О целесообразности изготовления зубьев ковшей экскаваторов из стали 110Г13Л

Санкт-Петербургский государственный горный университет, г. Санкт-Петербург

В.И. Болобов, А.П. Баталов, Ю.В. Лыков, B.C. Бочков

УДК 669.14.018.29.004.62/.63

Считается [1-3], что в условиях трения, сопровождаемого большим удельным давлением и ударами, сталь 110Г13Л(сталь Гадфильда) обладает аномально высокой износоустойчивостью. Это объясняется её повышенной способностью увеличивать твердость, а следовательно, как обычно считают [3], и сопротивление износу с увеличением степени пластической деформации (рис. 1) значительно большей, чем у обычных сталей с такой же исходной твердостью.

Влияние степени пластической деформации на твердость стали 110Г13Л

Рис. 1. Влияние степени пластической деформации на твердость стали 110Г13Л (1)
по сравнению со сталью 40 (2) [1 ]

По этой причине до настоящего времени сталь 110Г13Л остается одним из основных конструкционных материалов для изготовления элементов горнодобывающего и горно-обогатительного оборудования, работающих в контакте с породой при значительных напряжениях и динамических нагрузках: зубьев ковшей экскаваторов, футеровок шаровых мельниц, бил и щек дробилок.

В то же время, как показывает практика, ряд указанных элементов, например зубья ковшей экскаваторов из стали 110Г13Л, показывают в условиях эксплуатации явно недостаточную износостойкость. Например, по имеющимся у авторов сведениям, при добыче гранита на ГОК «Семиреченское карьероуправление» комплект зубьев экскаватора ЭКГ-5 уже после добычи 20 тыс. м3породы, что соответствует всего 1,5-2 суткам непрерывной работы, изнашивается и требует замены. Продолжительность работы зубьев по медно-никелевой породе в условиях ГМК «Норильский никель» не намного превышает (3-5 суток) эту величину [4]. Приведенные данные ставят под сомнение положительное влияние повышенной способности к наклепу стали 110Г13Л на износостойкость материала в условиях работы зубьев ковшей экскаваторов и целесообразность их изготовления из этой стали для этих условий. Подобной точки зрения, в частности, придерживаются и авторы работы [5], не видя преимуществ стали Гадфильда при изготовлении зубьев по сравнению с термически обработанной сталью Ст. 6.

Некоторое прояснение в указанных вопросах могут дать результаты, полученные авторами на ГОК «Семиреченское карьероуправление» по визуальному осмотру зубьев с начальной твердостью ~ 33-38 HRC(НВ3110-3530 МПа) после их работы по граниту, в котором наиболее твердый породообразующий минерал - кварц имеет микротвердость - 10000 МПа [6], а также по замеру твердости различных участков зуба до и после эксплуатации.

В соответствии с результатами осмотра оказалось, что вид поверхностей нижней и верхней частей зубьев после работы различен. Если поверхность верхней части зубьев гладкая и блестящая с отдельными редкими царапинами (рис. 2а),то нижней - тёмная и шершавая, вся испещренная глубокими царапинами параллельными направлению движения зуба (рис. 2б). Такие виды поверхности характерны для ударно-абразивного (верх) и чисто абразивного (низ) видов износа, соответственно.

Общий вид верхней и нижней поверхностей зуба экскаватора и отдельных их точек

Рис. 2. Общий вид верхней (а) и нижней (б)поверхностей зуба и отдельных их точек

Как показали наблюдения за работой зубьев, быстрому износу подвергается только нижняя их поверхность, в то время как верхняя с заметной скоростью не изнашивается. По этой причине по принятой на карьере практике для увеличения срока службы зубьев их периодически переставляют, поворачивая на 180°, меняя местами верхнюю и нижнюю стороны зубьев.

Измерение твердости зуба проводили с использованиемпортативного твердомера ТКМ-459, индентор (алмазный наконечник) которого закреплен на конце металлического стержня, колеблющегося под действием пьезоэлемента с резонансной частотой. При внедрении наконечника в металл на ту или иную глубину, зависящую от твердости металла, изменяется частота колебаний стержня, что и фиксируется прибором.

В соответствии с измерениями оказалось, что твердость стали 110Г13Л во всех точках рабочей поверхности как верхней, так и нижней частей зуба практически одинакова и составляет ~ 50-55 HRC(НВ4810-5600 МПа), что существенно превышает твердость материала зуба до эксплуатации. (Несколько отличающиеся данные получены в работе [7] для условий работы зубьев на каменно-щебеночном карьере: твердость стали на вершине зуба в процессе эксплуатации достигает НВ4200 МПа и снижается по мере удаления от вершины (на 80 мм) до твердости (НВ2050 МПа)). Это обстоятельство может свидетельствовать о том, что в процессе работы зуба материал обеих его сторон претерпевает существенный наклеп: на верхней стороне зуба - в результате ударов крупных фрагментов гранита при их перекатывании в ковше при погрузке и выгрузке, на нижней, как можно предположить, - из-за пластической деформации металла при его царапании о породу. Последнее предположение основывается на результатах исследований [5], показывающих, что при абразивном изнашивании стали 110Г13Л о кварцевый песок микротвердость дна и стенок царапины достигает 800 HV(НВ7220 МПа).

Суммируя результаты визуальных наблюдений и измерения твердости, можно заключить, что, хотя в процессе работы обе стороны зуба подвергаются интенсивному наклепу, его влияние на износостойкость верхней и нижней поверхностей зуба сказывается различно: в условиях ударно-абразивного износа, имеющего место на верхней стороне зуба, наклеп существенно замедляет скорость разрушения стали, в случае же абразивного вида износа, наблюдаемого в условиях работы нижней стороны зуба, наличие наклепа на скорости разрушения стали 110Г13Л практически не сказывается. При этом не повышает износостойкости стали Гадфильда в случае абразивного износа и то обстоятельство, что трение нижней поверхности зуба о породу сопровождается значительными удельными нагрузками.

Такое заключение подтверждается результатами ряда исследований, в частности [8], в которых показано, что наличие наклепа на износостойкости стали Гадфильда в условиях абразивного изнашивания практически не сказывается, в том числе, и при наличии значительных нагрузок на материал. В то же время известно [9], что поверхностное деформирование, способствующее наклепу, является эффективным способом повышения износостойкости металлических материалов при ударно- абразивном изнашивании.

Таким образом, уникальная способность к наклепу стали 110Г13Л благоприятно сказывается на повышении износостойкости верхней поверхности зуба и никак не сказывается на износостойкости нижней. А так как срок службы зуба лимитирует быстрый износ нижней его стороны, изготовление зубьев ковшей экскаваторов из дорогостоящей стали Гадфильда вряд ли можно считать целесообразным.

***

Гуляев А.П.Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

Марганцовистая сталь. Пер. с англ. Б.А. Белоуса под ред. М.Е. Блантера. М.: Металлургиздат, 1959. 94 с.

Давыдов Н.Г.Высокомарганцевая сталь. М.: «Металлургия», 1979. 176 с.

Шамоня В.П.Долговечность зубьев ковшей экскаваторов ЭКГ-8 в условиях Норильска / В.П. Шамоня, А.И. Михайловский, В.А. Ковальчук, Б.М. Благих // «Горный журнал», № 7, 1966. Стр. 53-56.

Львов П.Н.Износостойкость деталей строительных и дорожных машин. М.: «Машгиз», 1962. 89 с.

Тененбаум М.М.Износостойкость деталей и долговечность горных. М.: ГН-ТИЛ по ГД, 1960,246 с.

ЯмшановП.ИУпрочнение отливок из стали 110Г13Л энергией взрыва / П.И. Ямшанов, Р.З. Кац, В.И. Силантьев, А.К. Копысова, Т.Ф. Пирогова // «Литейное производство», № 9, 1975. Стр. 17-18.

Болобов В.И.О возможности повышения износостойкости стали Гадфильда наклепом в условиях работы футеровок шаровых мельниц / В.И. Болобов, B.C. Бочков // Современные проблемы машиностроения: труды VI Международной научно- технической конференции / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. Стр. 42-46.

Маляров П.В.Основы интенсификации процессов рудоподготовки: Монография. - Ростов-на-Дону: ООО «Ростиздат», 2004. - 320 с.

Пожалуйста введите ваши данные


Нажимая на кнопку "Отправить" вы даете свое согласие на обработку Ваших персональных данных, см. Политика конфиденциальности

Обратная связь




Нажимая кнопку "Отправить" вы даете свое согласие на обработку Ваших персональных данных, см. Политика конфиденциальности