Технические науки/1. Металлургия

к.т.н. Квон Св.С., магистрант Есжанова А.Е.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Анализ влияния свойств материалов на срок службы направляющих устройств скипов

Безаварийная эксплуатация и высокая производительность шахтного подъема в большой степени определяются армировкой шахтных стволов. В качестве направляющих устройств на горнодобывающих шахтах используются башмаки скольжения. В процессе эксплуатации ими воспринимаются различные ударные, контакно-циклические нагрузки, вызывающие абразно-механический износ. Быстрое истирание вкладышей башмаков скольжения, приводящее к повышению зазора между направляющими и проводником, является основной причиной короткого срока их службы – в среднем около 14 дней для скипового подъема.

Следовательно, основным резервом увеличения срока службы башмаков является повышение износостойкости вкладышей.

Как известно [1], повышение твердости материала ведет к увеличению его износостойкости, кроме того при этом уменьшается коэффициент трения [2]. Иными словами, замена существующего материала вкладышей на более твердый позволит повысить срок их службы, так как при этом должна уменьшиться сила трения башмак-проводник и одновременно увеличиться стойкость башмака против износа. При выборе материала для элементов башмаков скольжения необходимо учитывать два обстоятельства:

- во-первых, твердость материала башмаков должна быть выше твердости проводников (250 НВ), чтобы обеспечить благоприятные условия трения – пару мягкое-твердое.

- во-вторых, выбранный материал должен обладать высокой красностойкостью, так как в процессе трения значительно повышается рабочая температура поверхности.

Таким образом, учитывая характер возникающих нагрузок и условия

эксплуатации пары башмак-проводник, можно сформулировать требования, предъявляемые к материалу вкладышей:

1. Общая поверхностная твердость материала должна превышать твердость 250 НВ.

2. Красностойкость материала должна составлять не менее 600 ⁰С.

3. Материал должен обладать хорошими механическими свойствами (достаточно высокие значения предела прочности σ_В и ударной вязкости а_н).

4. Микроструктура материала должна удовлетворять принципу Шарпи. Согласно этому принципу, высокой износостойкостью обладает только та структура, где твердые составляющие залегают в виде отдельных равномерно распределенных включений в вязкой матрице.

С целью разработки мер по повышению износостойкости вкладышей были проведены детальные металлографические исследования их структуры.

В результате исследований было установлено, что основным материалом для изготовления вкладышей, являются мало- и средне-углеродистые стали марок группы А: ст3…ст5 в зависимости от партии. Приблизительный химический состав и некоторые механические свойства этих сталей приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства сталей

№ п/п	Марка стали	Химический состав, %				Механические свойства
		С	Mn	S	P	σB, МПа	δ, %
1.	ст3	0,14-0,22	0,4-0,6	0,045	0,055	380-470	24
2.	ст4	0,18-0,27	0,4-0,7	-	-	420-520	26
3.	ст5	0,28-0,37	0,5-0,8	-	-	500-620	28

Все используемые стали относятся к доэвтектоидным сталям. Структура в равновесном состоянии представлена колониями крупнопластинчатого перлита и включениями феррита. Средняя твердость подобной структуры колеблется в пределах от 160 до 190 НВ, а микротвердость мягкой ферритной сетки составляет порядка 125-150 кг/мм². Очевидно, что подобная микроструктура обладает невысокой износостойкостью и относительно низкими механическими свойствами.

Применение углеродистых сталей как в отожженном, так и в закаленном состояниях, в качестве материала для изготовления вкладышей вообще представляется нецелесообразным. При одинаковой поверхностной твердости после закалки микроструктура углеродистых сталей обладает более низкой износостойкостью, чем например, сталей ледебуритного класса или белых чугунов. Объясняется это тем, что микроструктура последних представлена относительно мягкой матрицей с твердыми избыточными карбидными включениями, причем матрица играет роль смазки, что и снижает степень износа поверхности.

Кроме того красностойкость углеродистых сталей составляет всего лишь порядка 300⁰С. Так как в процессе трения развиваются значительные температуры (до 600⁰С), низкая красностойкость обуславливает резкое падение твердости и износостойкости материала с одной стороны и, как следствие, увеличение коэффициента трения с другой стороны [2,3].

Указанные причины (неэффективность термообработки, неудовлетворительная микроструктура и низкая красностойкость углеродистых сталей) делают нецелесообразным их применение в рассматриваемом случае и, соответственно, требуют поиска иных мер по повышению износостойкости материалов для изготовления вкладышей.

Возможно использование различных поверхностных методов упрочнения: химико-термическая обработка, наплавка, напыление и т.д. Однако эти технологии требуют значительных капиталовложений, что оправдано лишь при больших объемах производства.

Таким образом, реальным способом в условиях ПО «Карагандауголь» повышения износостойкости вкладышей является замена материала на более износостойкий, с лучшими механическими свойствами.

Анализ свойств и микроструктуры различных материалов с учетом требований, изложенных выше, показал, что наиболее приемлемым материалом в данном случае являются высокохромистые чугуны. Химический состав некоторых, наиболее распространенных марок, приведен в табл. 2.

Высокохромистые чугуны обладают хорошими механическими свойствами, высокой твердостью в литом состоянии, слабым колебанием твердости при изменениях высокохромистых чугунов почти не уступает высокотекучести обычного серого чугуна, что позволяет получать детали, используемые в литом состоянии, без последующей механической обработки.

Таблица 2

Химический состав высокохромистого износостойкого чугуна

Марка	Содержание элементов, %
	С	Mn	Si	Cr	Ni
1	2	3	4	5	6
ИЧХ28И2	2,7-3,0	0,8-1,4	0,5-0,8	28-30	1,5-3,0
ИЧХ15М3	3,0-3,5	0,3-0,6	0,5-0,9	12-18	-
ИЧХ14Г2Н	2,0-2,4	0,5-0,7	1,8-3,2	13-15	1,2-2,0

Надо заметить, что литейная усадка высокохромистых чугунов составляет около 2%, поэтому при получении отливок требуется применение прибылей или компенсации усадки.

С целью опробации износостойких вкладышей башмаков скольжения на заводе НПО Джезказганцветмет была отлита опытная партия вкладышей башмаков из чугуна марки ИЧХ28Н2, затем подвергнутая детальному металлографическому анализу.

Исследования микроструктуры и свойств опытных отливок проводились на стандартном оборудовании: микроскопе «Metaval» со специальной приставкой и приборе Роквелла ТК-2М.

Микроструктура отливки (увеличение 400), как и ожидалось, представлена карбидно-аустенитной эвтектикой. Высокое содержание хрома (более 10%) в чугуне приводит к образованию сложного тригонального карбида типа (Fe, Cr)₃C, который, в свою очередь, оказывает влияние на строение эвтектических колоний. Кристаллизация начинается с зарождения аустенитного дендрита, в межосном пространстве которого происходит кристаллизация сложного карбида. Таким образом, микроструктура высокохромистого чугуна в литом состоянии представляет собой пластичную аустенитную матрицу с относительно невысокой микротвердостью с отдельными включениями твердого и хрупкого карбида. Измерения микротвердости исследуемых фаз подтвердили правильность их идентификации: микротвердость карбидов составила 1200-1500 кг/мм², а микротвердость аустенитной фазы около 650 кг/мм², что хорошо согласуется с данными [5]. Значение средней твердости поверхности отливки составило 48-50 НРС.

Микроструктура полученной отливки высокохромистого чугуна марки ИЧХ28Н2 отвечает, таким образом, принципу Шарпи о полной инверсии фаз.

В пользу ожидаемых высоких износостойких свойств отливок говорит и тот факт, что они эксплуатируются непосредственно в литом состояний после отжига, т.е. со стабильной структурой.

Согласно [6] при эксплуатации подобных материалов происходит изменение микрогеометрии рельефа, сопровождающееся некоторым упрочнением поверхностных слоев.

Таким образом, наличие инверсированной микроструктуры (микротвердость твердой составляющей около 1500 кг/мм²), ее стабильность, высокая общая твердость позволяет предполагать высокое сопротивление изнашиванию в ходе эксплуатации и, за счет высокой твердости, снижение сил трения в паре башмак-проводник.

Промышленные испытания опытной партии вкладышей, проведенные на шахтах им. Костенко и им. 60-летия Октябрьской революции, полностью подтвердили эти предположения. Срок службы установленных башмаков скольжения с износостойкими вкладышами за счет снижения износа увеличился в среднем в 14-20 раз.

Полученные результаты замены стальных вкладышей на отливки из высокохромистых чугунов позволяют рекомендовать их для использования в других узлах горношахтного оборудования, где имеет место ударно-абразивный износ.

Список литературы

1. Гуляев А.П. Металловедение. –М. :Металлургия, 1939, 617 с.

2. Механические свойства. –Спр.под ред. Бернштейна Д. –М., Металлургия, - 1987, 540с.

3. Шапранов И.Л., Срыбник А.Д. Высокопрочные и специальные чугуны. –М., Машпром, -1983, 39с.

4. Бобро А.Д. Легированные чугуны. –М., Металлургия, -1987, 312с.

5. Панченко В.В. Скаков Ю.А., Попов К.В. и др. Лаборатория металлографии. –М., Металлургия, -1977, 695с.

6. Дрозд М.С. Определение механических свойств без разрушения. –М., Металлургия, -1987, 312с.