Объёмное упрочнение зубьев ковшей экскаваторов

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются методы объемного упрочнения зубьев ковшей экскаваторов, методы повышения износостойкости режущих элементов землеройных машин и разработка на их базе конструкторско-технологических решений, повышающих износостойкость рабочих органов. Даны конкретные рекомендации по упрочнению зубьев ковшей экскаваторов.

ABSTRACT

This article considers the volumetric strengthening of the teeth of buckets of excavators. The article discusses methods of increasing wear resistance of cutting elements of earth-moving machines and developing the design and technological solutions based on them that increase the wear resistance of working elements. Specific recommendations are given for strengthening the teeth of excavator buckets.

Ключевые слова: износостойкость, повышение, износ, землеройная машина, режущая часть, зуб, ковш, экскаватор, абразивность, резание, материал, долговечность.

Keywords: abrasiveness, bucket, cutting part, cutting, durability, earth moving machine, excavator, increase, material, tooth, wear resistance.

Методы объемного упрочнения деталей предполагают проведение каких-либо технологических операций, в результате которых материал деталей по всем рабочим сечениям приобретает повышенные противоизносные свойства. Общеизвестным и широко применяемым на практике методом объемного упрочнения является, например, объемная закалка деталей.

Зубья ковшей экскаваторов в большинстве случаев изготавливаются из средне- или высокоуглеродистых и легированных сталей, поддающихся объемной закалке, и поэтому эта операция обычно является составляющим звеном в техпроцессе изготовления зубьев. Высокомарганцевая сталь 110Г13Л, из которой изготавливаются зубья ковшей карьерных экскаваторов, представляет собой литейную сталь с высоким содержанием углерода и марганца, которая после объемного упрочнения приобретает структуру мелкозернистого аустенита. Сталь 110Г13Л, закаленная на аустенит, имеет более высокие механические свойства, чем в литом состоянии (табл. 1) [4].

Таблица 1.

Известно, что аустенит обладает ярко выраженной способностью к упрочнению (наклепу) при холодной деформации. В то же время твердость закаленной стали 110Г13Л возрастает до НВ 550–800, а ее износостойкость в условиях абразивного износа при значительных и ударных нагрузках становится в 8–10 раз больше, чем у стали 35л [1; 2; 4]. Поэтому объемное упрочнение в некоторых случаях может быть эффективным методом повышения долговечности зубьев из стали 110Г13Л.

Другим широко распространенным методом объемного упрочнения деталей является замена материала детали на материал, имеющий более высокие служебные свойства. Изучение источников научно-технической информации показало, что до настоящего времени исследователями не предложен эффективный заменитель высокомарганцовистой стали 110Г13Л. В качестве исключения можно указать на сплавы импортного производства. Эти материалы представляют собой сложнолегированные сплавы, содержащие такие элементы, как вольфрам, хром, никель, молибден, титан и т.п. Кроме того, эти сплавы отличаются низким уровнем содержания вредных примесей (серы и фосфора). Износостойкость деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания и изготовленных из этих сплавов, повышается в несколько раз, однако высокая стоимость сложнолегированных сплавов и необходимость поставки их по импорту является серьезным препятствием для их использования в производстве зубьев ковшей карьерных экскаваторов.

Более приемлем и экономически целесообразен метод объемного упрочнения только рабочих частей деталей, подверженных наиболее интенсивному изнашиванию. Этот метод технологически более сложен, требует применения специального оборудования и во многих случаях труднореализуем по конструктивным причинам. Однако для зубьев ковшей карьерных экскаваторов метод объемного упрочнения быстроизнашивающейся режущей части может быть без значительных затруднений реализован на базе существующей технологии восстановления зубьев.

Специалистами Донецкого политехнического института разработана технология электрошлаковой наплавки (ЭШН) зубьев ковшей экскаваторов. Установка, работающая по указанной технологии, используется в ЦРГО рудника «Мурунтау» для восстановления изношенной режущей части зубьев ковшей карьерных экскаваторов. На установке электрошлаковой наплавки в качестве плавящегося электрода используются фрагменты изношенных и не подлежащих восстановлению зубьев, химический состав материала зубьев и восстанавливаемой режущей части одинаков, благодаря чему достигается надежное сплавление тела зуба с наплавляемым металлом.

Эффективность технологии восстановления зубьев электрошлаковой наплавкой заключается в увеличении ресурса зубьев за счет трех-, четырехкратной наплавки режущей части.

Для реализации в данном случае метода объемного упрочнения необходимо процесс восстановления режущей части заменить на процесс приварки острия к телу зуба. Схема проведения такого процесса на установке электрошлаковой наплавки показана на рис. 1. Изношенный зуб 1 и привариваемое острие 2 устанавливаются с зазорами в видоизмененный кристаллизатор 3. Сверху в имеющийся зазор вводится плавящийся электрод 4 с небольшим поперечным сечением. При постепенном расплавлении электрода 4 в наведенной в кристаллизаторе 3 шлаковой ванне происходит сварка торцов зуба 1 и острия 2.

Рисунок 1. Схема приварки износостойкого острия к телу зуба

Преимущество предлагаемого процесса состоит в том, что химический состав и физико-механические свойства материала острия 2 могут значительно отличаться от тех же показателей материала зуба 1. Существенна также возможность изготовления острия 2 любым иным способом, чем метод литья.

Отсутствие ограничений по химическому составу и другим свойствам, например, позволят даже дорогим многокомпонентным сплавам получения сплава с более высоким уровнем износостойкости, чем сталь 110Г13Л, использоваться для наконечника 2. При трех- или четырехкратном увеличении долговечности такой метод упрочнения зубьев может оказаться экономически оправданным, так как при минимальном расходе сложнолегированных сплавов будут резко сокращены затраты на восстановительные операции.

Также перспективным является направление разработки технологии, предусматривающей получение точечного армированного композиционного сплава. Этот путь предложен авторами технологии электрошлаковой наплавки зубьев [3].

Объемное упрочнение острия можно произвести и более простым способом. Это показывает, что механические свойства и износостойкость стали 110Г13Л значительно увеличены в результате ее горячей деформации (создание) и последующего укрепления в воде [2]. При степени укова 5 % размер зерна аустенита уменьшается от 0,16 мм до 0,03 мм, временный предел прочности при растяжении увеличивается от 570 МПа до 1030 МПа, предел текучести возрастает от 480 МПа до 790 МПа, а ударная вязкость – от 151 Дж/см² до 214 Дж/см². Отмечается также некоторое увеличение пластических свойств кованной стали 110Г13Л. Авторы приводят в пример результаты производственных испытаний молотковой дробилки М13-16Б, изготовленной ковкой из высокомарганцевой стали. Срок службы кованых ударов увеличен в 1,7 раза [2].

Приведенные в работе данные можно считать достоверными, так как они получены в результате применения хорошо известного и широко используемого на практике технологического приема упрочнения литого металла [4]. Следует ожидать, что и острия зубьев, изготовленные методом ковки, также будут иметь повышенную износостойкость по сравнению с литыми.

Приварка кованой режущей части к телу зуба на установке электрошлаковой наплавки не вызовет особых затруднений. Плавящийся электрод, как и в существующей технологии, должен быть выполнен из стали 110Г13Л, а для предотвращения развития рекристаллизационных процессов в привариваемом острие вследствие его прогрева теплом, выделяющимся в шлаковой ванне, необходимо будет принять дополнительные меры, обеспечивающие его интенсивное охлаждение.

Выводы. Заканчивая оценку возможностей и ожидаемых результатов внедрения технологии объемного упрочнения режущей части и ее приварки к телу зуба, следует отметить, что предлагаемая технология может быть использована и при изготовлении новых зубьев. В этом случае возникает вариант усложненной сварно-литой конструкции зуба. Производство таких зубьев потребует дополнительных затрат, а это приведет к увеличению стоимости зубьев, однако при уровне долговечности режущей части, исключающем проведение восстановительных операций в течение всего срока службы зуба, некоторое увеличение стоимости сварно-литых зубьев не может стать препятствием для внедрения предлагаемой технологии.

Список литературы:

1. Воронов Н.А., Боголюбов М.В. Повышение долговечности режущих элементов карьерных экскаваторов. – НИИ ИНФОРМТЯЖМАШ, 1975. – С. 34.
2. Гребенюк С.С., Ермолов Л.С. К вопросу зависимости износостойкости металлов при абразивном изнашивании от физико-механических свойств // Известия вузов. Машиностроение. – 1970. – № 6. – С. 26–29.
3. Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. Строительные машины : учеб. пособие: в 2 ч. – Высшая школа, 1985.
4. Сорокин Г.М. Влияние механических характеристик высокомарганцевой стали на ее абразивную износостойкость // Вестник машиностроения. – 1975. – № 6. – С. 26–29.