокрытий во время ремонта или производства деталей [2, 6] должны предшествовать научные изыскания в сфере материаловедения [7, 8] и производственных технологий. Так, наплавка слоев с повышенными эксплуатационными характеристиками представляет особый интерес благодаря широким возможностям по выбору технологии и режимов нанесения, а также используемых материалов [9, 10]. При разработке, выборе и применении новых материалов важным является их предварительная оценка при режимах, имитирующих условия эксплуатации и позволяющая ранжировать по эксплуатационным свойствам и сравнивать с уже имеющимися и применяемыми.

Целью работы являлось изучение триботехнических характеристик образцов наплавленных пластин и образцов сталей, применяемых при добыче, переработке и транспортировке рудных материалов.

В качестве материалов для исследований были выбраны образцы наплавленных пластин марок АСП-200, АСП-200+ и АСП 300. Образцы наплавленных пластин предоставлены компанией ООО «РСТП», занимающейся производством данной продукции. Наплавленная пластина представляет собой стальной лист из малоуглеродистой стали типа Ст3 или сталь 20, на который методом автоматизированной электродуговой наплавки с применением самозащитных порошковых проволок нанесен слой абразивостойкого сплава. Толщина стального листа– 10 мм,толщина наплавленногослоя– 10мм. Для сравнениятакже исследовали образцы сталей 110Г13Л (ГОСТ 977-88) и Hardox 450, уже применяемые на предприятиях добывающей промышленности и характеризующиеся высоким сопротивлением износу (истиранию) и ударным нагрузкам.

Образцы из промышленных сталей и наплавленных пластин для испытаний вырезали на электроэрозионном станке Арта 320 с интегрированной системой ЧПУ и точностью позиционирования ±5 мкм по всей длине координатных перемещений. Подключение станка к системе водоснабжения и использование в качестве межэлектродной среды воды позволило избежать изменения структуры и свойств материала вследствие нагрева и обеспечить идентичность качества поверхностей и геометрических размеров образцов для исследований. Вид образцов для испытаний и схема испытаний представлены на рисунке 2

Рис. 2. Внешний вид образца АСП 300 для трибологических испытаний (а). Темный слой (1) стальное основание, более светлый (2) наплавленный износостойкий слой. Схема испытаний на трение и абразивный износ при истирании (б)

Испытание на трение проводили на установке CETR UMT 2.0 по схеме неподвижный палец (испытываемый образец) по вращающемуся диску (сталь), следуя процедуре ASTM G99. Скорость вращения диска составляла 0,2 м/с, осевая нагрузка – 10 Н, радиус испытания – 20 мм, путь трения – 500 м. Коэффициент трения фиксировали непрерывно в процессе испытаний.

Испытания на абразивный износ при истирании проводили на установке CETR UMT 2.0 по схеме палец (испытываемый образец) по диску с поверхностью из наждачной бумаги P180, что соответствует размеру зерна (Al2O3) 63-80 мкм (рис. 2), следуя процедуре ГОСТ 17367-71. Палец двигался по спирали Архимеда от центра диска к периферии. Радиус испытания менялся от 8 до 68 мм со скоростью 1мм/с. Скорость вращения диска составляла 0,15 м/с, постоянная удельная нагрузка – 1 МПа. Путь трения составил 9 м. Интенсивность изнашивания оценивали по отношению потери массы образца к пройденному пути.

Рассматривая влияниелегирующих элементовнамеханические свойствасталей, отметим, что повышение содержания углерода увеличивает количество цементита Fe3C,чтоположительно сказывается на прочности и твердости материала. Легирование хромом повышает прочность и твердость сталей. Введение марганца более 1% повышает износостойкость и увеличивает твердость сталей, титан, в свою очередь, повышаетпрочность и плотностьматериала. Молибден вводят для увеличения упругости сталей, кремний – для повышения прочности, при сохранении параметров вязкости. В данное время в промышленности широко используются разные марки сталей, удовлетворяющих потребности конструкторов и технологов и отличающихся по составу и способам изготовления.

Так, по химическому составусталь110Г13Л (ГОСТ977-88) характеризуется повышенным содержанием Mn, и меньшим Cr, Si и Ni. Сталь имеет аустенитную структуру и способна работать в условиях трения при повышенных ударных нагрузках и давлении. Отливки из марганцовистой стали 110Г13Л часто используются для производства быстро изнашивающихся деталей дробильно-размольного оборудования, которые требуют высокой износостойкости.

Hardox 450 марка стали, с повышенной износостойкостью, предназначенная для противостояния всем видам истираний и других воздействий во время эксплуатации. Характеризуется высокой вязкостью и хорошей свариваемостью. Разрабатывалась Hardox 450 как сталь для изготовления кузовов карьерных самосвалов.

Перечисленные стали имеют рекордные механические и функциональные характеристики, широко используются в России и за рубежом. Факторами, побуждающими поиск альтернативных материалов для ремонтно-восстановительных работ, являются ограничения по резке и изготовлению сварных конструкций для стали Гадфильда (110Г13Л), стоимость и логистика (у стали Hardox 450 шведский производитель).

Возможность применения, в качестве основы сталей типа Ст3 или сталь 20, значительно понижает стоимость биметаллических плит, а широкий ассортимент порошковых проволок позволяет получать наплавленный слой, по своим механическим и функциональным характеристикам, адаптированным к эксплуатации конкретного изделия и в конкретных условиях. Таким образом, наплавление твердых износостойких слоев на стальную основу позволяет обеспечить высокие эксплуатационные свойства и долговечность службы изделий из них даже в условиях ударно-абразивного воздействия

Сравнение данных по твердости исследуемых образцов наплавленных слоев и образцов промышленных сталей приведено на рис. 3.

Твердость HRC исследуемых образцов измеряли на твердомере Роквелла ТР-5018М алмазным конусом с углом 120° при вершине при нагрузке 150 кгс.

Рис. 3. Твердость образцов наплавленных слоев и образцов промышленных сталей

Изменение механических свойств,какправило,приводит и к изменению трибологических характеристик материала. Для износостойких слоев, полученных дуговой наплавкой, важным фактором является состав наплавляемых порошковых проволок. С целью обеспечения прочности, твердости и износостойкости наплавляемого слоя их состав варьируют для оптимизации количества карбидных соединений, образующихся при кристаллизации жидкой ванны в процессе электродуговой наплавки. Структура наплавленного слоя состоит из зерен α Fe и карбидных фаз на основе Fe, Cr, Mo, Si, Ti и других возможных добавок порошковых проволок. Твердость и состав образцов определяют трибологические свойства исследуемых материалов. Графики изменения коэффициента трения образцов представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Графики изменения коэффициента трения

Как видно, из представленных графиков, коэффициент трения материалов отличается не только средним значением, но и характером изменения. Максимальное значение коэффициента трения наблюдается у образца из стали 110Г13Л, однако, время приработки и выхода процесса на режим стабильного трения минимально. Короткое время приработки может быть связано с уникальными свойствами стали 110Г13Л: пластичный материал при воздействии нагрузок упрочняется, что сказывается на изменении коэффициента трения. Минимально значение коэффициента и плавный выход на стабильное трение наблюдается у образца из стали Hardox 450. Лучшие показатели среди наплавленных покрытий показывает образец АСП-200+.

В связи с высокой твердостью образцов потеря массы при трении по стали находились в пределах погрешности весов, поэтому сравнить данные значения было некорректно. В то же время измерения износа стального контртела показали максимальный износ при трении с более твердыми образцами. Поэтому рационально оценивать изностойкость испытываемых материалов при трении по абразиву.

На рисунке 5 представлены данные по интенсивности изнашивания образцов наплавленных с применением порошковых проволок слоев абразивостойких сплавов и промышленных сталей.

Рис. 5. Интенсивность изнашивания образцов из наплавленных слоев и сталей

Заметна связь между твердостью и сопротивлением изнашиванию, образцы с большей твердостью лучшепротивостоятизносу. Исключениемявляется образециз стали110Г13Л (сталь Гадфильда), которая имеет свойства самоупрочняться под действием деформации и нагрузок. Отметим, что большое содержание углерода и хрома значительно влияет на сопротивление износу, т.к. соединения этих элементов повышают твердость материала. Меньшие по содержанию добавки титана и марганца также положительно сказываются на износостойкости.

Проведены испытания на абразивный износ опытных образцов с наплавленным слоем и уже применяемых сталей по схеме палец– диск против закрепленного абразива и в условиях, имитирующих истирание.Получены данные по изменению коэффициента трения и потери массы материалов. Анализ этих данных показывает преимущество опытных образцов с наплавленными слоями по сравнению с применяемыми в настоящее время материалами. Разница интенсивности изнашивания в условиях лабораторных испытаний достигает 20 раз. С учетом экономической эффективности наплавленные абразивостойкие пластины АСП-200, АСП-200+и АСП-300могут применяться для защиты и ремонтно-восстановительных работ изнашиваемых узлов и деталей горнорудного оборудования как более эффективные, чем традиционные стали 110Г13Л и Hardox450.