ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

Зуб ковша карьерного экскаватора является важным инструментом при выполнении открытых горных работ. В процессе работы эта деталь испытывает большие ударные и истирающие нагрузки, поэтому для обеспечения высокой стойкости зуба необходимо сочетание высоких значений ударной вязкости и износостойкости.

Проведено исследование стойкости зубьев ковшей карьерных экскаваторов, работающих на Малом Куйбасе и горе Магнитной. Проанализировано 66 случаев замены зубьев. Статистика распределения стойкости зубьев в часах работы и количестве добытой породы приведена на рис. 1.

Рис. 1. Статистические кривые распределения стойкости зубьев в часах (а) и количестве добытой породы (б)

По графикам видно, что наибольшее количество зубьев в среднем выдерживало 225 часов, или 150 тыс. т породы, в то время как в единичных случаях ресурс работы составлял 1200 часов работы, или 450 тыс. т породы. Основная масса зубьев выходила из строя по причине образования трещин в хвостовой части, а не износа (носовая часть отливок оставалась практически неизношенной). Причины этого кроются в технологии изготовления зубьев.

В результате анализа 60 плавок стали 110Г13Л не удалось установить к какой плавке относится каждый конкретный комплект зубьев, установленный на экскаваторе, поэтому зависимость стойкости от химического состава, ударной вязкости и микроструктуры стали не была выявлена. Отмечено, что ударная вязкость стали различных плавок колеблется от 140 до 3000 кДж/м ² и более; балл загрязненности неметаллическими включениями составляет 2-3; балл зерна аустенита - 1…4; твердость находится в пределах 156-241 НВ.

Применяемая в настоящее время технология литья зубьев в песчано-глинистые формы предполагает размещение в форме двух отливок с общей прибылью. Основной вид брака - образование трещин в местах обрезки прибыли и сопряжений разнотолщинных элементов по причине повышенного содержания фосфора в стали (до 0,12%), неравномерного охлаждения тонких и массивных частей отливки и развития вследствие этого термических напряжений. Кроме того, не исключен брак по засорам.

Одним из путей повышения срока службы зубьев является воздействие на макро- и микроструктуру стали путём регулирования скорости охлаждения отливок при затвердевании. Трудность состоит в подборе оптимальной скорости охлаждения для каждого конкретного случая, поскольку формирование структуры зависит также от марки заливаемого сплава, толщины стенки и особенностей конфигурации отливки. В общем случае повышение скорости охлаждения кристаллизующейся отливки позволяет получить более мелкозернистую структуру, но до определённого предела - чрезмерно высокаяскорость охлаждения приводит к образованию грубой структуры с широкой зоной столбчатых кристаллов.

Рис. 2. Кокиль для литья зубьев:

1,2 - правая и левая половины кокиля; 3 - соединительный болт; 4 - подовая плита; 5 - крепежные элементы; 6 - стержень прибыли; 7 - заливочная воронка

Особенностью технологии является равномерность охлаждения массивных и тонких частей отливки за счёт применения песчаных стержней для формирования хвостовой части зуба.

Другая особенность технологии - закалка отливки непосредственно после извлечения из формы, без предварительного нагрева.

Литниковая система расположена в стержне с подводом металла в тонкостенную хвостовую часть отливки, что обеспечивает хорошее заполнение формы с минимальным перегревом. Прибыль размещена над массивной частью отливки и также формируется стержнем. Для изготовления отливки используются 5 стержней.

Перед заливкой рабочие поверхности кокиля окрашиваются цирконовой краской, кокиль подогревается газовой горелкой до температуры 250°С.

В ходе отработки технологии время раскрытия кокиля после заливки изменяли от 5 до 15 мин. Установлено необходимое время выдержки отливки в кокиле до раскрытия - 7…8 мин. Меньшее время выдержки приводит к образованию трещин. В нескольких случаях отливка приваривалась к подовой плите из-за местного перегрева под стояком.

Проведено исследование структуры и свойств отливок, закаленных непосредственно после раскрытия кокиля, и без закалки.

Микроструктура металла закаленной пробы состоит из зёрен аустенита, величина которых соответствует 3-1 номерам стандартной шкалы, и включений фосфидной эвтектики по границам зёрен; ударная вязкость составляет 1000-1520 кДж/м ², твёрдость металла пробы - 183 НВ.

Балл зерна аустенита незакаленной пробы соответствует 2-1 номерам стандартной шкалы; по границам зёрен обнаружена карбидная сетка; ударная вязкость оказалась низкой - 270…560 кДж/м ²; твердость составила 196 НВ.

Таким образом, закалка зуба после извлечения из формы без предварительного нагрева в термической печи даёт удовлетворительные результаты.

Для улучшения свойств отливок изменили технологию: закалка проводилась после предварительного нагрева и выдержки в печи, что резко повысило ударную вязкость отливок - 2850…2950 кДж/м ², твердость при этом составила 180-190 НВ.

Применение металлической формы способствует получению благоприятной макроструктуры отливок: размер мелкозернистой зоны на изучаемом макрошлифе - 6 мм, зоны столбчатых кристаллов - 6 мм, центральной зоны - 26 мм.

Опытные зубья установлены на один из экскаваторов, работающих на г. Магнитной, в комплекте с зубьями, отлитыми в песчано-глинистую форму. В процессе эксплуатации опытные зубья выработались в среднем на 30% меньше обычного, что доказывает эффективность замены песчаных форм металлическими. Вместе с тем для промышленного внедрения технологии необходимо предпринять меры по её упрощению: уменьшить количество стержней (до 3), исключить возможность приварки отливки к кокилю за счёт подкладки под стояк стальных пластин, сделать кокиль многоместным.