Золотая середина стали или новый стандарт твёрдости

Переход с Hardox® 450 на Hardox® 500 Tuf позволил снизить степень износа с 0,435 мм до 0,2 мм в год при работе с гранитом, что эквивалентно увеличению сервисного интервала на 12%.

Один из главных трендов современного машиностроения – снижение веса конструкции оборудования и увеличение эксплуатационной долговечности. Чем легче ковш или кузов самосвала, тем меньше энергии затрачивается в процессе решения поставленных задач и тем выше скорость выполнения цикла работ. Повышается коэффициент технической готовности оборудования, увеличивается ходимость его основных несущих конструкций и шин, снижаются расход топлива и степень усталостного разрушения основной и поворотной рамы машины, стрелы и рукояти экскаватора, рамы и элементов подвески автосамосвала. Одним словом, машина служит дольше и расходов требует меньше. Но как можно облегчить оборудование и при этом не потерять в качестве?

Один из главных трендов современного машиностроения – снижение веса конструкции оборудования и увеличение эксплуатационной долговечности. Чем легче ковш или кузов самосвала, тем меньше энергии затрачивается в процессе решения поставленных задач и тем выше скорость выполнения цикла работ. Повышается коэффициент технической готовности оборудования, увеличивается ходимость его основных несущих конструкций и шин, снижаются расход топлива и степень усталостного разрушения основной и поворотной рамы машины, стрелы и рукояти экскаватора, рамы и элементов подвески автосамосвала. Одним словом, машина служит дольше и расходов требует меньше. Но как можно облегчить оборудование и при этом не потерять в качестве?

Стальной вопрос

Изменение свойств и характеристик стали, которая лежит в основе конструкции или футеровки, может существенно снизить её вес и улучшить основные показатели – твёрдость, предел текучести, ударную вязкость, а также свойства при гибке. Инженеры и технологи компании SSAB, ведущего мирового производителя высокопрочной и износостойкой стали, выяснили, что при улучшении её износостойких свойств на 30–40% можно на эти же 30–40% снизить толщину металла при сохранении ходимости. Решение – облегчить конструкцию, применяя более твёрдый материал, который при этом будет обладать необходимой ударной вязкостью.

hardox

Любые изменения свойств стали заключаются, с одной стороны, в изменении режимов закалки и отпуска, с другой, в трансформации химического состава легирующих элементов. Так, комбинирование процессов нагрева и остывания даёт уникальную структуру стали, а внесение в неё определённого количества химических элементов позволяет создавать особую химическую композицию. Соединяя два этих способа, можно сделать сталь твёрже, заставить лучше работать на износ и облегчить конструкцию. Однако не всё так просто, как может показаться на первый взгляд. Твёрдость стали взаимосвязана с другими характеристиками – чем она выше, тем хуже ударная вязкость и материал больше подвержен растрескиванию, он становится более хрупким. Кроме этого, важно учитывать изменения в радиусе гиба, потому что не всегда изделия из износостойкой стали изготавливаются плоскими, часто их сгибают под определенным углом для придания формы. И чем твёрже сталь, тем хуже она гнётся. Сделать так, чтобы сталь была одновременно и твёрдой, и стойкой к образованию трещин сложно, но можно.

«Если мы хотим улучшить сталь, мы меняем режим закалки и отпуска и химический состав легирующих элементов. Так появилось новое поколение нашей марки Hardox® – износостойкая сталь Hardox® 500 Tuf. Это золотая середина между Hardox® 450 и более твёрдой, но обладающей меньшей ударной вязкостью Hardox® 500. В стали нового поколения при достаточно высокой твёрдости благодаря скрупулезной работе технологов были улучшены свойства при гибке и увеличена ударная вязкость, при этом износостойкие решения, изготовленные из Hardox® 500 Tuf, в среднем работают на 35–50% дольше, чем решения из стали Hardox® 450», – отмечает Роман Снегирёв, региональный технический менеджер / TDM Russia & CIS.

Золотая середина

Для того чтобы из миллионов комбинаций термической обработки и химических элементов вывести работающую формулу, нужно обладать большим мастерством, не бояться экспериментов, а главное, поставить себе чёткую цель.

При модернизации стали Hardox® 500 перед специалистами SSAB стояла нелёгкая задача – значительно уменьшить усталостное коррозионное растрескивание на самосвальных кузовах. При всех достоинствах этой твёрдой стали (500 единиц по Бринеллю) – повышенной стойкости к износу и хорошей обрабатываемости, при работе самосвалов возникали трещины. Коррозия создавала концентрацию напряжений и тем самым инициировала растрескивание. Идея Hardox® 500 Tuf была в том, чтобы повысить в стали твердостью 500 ед. по Бринеллю ударную вязкость, тем самым уйти от возможных растрескиваний при работе на удар и уверенно использовать эту марку там, где раньше были проблемы, например, в самосвальных кузовах. Ещё одной задачей было повысить ударную вязкость стали, чтобы её можно было применить в качестве базового конструкционного материала ковша. Это позволило бы делать основную конструкцию ковша из твёрдого материала, сократить до минимума футеровку для защиты, потому что структурный материал уже был бы износостойким. Такой ковш при малой массе смог бы работать гораздо дольше, нежели с конструкционной сталью в основе, защищённой износостойкой футеровкой. И техническим специалистам удалось найти эту золотую середину.

На сегодняшний день Hardox® 500 Tuf рассматривается как базовый стандарт для горной промышленности и индустрии производства кузовов и ковшей. Сейчас SSAB переходит на более твёрдую сталь, тем самым облегчая конструкции и увеличивая ходимость самих изделий.

Базовый стандарт

Hardox® 500 Tuf стал воплощением лучших свойств своих предшественников – марок стали 450 и 500. Стойкость к образованию вмятин и трещин при ударах – один из главных показателей, над которым велись интенсивные работы. При создании нового поколения стали специалисты стремились сохранить высокую твёрдость, но при этом достичь высокой ударной вязкости. За счёт того что в Hardox® 500 Tuf предел текучести был повышен, а ударная вязкость была приближена к показателям марки 450 и составила 45 Дж, эта сталь менее склонна к образованию вмятин из-за своей прочности. Более того, Hardox® 500 Tuf в экстремально низких температурах выдержит удар большей силы об острые и тяжёлые предметы, чем Hardox® 500, и не растрескается, что делает этот материал очень хорошим для применения в качестве основной стали для ковшей любой техники и кузовов как дорожных самосвалов, так и карьерных.

Сталь SSAB уверенно работает при температурах от –40 °C до + 225 °C. Если сильнее нагреть любую марку стали Hardox®, она начнёт терять твёрдость, однако на Земле, к счастью, нет таких температур. Нижний предел, –40 °C, определяется исходя из сохранения ударной вязкости, гарантированная работа удара составляет 27 Дж при –20 °C, но типовое значение гораздо выше – 45 Дж. Это означает, что Hardox® 500 Tuf отлично чувствует себя в любом горнодобывающем регионе России и СНГ, и экстремально низкие температуры ей не помеха. Остальные погодные условия: снег, дождь, влажность, не влияют на характеристики стали, потому что, как правило, износ идёт быстрее, чем развивается коррозия. Единственное противопоказание для стали марки Hardox®500 Tuf – агрессивная химическая среда обогатительных фабрик, где в дополнение к высокой влажности присутствует ещё и химическая эрозия. Для таких производств у SSAB есть специальная марка стали Hardox® HiAce, устойчивая к угрожающей коррозионной кислотной среде.

К типичным сферам применения продукции из новой стали Hardox® 500 Tuf относится, например, погрузкаразгрузка тяжёлой и высокоабразивной породы в карьерах и горных разработках, транспортировка крупногабаритного и тяжёлого стального лома, демонтаж зданий и сооружений с погрузкой железобетона, в том числе навалом, в кузова самосвалов. Hardox® 500 Tuf выпускается в диапазоне от 4 до 25,4 мм, это те толщины, которые полностью покрывают нужды производства кузовов и ковшей.

«При использовании стали Hardox® 500 Tuf наши партнеры отмечают три особенности: увеличение грузоподъёмности самосвала или контейнера до 15%, уменьшение веса машины по сравнению с использованием более толстой стали, увеличение срока службы до 30%. Благодаря улучшенным свойствам твёрдости, прочности и ударной вязкости стали Hardox® 500 Tuf в сравнении со сталью серии АR450, можно сократить толщину днища кузова машины до 2 мм», – комментирует Андрей Чуприн, директор по продажам подразделения SSAB Special Steels.

Лаборатория минералов

Исследовательский центр SSAB принимает минералы со всех уголков мира. Когда какому-либо предприятию необходимо подобрать новую сталь, его минералогия отправляется в лабораторию в небольшом шведском городе Окселосунд – родину стали Hardox®. Там располагается один из основных металлургических заводов SSAB и исследовательские лаборатории, занимающиеся разработкой как самой рецептуры стали, так и всех вопросов, которые с ней связаны, – сваркой, резкой, гибкой, механической обработкой и применением в различных отраслях. В ходе разработки новых марок в специальное оборудование закладываются образцы стали и разные минералогические композиции, создаётся трение в определённых условиях. Только так можно измерить фактический износ, чтобы в будущем уверенно гарантировать качество.

Расчёты износа при трении скольжения о различные породы производятся с помощью специальных компьютерных программ. В них хранятся данные по всем встречающимся на Земле минералам и сотням их композиций, взятых из угольных месторождений, металлургических, золотодобывающих, алмазодобывающих и других рудников.

В лаборатории минералогия с предприятия анализируется, а затем данные вносятся в программу, где уже составляется композиция. Далее в ней можно комбинировать варианты скользящего или ударного износа в зависимости от оборудования, ведь самосвалы, ковши, конвейеры, пересыпное оборудование и бункеры обладают совершенно разными характеристиками. Можно задать процент ударного и скользящего износа, в ударном также обозначить, под каким углом материал падает на сталь, с какой высоты и с какой скоростью, какого размера фракция и т.п. В программе уже заложены типовые шаблоны износов марки стали относительно другой, допустим, Hardox® 400 от Hardox® 450 и Hardox® 500. Обладая информацией о стали, которую покупатель использовал, а также о минералогическом составе, с которым он работает, специалисты SSAB могут точно рассчитать ходимость решений, которые будут защищать оборудование от износа при применении различных марок стали Hardox® 500.

Облегчить конструкцию машины, в два раза увеличить срок службы оборудования, в несколько раз сократить количество межремонтных работ можно благодаря современным решениям. Новое поколение стали – твёрдой и прочной, но при этом гибкой и лёгкой, позволяет решить многие эксплуатационные вопросы. Главное, не бояться нового и выбрать надёжного и опытного производителя стали.

Журнал "Горная Промышленность" №3 / 2020, стр.62