Какие стали/сплавы используются в износостойких отливках?

Семейства основных сплавов, используемые в износостойких отливках

Литейные предприятия выбирают систему сплавов на основе преобладающего механизма износа, с которым столкнется деталь, а затем корректируют химический состав и термическую обработку для точной настройки твердости, ударной вязкости и коррозионного поведения. В таблице ниже приведены группы сплавов, наиболее часто указываемые для износостойких отливок.

Отливки из белого чугуна с высоким содержанием хрома

Белый чугун с высоким содержанием хрома является эталонным материалом для чисто абразивного износа, поскольку его микроструктура содержит плотные карбиды хрома M7C3, внедренные в мартенситную матрицу. Содержание хрома от 15 до 26 процентов дает карбиды, которые гораздо лучше противостоят выдавливанию из песка, руды или цементного заполнителя, чем обычная углеродистая сталь. Из этого сплава часто отливают мелющие цилиндры и гильзы барабана, поскольку карбидная сетка сохраняет изнашиваемые поверхности неповрежденными в течение тысяч часов работы. Термическая обработка путем дестабилизации и отпуска используется для преобразования остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость поверхности, не делая отливку настолько хрупкой, что она может треснуть при нормальных эксплуатационных нагрузках.

Отливки из никель-твердого чугуна

В никель-твердое железо добавляется никель для подавления образования мягкого перлита во время охлаждения, что позволяет матрице напрямую трансформироваться в мартенсит даже в толстых секциях. Это дает Ni-Hard отливкам благоприятный баланс между твердостью, стоимостью отливки и обрабатываемостью по сравнению с чугуном с высоким содержанием хрома. Лопасти бетономешалки являются распространенным применением Ni-Hard, поскольку материал выдерживает смешанное истирание и легкое воздействие заполнителя, песка и цементного теста. Марки материалов, такие как AS2027 NiCr4, широко используются, поскольку они сочетают в себе срок службы и постоянство размеров, необходимое для запасных частей с болтовым креплением.

Отливки из стали с высоким содержанием марганца

Сталь с высоким содержанием марганца, также известная как сталь Гадфилда, ведет себя иначе, чем два семейства железа, описанные выше. В отлитом состоянии он относительно мягкий и прочный, но повторяющиеся удары приводят к упрочнению поверхностного слоя за счет деформационного двойникования, что повышает твердость поверхности, в то время как ядро ​​остается пластичным. Отраслевые данные показывают, что этот механизм может обеспечить примерно 25-кратное увеличение износостойкости по сравнению с необработанной углеродистой сталью после того, как поверхность полностью затвердеет. Это делает сталь с высоким содержанием марганца стандартным выбором для щеков дробилок, молотков и ударных плит, где доминирующим видом разрушения является внезапная ударная нагрузка, а не постепенное истирание.

Соответствие выбора сплава механизму износа

Выбор сплава исключительно по показателям твердости может привести к преждевременному растрескиванию или чрезмерной стоимости. Более надежный подход — сначала классифицировать рабочую среду, затем подобрать семейство сплавов и, при необходимости, обработку поверхности.

Процесс литья и его влияние на характеристики сплава

Состав сплава определяет теоретический срок службы отливки, но процесс литья определяет, будет ли реализован этот потенциал. Центробежное литье часто применяется для цилиндрических изнашиваемых деталей, таких как шлифовальные барабаны и ролики, поскольку при ротационном затвердевании более плотный металл упаковывается к внешней стенке, где износостойкость имеет наибольшее значение, в то время как пористость и более легкие включения мигрируют к отверстию. Статическое литье в песчаные формы по-прежнему распространено для изделий неправильной формы, таких как лопасти миксера и направляющие пластины, где корзина для прецизионного литья или оболочковая форма контролируют точность размеров деталей, которые должны соответствовать существующему оборудованию без доработки. Контролируемые скорости охлаждения после разливки не менее важны, поскольку быстрое или неравномерное охлаждение может привести к захвату остаточного аустенита в железе с высоким содержанием хрома, в результате чего отливка будет мягче, чем ее расчетная твердость, пока не будет применена соответствующая дестабилизирующая термообработка.

Ассортимент износостойкого литья

Следующие компоненты иллюстрируют, как различные семейства сплавов применяются в оборудовании для измельчения, смешивания и регулирования потока: от мелющих цилиндров с высоким содержанием хрома до никель-твердых лопастей смесителей.

Шлифовальные цилиндры Сплав с высоким содержанием хрома

Мельничные бочки Сплав с высоким содержанием хрома

Диск газового клапана Сталь 42CrMo

Направляющая пластина потока Сталь 42CrMo

Износные лезвия миксера Ni-твердый чугун

Проверка качества износостойких отливок

Поскольку характеристики сплава во многом зависят от микроструктуры, один только визуальный осмотр не может подтвердить износостойкость. Надежные поставщики проверяют отливки несколькими методами.

Техническое обслуживание и ремонт изношенных отливок из сплавов

Продление срока службы износостойкой отливки обычно обходится дешевле, чем полная замена, при условии соответствия метода ремонта сплаву и степени повреждения.

• Поверхностное покрытие: Плазменное напыление или лазерная наплавка восстанавливают твердый поверхностный слой на изношенных участках и восстанавливают точность размеров.
• Сварочный ремонт: Маловодородные щелочные стержни с предварительным подогревом и медленным охлаждением, выдерживающие температуру сварного шва около 250–300 градусов Цельсия, сохраняют упрочняющие свойства основного материала.
• Механическая обработка и полировка: Незначительный износ устраняют точением или шлифовкой с последующей термообработкой для восстановления первоначальной твердости.
• Прямая замена: Детали с ударными трещинами или сколами большой площади заменяются сразу, а не переделываются, что позволяет избежать микроструктурной деградации, которую может вызвать повторная термообработка.

За пределами износостойкости: компоненты высокотемпературных печей

На многих предприятиях, где работает износостойкое оборудование, имеются и линии термообработки, поэтому стоит отметить отливки из соответствующих сплавов, используемые в этих системах. Излучающие тепловые трубы, печные ролики и печные ролики для линий непрерывного действия обычно отливаются из жаростойких Cr-Ni-сплавов, а не из износостойких сплавов, описанных выше, поскольку их основной проблемой является окисление и ползучесть при высокой температуре, а не истирание. Приспособления для термообработки, приспособления для термообработки сварки, поддоны для термообработки и корзины для прецизионного литья проводят заготовки через печь и должны противостоять термической усталости при повторяющихся циклах. Такие компоненты, как лопасти вентилятора Ipsen, опоры печи, роликовые направляющие и ролики печи AFC, толкающая головка AFC, подовой ролик для ленточной печи с литой звеньевой печью и цепная пластина для печи цепного литья, дополняют приспособление и систему транспортировки внутри непрерывной печи. Там, где эти системы также подвергаются абразивному износу, например, в зонах нагрузки, для защиты основной структуры часто добавляются износостойкие футеровки из высокохромистого или никелевого сплава.

Выбор поставщика износостойкого литья

Помимо выбора сплава, опыт поставщиков влияет на согласованность производственных партий. Литейные заводы, которые контролируют химический состав расплава, циклы термообработки и контроль после отливки, как правило, производят отливки с более предсказуемым сроком службы. Запрос сертификатов на материалы, протоколов испытаний на твердость и, при необходимости, записей неразрушающего контроля перед крупными заказами помогает подтвердить, что поставляемый сплав соответствует спецификации, а не полагаться только на номинальные названия марок.