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, 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, и сопротивление износу с увеличением степени пластической деформации (рис. 1) значительно большей, чем у обычных сталей с такой же исходной твердостью.

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. м³ породы, 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.

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 использованием портативного 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.

 Ямшанов П. И. Упрочнение 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.