Стали и сплавы для работы в контакте с рабочей средой

Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию, необходимы для изготовления таких деталей, которые работают в контакте с грунтом, с твердой породой: буровой инструмент, шнеки, бункера, детали рудомелющих агрегатов, детали засыпных агрегатов доменных печей. Для таких деталей, так же, как и для пар трения, необходимо обеспечить эксплуатацию в условиях многократной упругой деформации и исключить пластическую деформацию и скалывание частиц, т.е. виды патологического износа.

В общем случае износостойкость пропорциональна твердости. Деталям, работающим в условиях абразивного износа, большую износостойкость обеспечивают не мартенсит и цементит, а специальные карбиды Cr₇C₃, VC, TiC, WC, которые имеют большую твердость и модуль упругости (табл. 2.14). Причем количество этих карбидов должно быть более 10 %.

Таблица 2.14

Твердость и модуль упругости карбидов

Карбид	Микротвердость, ГПа	Модуль упругости, ГПа
TiC	31,7	460
VC	28,3	430
TaC	17,2	294
Cr7C3	16 ,0	380
Mo2C	15,0	544
WC	17,2	720
Fe3C	9,2	310

Материалами, стойкими к абразивному изнашиванию, являются высокоуглеродистые заэвтектоидные стали (1,0 – 1,2 % С) и карбидные сплавы.

Карбидные сплавы принадлежат к системе легирования Fe + 4 % C + Cr + W + Ti + (Mn, Ni). Они изготавливаются литыми или в виде наплавок на деталь при помощи электродуговой сварки. Термообработка к ним не применяется. Фазовый состав карбидных сплавов: мартенсит с 10 - 50 % карбидов крупных (микронных и миллиметровых) размеров, или мартенсит с аустенитом и карбидами. Количество аустенита регулируется введением никеля и марганца. Карбиды представляют собой высокомодульные карбиды состава: Cr₇C₃, VC, TiC, WC. Твердость сплавов составляет 61 - 63 HRC.

Марки сплавов: 95Х7Г5С, 250Х38, 350Х15Г3Р1, 370Х7Г7С и др. В марках этих сплавов, а также заэвтектоидных сталей количество углерода указывается увеличенным в 100 раз.

Материалы, стойкие к ударно-абразивному изнашиванию, необходимы для деталей, работающих в условиях одновременного воздействия ударных нагрузок и трения абразивными частицами (грунт). Такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, зубьев ковшей экскаваторов, кулаков мощных камнедробилок, крестовин железнодорожных рельсов.

К этим деталям предъявляется двойное требование: особо твердая поверхность для сопротивления износу в контакте с грунтом и вязкая сердцевина – для сопротивления ударным нагрузкам. Таким требованиям в максимальной степени удовлетворяет сталь Гатфильда – высоколегированная сталь системы Fe - C - Mn марки 110Г13Л (буква «Л» означает литое состояние). Это сталь аустенитного класса, которая имеет специфическое свойство: под действием ударных нагрузок марганцевый аустенит интенсивно упрочняется (наклепывается). Так, твердость приповерхностных слоев детали из стали 110Г13Л при ударных нагрузках возрастает примерно втрое, что и обеспечивает износостойкость деталей при эксплуатации. А сердцевина детали остается вязкой, что связано с пластичностью ГЦК решетки аустенита. Вследствие этого детали из стали 110Г13Л одновременно обладают и износостойкостью к абразивному изнашиванию (поверхность), и стойкостью к ударным нагрузкам (сердцевина).

Износостойкие покрытия. Повышенную износостойкость деталей возможно обеспечить, применяя нанесение покрытий.

Высокой твердостью обладают карбиды, нитриды – соединения, которые образуются в процессе нанесения покрытий в приповерхностном слое сталей.

Борирование сталей применяют при изготовлении штампов, различных деталей, работающих в условиях изнашивания. Твердость поверхности обеспечивается образованием высокотвердых боридов железа. Борированные стали, кроме износостойкости, обладают коррозионной стойкостью, теплостойкостью, жаростойкостью (до 800°С).

Хромирование для повышения износостойкости применяют для низко- и среднеуглеродистых сталей, в которых возможно образование на поверхности высокотвердых карбидов хрома. Хромированные стали имеют высокую износостойкость в условиях кавитационного и эрозионного изнашивания при низких и высоких температурах. Их стойкость в 25 раз более высокая по сравнению со сталями без покрытия.

Ванадирование сталей приводит к повышению износостойкости более чем в 20 раз по сравнению со сталью без покрытия.

Титанирование конструкционных и инструментальных сталей дает возможность повысить работоспособность различных изделий от 5 до 20 раз.