Упрочнение ковшей экскаваторов наплавочным высокопрочным материалом типа белого чугуна позволяет прогнозировать увеличение эффективности их использования за счет сокращения продолжительности простоя машин, издержек установки/демонтажа и транспортировки ремонтируемых ковшей, экономии энергоносителей на выполнение ремонтно-восстановительных мероприятий.

Одной из ключевых задач в специфике обслуживания средств механизации горно-обогатительных и дорожно-строительных предприятий является обеспечение работоспособности ковшового оборудования экскаваторной, бульдозерной и рыхлительной техники. Потеря работоспособности ковшей связана главным образом с различным износом рабочих поверхностей под воздействием грунтов, природно-климатических условий и топологии разрезов [3]. Для ковшей, работающих в особо тяжелых условиях разработки скальных пород и мерзлых грунтов, а также при вскрышных работах при существенно отрицательных температурах, характерны такие формы потери работоспособности, как механические разрушения и деформации коронок рыхлителей, сколы и пластические деформации днища и боковин ковша [1].
Восстановление работоспособности (ремонт) ковшей, как правило, производится в центрах ремонта ковшового оборудования (ЦРКО) ГОКов при демонтаже ковша с экскаватора и его транспортировке на участок ремонта.

Материалы, используемые в технологии реновации ковшового оборудования

Одной из перспективных технологий ремонта ковшового оборудования является наплавка высокоизносостойкими материалами, в частности белыми чугунами. Специальные белые чугуны, используемые в качестве литейного и наплавочного материала, могут быть применены для деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания, повышенных температур и термоциклирования [4]. Эти чугуны отличаются высокой твердостью (до HRC 67) и износостойкостью, высокими прочностными свойствами (σ_в до 1000 Мпа) при достаточно высоких значениях пластичности и ударной вязкости (относительное удлинение δ до 5%, ударная вязкость КС до 20 Дж/см²). Столь необычное сочетание свойств белых чугунов обеспечивается специальной микроструктурой, имеющей композиционный характер и формирующейся в процессе естественного структурообразования. Основу такой структуры составляет двойная эвтектика A+MC (где А — аустенит, МС — карбидная фаза (например, карбиды ванадия VC), а М — атомы металлов в карбиде. При охлаждении до комнатной температуры аустенит в основном претерпевает мартенситное превращение, но частично (до 20–25%) сохраняется в микроструктуре, обеспечивая достаточные значения пластичности и вязкости.
Необходимая прокаливаемость сплава (вплоть до самозакаливаемости при охлаждении в литейной форме и при «мягкой» термической обработке, например, при воздушной закалке) обеспечивается комплексным легированием (марганцем, хромом, молибденом и другими элементами). С целью измельчения литой структуры и инициализации формирования карбидов МС сплав подвергается комплексному модифицированию и микролегированию. Общий химический состав сплава скореллирован таким образом, что в них обеспечивается формирование необходимой структуры в разных термокинетических условиях или ее доводка при простой термической обработке.
В случае резко ускоренной кристаллизации (например, при наплавке) вместо необходимой двойной эвтектики А+МС возможно формирование более сложных квазиэвтектических структур (типа А+МС+М₇С₃+М₃С). Однако состав сплава подобран таким образом, что квазиэвтектические карбидные фазы М₃С и М₇С₃ оказываются резко метастабильными и устраняются в процессе сравнительно короткого отжига при 900–950°С путем карбидных превращений М₃С→М₇С₃ →МС, которые в измельченной структуре сплава проходят достаточно интенсивно. Даже если в структуре отожженного сплава и сохраняются отдельные участки непревращенного карбида М₇С₃, они оказываются достаточно дисперсными и изолированными друг от друга, не нарушают композиционный характер микроструктуры и не оказывают отрицательного влияния на общие механические свойства сплава. В процессе термической обработки происходит также значительное снижение внутренних напряжений [6].
Так как сплав является самозакаливающимся, то он и после сравнительно «мягкой» термической обработки обладает высокой твердостью (HRC 60 и выше).
Разработанные сплавы для износостойкой и высокопрочной наплавки могут изготавливаться в виде литых прутков, гранулированных порошков, механических смесей порошкообразных компонентов, применяемых в порошковых проволоках и лентах. Наплавка может проводиться различными способами: газопламенным, плазменным, дуговым, электрошлаковым.
Проведенные исследования показали хорошее сцепление наплавленного слоя с основным металлом при наличии качественной композиционной структуры в поверхностном слое и переходной зоне и малую склонность наплавленного металла к образованию горячих и холодных трещин. По износостойкости наплавленный металл не уступает металлу отливок при идентичности их химического состава.
Износостойкие детали из белых чугунов, изготовленные как методами литья, так и с помощью наплавки изнашиваемых поверхностей (зубья ковшей экскаваторов, ножи шнеков шнекороторных экскаваторов, дробометные лопатки, детали дробилок, смесителей, насосов, штампов и др.), позволяют констатировать прирост износостойкости более чем в 2–7 раза. Разработанные сплавы могут быть использованы не только для наплавки изнашиваемых деталей, но и для наплавки металлорежущего инструмента, а также инструмента, обрабатывающего полимерные неметаллические материалы [5].

Исследования наплавляемых материалов

Металлографическими исследованиями наплавленных образцов отмечено, что измельчение зерна и повышение дисперсности микроструктуры материала наплавленного слоя являются факторами роста прочности, твердости и ударной вязкости.
Микроструктура наплавленного слоя толщиной 4–10 мм представляет собой металлическую матрицу, в которую вкраплены твердые и мелкие карбиды хрома (ванадия, молибдена, вольфрама) преимущественно игольчатой формы (рис. 1 — отмечены стрелками). Доля карбидной фазы составляет порядка 35–40%, что обеспечивает высокую абразивостойкость наплавленного слоя. Дополнительное повышение стойкости к износу и уда-рам обеспечивает благоприятная текстура карбидов — они чаще всего вытянуты перпендикулярно наплавленной поверхности.
Фактором износостойкости при абразивном и ударно-абразивном воздействии является демпфирующая способность структуры за счет относительно мягкого и пластичного (в первоначальный период) внутреннего слоя наплавляемой марганцовистой стали Гатфильда (твердость на уровне 20HRC). Это препятствует преждевременному износу (из-за выкрашивания) рабочей поверхности [2].

Рис. 1. Микроструктура наплавленного слоя системы легирования C-Cr-Mn-W‑Mo-Si (х 400)

Постепенно твердость подслоя из-за наклепа возрастает и, к моменту полного износа первого (карбидохромового) слоя обнажившаяся поверхность характеризуется износостойкостью.

Схема наплавки

При эксплуатации ковша на режимах, исключающих механическое разрушение, основными видами износа оказываются абразивно-ударный и ударно-абразивный. Скорость изнашивания в среднем варьируется в диапазоне 5–300 мкм/ч. Наиболее изнашиваемые элементы ковша — зубья, внутренняя поверхность передней стенки, кромка в промежутках между рыхлителями, нижний наружный пояс, пята. Зона глобального максимума напряжений расположена выше фронтальной кромки на расстоянии 2/5 относительной длины рабочего органа. При продвижении в грунте кромка с площадкой износа преодолевает кроме сопротивлений своей передней грани сопротивление площадки износа, которая образуется под некоторым отрицательным углом к преобладающей траектории резания. При существенно выраженном неравномерном износе в межзубовых участках кромки предпочтительно проводить размеровосстановление наплавкой аустенитной марганцовистой сталью, а затем упрочнение износостойкими материалами (рис. 2).

Рис. 2. Схема наплавляемых рабочих элементов ковша

С ростом угла подъема ковша его наружная поверхность по мере удаления от фронтальной кромки взаимодействует с грунтом, частицы которого вследствие разрушения структурных связей приобретают подвижность, а их перемещение вдоль поверхности ковша имеет характер перекатывания. При подъеме ковша на угол выхода в зоне радиусного контура увеличиваются напряжения и деформации в грунте, что повышает степень его уплотнения при одновременном увеличении давления и приводит к интенсификации абразивного воздействия.
Схема наплавки предполагает сетчатое армирование днища с определенным шагом и наклоном наплавляемых валиков (слоев) с созданием регулярной топографии поверхности в зонах износа. Это позволяет создать протекторную самозащиту ковша за счет заполнения промежутков породой, в результате чего исключается непосредственный истирающий эффект при перемещениях ее частиц в циклах работы. Регламентированный наклон валиков снижает силу сопротивления при перемещении ковша.

Апробация технологии наплавки ковшей и оценка экономической эффективности

Целью проводимых испытаний являлась оценка эффективности применения технологии наплавки и состава порошковой проволоки, используемой в качестве наплавляемого материала на рабочие (изнашиваемые) поверхности ковша при повышении его работоспособности по критерию износостойкости. В качестве объектов исследований использовалась порошковая проволока системы легирования C-Cr-Mn-W‑Mo-Si; твердость наплавленного слоя 55–58 НRC.
Упрочнялась наплавкой рабочая (фронтальная) кромка ковша по длине в зонах между коронками рыхлителей (рис. 3).

Рис. 3. Область наплавки изношенного ковша между зубьями рыхлителей
Испытания проводились при эксплуатации наплавленных ковшей шагающих экскаваторов мод. ЭШ‑10.50, работающих в условиях разработки железистого кварцита; период эксплуатации: октябрь — ноябрь.
Оценка функциональных качеств наплавочной проволоки проводилась по критерию работоспособности наплавленных ковшей по сравнению с продолжительностью эксплуатации промышленно используемых (неупрочненных). Оценка величины износа рабочей кромки проводилась при контроле ее геометрии; при этом определялась величина линейного износа в зонах наплавки при периодически проводимых замерах от искусственной базы, выбранной от верхнего края наплавленной зоны. Периодичность замеров составляла 1 раз в месяц.
Продолжительность испытаний соответствовала периоду наработки ковшей до предремонтного состояния по совокупности повреждений механического и трибологического характера.
Объем выработки упрочненных ковшей (по объему экскавации) при статистически определенной величине наработки серийно используемых ковшей 15000–30000 м³ составил: 90600 м³–106210 м³.
Применение технологии наплавки ковшей экспериментальным наплавочным материалом позволяет прогнозировать эффективность их использования за счет сокращения продолжительности простоя, связанного с ремонтом изнашивающихся элементов; уменьшения издержек, связанных с транспортированием ремонтируемых ковшей и их установкой/демонтажем, а также расходованием энергоносителей на выполнение ремонтно-восстановительных мероприятий. Среднее значение экономической эффективности от применения предлагаемой реновации отражено на рис. 4.

Рис. 4. Оценка экономической эффективности от применения технологии упрочнения наплавкой ковшей экскаваторной техники

Выводы

Проведенные испытания позволили отметить эффективность предложенного реновационного подхода в материаловедческом и технологическом аспектах, состоящую в следующем:
• адаптация технологии упрочнения к условиям изнашивания отдельных элементов ковшей с подбором системы легирования наплавочного материала, схемы и режимов наплавки позволяет с учетом условий эксплуатации и типа ковшового оборудования оптимизировать эксплуатационную наработку изделия;
• прогнозируемый объем выработки наплавленных ковшей по критерию износа будет составлять не менее 80–110 тыс. м³ (по железистому кварциту), что позволяет прогнозировать прирост износостойкости для ковшового оборудования, эксплуатируемого на вскрышных работах при экскавации легких пород (песчаников, меловых отложений и пр.);
• предлагаемая технология наплавки элементов ковша при соблюдении требований по его эксплуатации позволяет исключить трудоемкие операции футеровки: износостойкое покрытие может быть восстановлено. Это позволяет многократно использовать несущую часть ковша за счет модифицирования только расходных элементов и не приводит к существенному утяжелению конструкции;
• при использовании предлагаемой технологии механическое разрушение износостойкого слоя не сопровождается возникновением предаварийной ситуации, что характерно при применении технологии упрочнения футерованием; при выраженном механическом разрушении наплавленного слоя покрытие может быть легко восстановлено в плановом режиме эксплуатации ковша без его демонтажа с экскаватора;
• применение технологии наплавки позволяет уменьшить объем работ при восстановлении ковшей: ковш может передаваться на восстановление сразу после снятия с экскаватора. Это позволяет исключить затраты на подготовительные мероприятия (срез изношенных футеровочных листов, зачистку поверхности и т. д.). Кроме того, наплавляемые поверхности требуют минимальной подготовки (для ковшей, отработавших один межремонтный период);
• срок выполнения работ по упрочнению (армированию) рабочих элементов ковша на ремонтной базе составляет в среднем 1–2 рабочие смены в зависимости от начального состояния. Выполнение операций по упрочнению может проводиться также без демонтажа ковшового оборудования с экскаватора (на месте его эксплуатации в карьере), тем самым исключается транспортировка ковша в ЦРКО;
• возможность применения предлагаемой технологии наплавки к дробильно-размольному оборудованию (обеспечение износостойкости молотков дробилок и устранение дисбаланса на несущих роторах), к броневым листам транспортеров (питателей), цапфам вращающихся валов (подшипниковым узлам), узлам сцепки ж/д вагонов, звездочкам в цепных тяговых передачах и т. д.

Литература
1. Pamfilov E., Pyrikov P. The increasing of Machine Parts & Cutting Tools durability by complex technological method//Total Life Cycle: Conference & Exposition Land, Sea & Air Mobility Detroit Marriott Renaissance. Michigan USA, 2000. Р. 631–638.
2. Светлицкий В. А. Статистическая механика и теория надежности. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 504 с.
3. Суслов А. Г. От технологического обеспечения эксплуатационных свойств к качеству машин // Трение и износ. 1997. Т. 18. № 3. С. 311–319.
4. Влияние структуры белых хромованадиевых чугунов на их износостойкость / Г. И. Сильман, Е. А. Памфилов, С. С. Грядунов, А. И. Грувман // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 8. С. 32–36.
5. Памфилов Е. А., Пыриков П. Г., Пилюшина Г. А. От технологического обеспечения качества к реновации машин/В сб. материалов V Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» / Москва: ИМАШ РАН, 2017. С. 188–191.
6. Материаловедение: Учебное пособие для высшего профессионального образования (с грифом Минобрнауки) / Г. И. Сильман. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 336 с. Материаловедческое обеспечение качества машин. / Сильман Г. И., Памфилов Е. А. // Справочник. Инженерный журнал. 2008. № 6. С. 30–35.