Объяснение основных свойств и применений износостойкой стали

В условиях ударных нагрузок от горных работ, непрерывного трения от строительной техники и суровых условий износа в различных промышленных средах появилась специализированная разновидность стали — износостойкая сталь. Это не обычная сталь, а высокопрочная легированная сталь, которая подвергается специальной обработке для достижения исключительной износостойкости. В этой статье рассматриваются типы износостойкой стали, процессы ее термообработки, стандарты твердости и ее широкое применение, обеспечивая всестороннее понимание этого важнейшего инженерного материала.

Износостойкая сталь — это высокоуглеродистая легированная сталь, разработанная и изготовленная для противостояния износу и нагрузкам. Путем регулировки состава сплавов и процессов термообработки износостойкая сталь достигает превосходной твердости и прочности, сохраняя структурную целостность и функциональность в экстремальных условиях работы. В зависимости от классов твердости и требований применения износостойкая сталь подразделяется на несколько марок, таких как AR200, AR235, AR400, AR450, AR500 и AR600.

Классификация износостойкой стали в основном основана на ее твердости по Бринеллю (BHN). Испытание твердости по Бринеллю измеряет твердость материала путем вдавливания. Стальной шарик определенного размера вдавливается в поверхность материала, и измеряется диаметр отпечатка для расчета значения твердости по Бринеллю. Более высокие значения указывают на большую твердость и износостойкость. Ниже приведены распространенные марки износостойкой стали и соответствующие диапазоны твердости по Бринеллю:

Важно отметить, что твердость не является единственным критерием износостойкости. Практическое применение также требует учета прочности материала, ударопрочности и коррозионной активности рабочей среды. Поэтому выбор подходящей марки износостойкой стали предполагает всестороннюю оценку этих факторов.

Исключительные свойства износостойкой стали достигаются за счет критических процессов термообработки — закалки и отпуска. Сочетание этих процессов существенно изменяет микроструктуру стали, повышая как твердость, так и прочность.

Закалка включает в себя нагрев стали выше критической температуры для аустенизации, с последующим быстрым охлаждением (обычно с использованием воды, масла или воздуха) для превращения аустенита в мартенсит. Мартенсит — чрезвычайно твердая, но хрупкая структура. Цель закалки — достичь максимальной твердости.

• Этапы:
  1. Нагрев: Сталь нагревают выше температуры аустенизации, обычно в диапазоне 850-950°C, в зависимости от состава стали и требуемых свойств.
  2. Выдержка: Сталь выдерживают при температуре аустенизации для обеспечения равномерной внутренней температуры и полного превращения.
  3. Охлаждение: Сталь быстро охлаждают до комнатной температуры или ниже. Скорость охлаждения существенно влияет на конечную твердость и микроструктуру. Распространенными охлаждающими средами являются вода, масло, рассол и воздух.

Закаленная сталь очень твердая, но также хрупкая, что делает ее склонной к разрушению. Отпуск снижает хрупкость и улучшает прочность путем повторного нагрева закаленной стали ниже критической температуры, выдержки в течение определенного периода времени, а затем охлаждения. Во время отпуска мартенсит разлагается на отпущенный мартенсит и карбиды, снижая твердость при одновременном повышении прочности.

• Этапы:
  1. Нагрев: Закаленную сталь нагревают до температуры отпуска, обычно в диапазоне 150-650°C. Более высокие температуры отпуска приводят к большему снижению твердости и улучшению прочности.
  2. Выдержка: Сталь выдерживают при температуре отпуска для обеспечения равномерной внутренней температуры и полного превращения.
  3. Охлаждение: Сталь охлаждают до комнатной температуры. Скорость охлаждения оказывает минимальное влияние на конечные свойства, и обычно используется воздушное охлаждение.

Регулируя температуру, продолжительность и скорость охлаждения при закалке и отпуске, можно точно контролировать твердость и прочность износостойкой стали для удовлетворения различных потребностей применения.

Испытание твердости по Бринеллю — широко используемый метод оценки твердости износостойкой стали. Стандарты испытаний установлены ASTM International (Американское общество по испытанию материалов), в частности, в соответствии со спецификацией E10. Этот стандарт содержит подробные требования к испытательному оборудованию, методам, подготовке образцов и расчетам результатов для обеспечения точности и сопоставимости результатов испытаний.

• Принцип испытания: Закаленный стальной или твердосплавный шарик определенного диаметра вдавливается в поверхность образца с заданной силой, выдерживается в течение установленного времени, а затем удаляется. Измеряется диаметр отпечатка, и значение твердости по Бринеллю рассчитывается как отношение приложенной силы к площади сферической поверхности отпечатка.
• Испытательное оборудование: Твердомер по Бринеллю, способный прилагать точные усилия и измерять диаметры отпечатков.
• Этапы испытания:
  1. Подготовка образца: Очистите поверхность образца, удалив оксиды, смазку и другие загрязнения, и убедитесь, что она плоская.
  2. Выбор силы и индентора: Выберите подходящую силу и диаметр индентора в зависимости от материала и диапазона твердости.
  3. Приложение силы: Вдавите индентор вертикально в поверхность образца и удерживайте в течение указанного времени.
  4. Измерение отпечатка: Используйте микроскоп или специализированный инструмент для измерения диаметра отпечатка.
  5. Расчет твердости: Вычислите значение твердости по Бринеллю по формуле: HB = 2P / (πD(D - √(D² - d²))), где HB — твердость по Бринеллю, P — приложенная сила, D — диаметр индентора, а d — диаметр отпечатка.

Благодаря своей исключительной износостойкости износостойкая сталь широко используется в средах, подверженных сильному истиранию. Основные области применения включают:

• Горное оборудование: Ковши экскаваторов, футеровки дробилок и кузова самосвалов. Эти компоненты выдерживают сильные удары и истирание горных пород во время горных работ, а износостойкая сталь продлевает срок их службы, снижая затраты на техническое обслуживание.
• Строительная техника: Отвалы бульдозеров, ковши погрузчиков и зубья экскаваторов. Эти детали подвергаются трению от грунта и горных пород во время земляных работ, а износостойкая сталь повышает эффективность и надежность.
• Сельскохозяйственная техника: Лемехи плугов, диски борон и сошники сеялок. Износостойкая сталь повышает долговечность при контакте с почвой.
• Цементная промышленность: Футеровки мельниц и конвейерные трубы. Производство цемента включает в себя высокоабразивные материалы, а износостойкая сталь уменьшает износ оборудования и повышает производительность.
• Энергетическая промышленность: Футеровки угольных мельниц и трубы угольных конвейеров. Истирание угля при выработке электроэнергии смягчается за счет износостойкой стали.
• Металлургическая промышленность: Футеровки печей и направляющие прокатных станов. Высокие температуры и абразивные материалы в сталеплавильном производстве требуют износостойкой стали для долговечности.
• Перерабатывающая промышленность: Ножи измельчителей и дробилок. Обработка абразивных отходов требует износостойкой стали для увеличения срока службы оборудования.
• Другие области применения: Лотки, шнековые конвейеры, лопасти вентиляторов и сита также выигрывают от использования износостойкой стали.

Специализированное использование включает:

• Мишени для стрельбы: Сталь марки AR500 обычно используется для пулестойких мишеней из-за ее высокой твердости.
• Броня: Износостойкая сталь может служить броней для транспортных средств, хотя ее хрупкость требует балансировки твердости и прочности.

По мере развития промышленных технологий требования к характеристикам износостойкой стали продолжают расти. Будущие тенденции включают:

• Более высокая прочность и твердость: Разработка сталей с улучшенными свойствами за счет оптимизированных сплавов, передовых методов термообработки и инновационных технологий производства.
• Улучшенная прочность: Балансировка твердости с ударопрочностью и сопротивлением усталости для увеличения срока службы.
• Улучшенная свариваемость: Повышение качества сварки для оптимизации процессов изготовления.
• Снижение затрат: Оптимизация производства и использование экономичных сплавов для повышения доступности.
• Экологически чистое производство: Принятие устойчивых методов, таких как электродуговые печи и закалка водой, для минимизации воздействия на окружающую среду.

Износостойкая сталь — жизненно важный инженерный материал, играющий ключевую роль в различных отраслях промышленности. Понимание ее марок, методов термообработки, стандартов твердости и областей применения позволяет лучше выбирать и использовать ее, повышая надежность, долговечность и экономическую эффективность оборудования. По мере развития технологий износостойкая сталь будет продолжать развиваться, расширяя области применения и принося большую пользу различным секторам.