CC BY
56
УДК 669.14.
018.29. 004.62/.63
В.И. Болобов, В.С. Бочков, И.И. Мишин, А.А. Неструев
О ВЛИЯНИИ РЕЖИМОВ
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ БЫСТРОИЗНАШИВАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Проанализированы закономерности абразивного изнашивания стали 110Г13Л как основного материала быстроизнашиваемых элементов дробильного и измельчительного оборудования - бил, молотков, футеровок и др., и возможные способы повышения ее износостойкости. Описаны разработанные авторами методики высокотемпературного деформирования стали свободной ковкой и экспериментов по абразивному изнашиванию образцов. Представленными результатами испытаний показано, что твердость и износостойкость высокомарганцевой стали зависят от интенсивности пластической деформации (степени укова образцов), предшествующей закалке, возрастая с ее увеличением. Для максимальной интенсивности пластической деформации повышение износостойкости стали по сравнению с недеформированной сталью достигает 70%. Приводится вид зависимости износостойкости стали от величины твердости HB, достигаемой в результате пластического деформирования. Срок службы быстроизнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования можно существенно увеличить изготовлением этих элементов горячей обработкой давлением и последующей закалкой.
Ключевые слова: сталь Гадфильда, абразивный износ, твердость, высокотемпературная пластическая деформация, закалка.
В настоящее время эксплуатационные затраты на ру-доподготовку составляют около 60% от всех затрат на производство продукции горно-обогатительных предприятий. Значительную их часть составляют затраты на замену и ремонт
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 52-59. © 2017. В.И. Болобов, В.С. Бочков, И.И. Мишин, А.А. Неструев.
быстроизнашивающихся элементов используемого оборудования. В связи с этим задача повышения износостойкости этих элементов является весьма актуальной.
При обогащении горной породы наибольшему износу подвергаются элементы дробильного и измельчительного оборудования, непосредственно контактирующие с породой — била, молоты, футеровки, отражающие плиты дробилок и мельниц. Основным материалом для изготовления этих элементов является аустенитная высокомарганцевая сталь 110Г13Л (0,9—1,4 С, 11,5—15,0 Мп, 0,5—1,0 Si, % масс.), известная по имени своего изобретателя как сталь Гадфильда. Из-за трудности обработки резанием практически все изделия из стали Гадфильда получают только литьем без последующей механической обработки. Такое поведение стали 110Г13Л объясняется повышенной способностью составляющего ее марганцовистого аустенита к упрочнению (наклепу) при резании с повышением твердости с 200 до 700 НВ, что обычно связывают с возникновением большего количества дефектов в кристаллической решетке стали [1] или превращением аустенита в мартенсит [2].
Принято считать [3], что при чисто абразивном воздействии сталь 110Г13Л демонстрирует низкое сопротивление износу, в то время как в условиях больших удельных нагрузок и ударных воздействий, когда металл поверхностного слоя подвергается интенсивному наклепу, сталь приобретает исключительно высокую абразивную износостойкость. Хотя, как показано в работах [4, 5, 6, 7] данное утверждение справедливо только для изнашивания стали по сравнительно мягким породам (менее 1100 НУ), твердость которых уступает твердости стали в наклепанном состоянии. В случае изнашивания по породам большей твердости значительные удельные нагрузки, как и ударные воздействия, способствующие наклепу материала, не приводят к повышению износостойкости стали Гадфильда и она по этому параметру не отличается от обычной среднеуглеродистой стали типа 45. В то же время в литературе имеются отдельные сведения о возможных способах термической и термомеханической обработки стали 110Г13Л, способных повысить ее износостойкость.
Так, в [8] предложен режим термической обработки стали Гадфильда, включающий в себя двукратный отжиг с температурой нагрева 800—830 °С и медленное охлаждение со скоростью не более 25 град/ч до 600 °С с последующей закалкой от 1050—1100 °С в воде. Назначение отжига, по мнению авторов
[8], заключается в перераспределении карбидных включений, изменения их величины и формы, а также выравнивании химического состава по зерну и сечению отливок. Сравнительные испытания, проведенные при дроблении гравия в щековой дробилке ДЩ 150x80 с использованием дробящих плит из стали 110Г13Л, прошедших термическую обработку без двукратного отжига и предлагаемую, показали 50% увеличение стойкости плит, обработанных по второму способу.
В работе [9] обнаружено повышение физико-механических свойств и износостойкости высокомарганцевой стали в результате ее горячего пластического деформирования ковкой и последующей закалки, т.е. в результате высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) [10, 11]. Деформирование предлагается проводить при температурах 950—1200 °С, при которых сталь 110Г13Л обладает наиболее высокой ковкостью, а образцы, изготовленные из поковок после закалки их в воде с температуры конца ковки, имеют наиболее высокие механические свойства. В результате такой ВТМО повышаются как прочностные, так и пластические свойства стали. Для определения износостойкости образцы стали, обработанные указанным образом, помещали в галтовочный барабан, загруженный стальными шарами диаметром 40 мм. После непрерывной работы барабана 100 ч образцы взвешивали с определением их массового износа. В результате данного эксперимента было выявлено, что по мере повышения степени укова образцов до 3 сопротивление стали к износу возрастает на 40%, после чего изменяется незначительно.
С целью выяснения, насколько достигаемый в экспериментах [9] эффект повышения износостойкости будет сохраняться и при других видах изнашивания стали 110Г13Л, характерных для работы элементов дробильного и измельчительного оборудования, в настоящей работе исследовали влияние ВТМО на скорость износа образцов этого материала при абразивном изнашивании.
Испытания проводили по модернизированной методике [4, 5] на установке, схема которой представлена на рис. 1, при скорости вращения шпинделя станка 11,4 с-1. В качестве абразивной среды 1 (рис. 1) использовали электрокорунд 25 А, как материал с агрегатной твердостью (~2500 НУ), заведомо превышающей твердость стали Гадфильда в наклепанном состоянии. При постоянной статической нагрузке торцевую поверхность образцов 2 изнашивали в течение 3,5 мин с замером их массы
через каждые 30 с. После каждого замера абразивный материал смещали относительно образца, что обеспечивало в каждом цикле контакт металла со свежей поверхностью абразива. По результатам замера массы образца до и после воздействия породы определяли ее потерю Дm, которую относили к площади контакта (51 ~ 50 мм2) образца с абразивом. Перед испытаниями измеряли твердость образцов на их торцевой поверхности.
Образцы стали для испытаний изготавливали в виде цилиндров ф ~ ~ 8 мм) свободной ковкой при температуре 1150—950 °С из поковок больших диаметров (12 и 10 мм), что обеспечивало величину укова а металла 2,25 и 1,56, соответственно. Одну часть образцов с температуры ковки закаливали в воде, т.е. подвергали ВТМО. Другую — для снятия эффекта пластического деформирования, подвергали выдержке ~15 минут в печи при температуре 1150 °С, с которой закаливали в воде, тем самым имитируя режим термической обработки (ТТО), обычно используемый при изготовлении изделий из стали 110Г13Л [12].
Зависимость удельной убыли массы образцов от продолжительности абразивного воздействия иллюстрирует табл. 1.
Как показала обработка результатов экспериментов табл. 1, все экспериментальные точки зависимостей ZДm/S = /(¿) удовлетворительно экстраполируются прямыми линиями, тангенсы угла наклона которых представляют собой скорости абразивного изнашивания К образцов. Величины обратные К. принимали за значения абразивной износостойкости стали Я., деформированной при ВТМО с той или иной интенсивностью.
Рис. 2 иллюстрирует графические зависимости ZДm/S = /(0 образцов, показавших наиболее высокую (образец № 2) и наиболее низкую (образец № 5) износостойкость.
Экспериментально установленные скорости изнашивания К., соответствующие им величины износостойкости Я. и ре-
\р
Рис. 1. Схема установки для испытания образцов на абразивный износ: 1 — диск абразивного материала; 2 — испытуемый образец; 3 — держатель; 4 — шпиндель вертикально-сверлильного станка; 5 — устройство подачи воды
Таблица 1
Результаты испытаний образцов из стали Гадфильда на абразивную износостойкость
№ образца Способ обработки Степень укова,а ZAm/S, мг/мм2 за время t, мин
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
1 Закалка с температуры ковки 2,25 2,20 3,86 5,62 6,97 8,32 9,60 10,74
2 Закалка с температуры ковки 2,25 2,12 3,74 5,08 6,09 7,13 8,12 8,88
3 Закалка с температуры ковки 1,56 2,18 3,80 5,36 6,72 8,65 9,97 11,23
4 Закалка с температуры ковки 1,56 2,01 3,37 5,05 6,68 7,96 9,12 10,34
5 Нагрев и выдержка при 1150 °С с последующей закалкой 2,17 4,06 5,91 7,87 9,66 10,99 12,77
6 Нагрев и выдержка при 1150 °С с последующей закалкой 2,09 3,84 5,73 7,28 8,94 10,62 12,10
Рис. 2. Зависимость потери относительной массы образцов от времени испытания
Таблица 2
Характеристики изнашивания и твердость образцов из стали Гадфильда после различных режимов обработки
№ образца Способ обработки образца а Твердость, НВ К, мг/(мм2 • мин) (мм2 • мин)/мг
5 ТТО — 180 3,46 0,29
6 ТТО — 180 3,29 0,30
3 ВТМО 1,56 228 3,02 0,33
1 ВТМО 2,25 228 2,72 0,37
4 ВТМО 1,56 254 2,88 0,35
2 ВТМО 2,25 264 2,05 0,49
зультаты замера твердости образцов, расположенные в порядке возрастания НБ, представлены в табл. 2. Рис. 3 иллюстрирует зависимость износостойкости стали от величины твердости, достигаемой в результате высокотемпературной обработки.
Из сравнения результатов испытаний (табл. 2, рис. 2) видно, что высокотемпературное деформирование материала перед закалкой, как и в условиях проведения экспериментов [9], способствует повышению твердости и износостойкости высокомарганцевой стали в условиях абразивного изнашивания, возрастающих с увеличением интенсивности деформации (степени укова): для образца деформированного с максимальной интенсивностью (образец № 2 по сравнению с № 5) эти параметры повышаются на 47 и 70%, соответственно. Как можно заключить из данных рис. 3, соотношение между значениями износостойкости и твердости, достигаемыми в результате ТТО и ВТМО, можно условно описать линейной зависимостью, что требует уточнения.
150 170 190 210 230 250
Рис. 3. Зависимость износостойкости образцов стали от их твердости, достигаемой в результате обработки
Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение способа высокотемпературной термомеханической обработки способно существенно повысить абразивную износостойкость стали 110Г13Л, а сам способ может быть рекомендован к внедрению в технологию изготовления быстроизнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования из этой стали с целью повышения их срока службы.
В работе также принимал участие магистр А.Д. Лялин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арзомасов Б. Н. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
2. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1976. — 407 с.
3. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.
4. Болобов В. И. и др. Износостойкость стали 110Г13Л в различных абразивных средах // Записки горного института. — 2014. — т. 209. -С. 17—22.
5. Болобов В. И., Бочков В. С., Сюй Цинянь Износостойкость стали Гадфильда при больших удельных нагрузках // Горное оборудование и электромеханика. — 2012. — № 10. — С. 12—14.
6. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Исследования изнашивания металлов. — М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1960. — 351 с.
7. Тененбаум М. М. Износостойкость деталей и долговечность горных машин. — М.: Госгортехиздат, 1960. — 238 с.
8. Парфенов П.И., Сорокин Г. А. Структура и износостойкость стали Г13Л // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1969. — № 1. — С. 67—68.
9. Блюхер В. В., Парфенов Л. И., Волчок И. П. Свойства пластически деформированной высокомарганцовистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1970. — № 12. — С. 32—33.
10. Бернштейн М. Л.Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Т. 1—2. — М.: Металлургия, 1968. — 1172 с.
11. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978. — 392 с.
12. Давыдов Н. Г. Высокомарганцевая сталь. — М.: Металлургия, 1979. — 176 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Болобов Виктор Иванович1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected],
Бочков Владимир Сергеевич1 — кандидат технических наук,
ассистент, e-mail: [email protected],
Мишин И.И.1 — аспирант,
e-mail: [email protected],
Неструев А.А.1 — студент,
1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 52-59.
UDC 669.14.
018.29. 004.62/.63
V.I. Bolobov, V.S. Bochkov, I.I. Mishin, A.A. Nestruev
INFLUENCE OF THERMOMECHANICAL TREATMENT ON THE WEAR RESISTANCE OF MATERIALS OF WEARING ELEMENTS OF ORE DRESSING EQUIPMENT
Analyzed patterns of abrasive wear of steel 110G13L, named after its inventor, RA Had-field, as the main material of wearing elements of crushing and milling facilities - beaters, hammers, liners, etc. of crushers and mills, and possible ways to improve its durability. We describe a technique developed by the authors of high-temperature deformation of steel forging and experiments on samples of abrasion. Presentation of the test results showed that the hardness and wear resistance of manganese steels depend on the intensity of plastic deformation prior to harding, increasing its magnification. For maximum intensity plastic deformation increase the wear resistance of steel compared with the non-deformed steel reaches 70%. We present dependence of the wear resistance of the steel hardness values HB, achieved as a result of plastic deformation. The authors conclude that the service life of wearing components of mining equipment can significantly increase the production of these elements hot forming and subsequent quenching.
Key words: hadfield steel, abrasion, hardness, high-temperature plastic deformation hardening.
AUTHORS
Bolobov V.I}, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected], Bochkov V.S.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant, e-mail: [email protected], Mishin I.I.1, Graduate Student, e-mail: [email protected], Nestruev A.A.1, Student,
1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.
REFERENCES
1. Arzomasov B. N. Materialovedenie (Materials science), Moscow, Mashinostroenie, 1986, 384 p.
2. Lakhtin Yu. M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov (Metallurgy and heat treatment of metals), Moscow, Metallurgiya, 1976, 407 p.
3. Gulyaev A. P. Metallovedenie (Metallography), Moscow, Metallurgiya, 1986, 544 p.
4. Bolobov V. I. Zapiskigornogo instituta. 2014, vol. 209, pp. 17—22.
5. Bolobov V. I., Bochkov V. S., Syuy Tsinyan' Gornoe oborudovanie ielektromekhanika. 2012, no 10, pp. 12-14.
6. Khrushchov M. M., Babichev M. A. Issledovaniya iznashivaniya metallov (Research of wear metals), Moscow, Izd-vo Akad. nauk SSSR, 1960, 351 p.
7. Tenenbaum M. M. Iznosostoykost' detaley i dolgovechnost'gornykh mashin (Wear resistance of parts and durability of mining machines), Moscow, Gosgortekhizdat, 1960, 238 p.
8. Parfenov P. I., Sorokin G. A. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1969, no 1, pp. 67-68.
9. Blyukher V. V., Parfenov L. I., Volchok I. P. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 1970, no 12, pp. 32-33.
10. Bernshteyn M. L. Termomekhanicheskaya obrabotka metallov i splavov. T. 1-2 (Ther-momechanical treatment ofmetals and alloys, vol. 1-2), Moscow, Metallurgiya, 1968, 1172 p.
11. Novikov I. I. Teoriya termicheskoy obrabotki metallov (Theory of thermal treatment of metals), Moscow, Metallurgiya, 1978, 392 p.
12. Davydov N. G. Vysokomargantsevaya stal' (Manganese steels), Moscow, Metallur-giya, 1979, 176 p.
