ИЗНАШИВАЕМЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ ДЛЯ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ РАБОТ
WEAR ELEMENTS WITH INCREASED WEAR RESISTANCE FOR EARTHWORK

Изобретение относится к изнашиваемым элементам, таким как зубцы из литой стали, предназначенные для специальных применений в механизмах для работ, связанных с перемещением и захватом грунта и/или погрузкой скальных пород, а также к вставкам, предназначенным для включения в эти изнашиваемые элементы для повышения их износостойкости, увеличивая/удлиняя, таким образом, срок их службы.
Предпосылки создания изобретения (существующий уровень техники)
Вставка твердых тел в изнашиваемые элементы из литой стали для землеройных применений при литье с целью повышения их износостойкости, описана в существующем уровне техники.
Например, в документе US 5081774 (Kuwano) раскрыт съемный композиционный зубец для экскаватора, который включает износостойкие вставки из хромистого чугуна, имеющие более высокую твердость, чем тело зубца, и вставленные литьем в этот зубец. Эксплуатационные качества зубца экскаватора улучшают путем размещения износостойкого материала в виде неразъемно встроенной в центральную часть тела зубца вставки. Вставка проходит от конца до присоединительной части зубца и заканчивается в положении, ограничивающем возможное использование зубцов. Хотя хромистый чугун является материалом, в чем-то похожим на литую сталь, и, таким образом, он вроде бы совместим с литой сталью в качестве вставки, желательно увеличить твердость вставки до уровня выше твердости хромистого чугуна, чтобы улучшить общие эксплуатационные качества детали в отношении износа, в то же время сохраняя у вставки ударную вязкость литой стали.
В известных технических решениях также уделяли внимание использованию других материалов с высокой твердостью для усиления отливок на основе железа. В этой области выбор в основном падает на металлокерамические материалы, такие как частицы WC, связанные металлическим связующим. Преимуществом, обеспечиваемым этими вставками, является потенциально хорошая связь, возникающая с заливаемой сталью из-за сходной металлической природы связующего и стали. Однако в области землеройных изнашиваемых элементов вставка усиливающих элементов на основе металлокерамики при литье ограничена желаемыми применениями с высокой стоимостью простоя. Причиной этого, в основном, является высокая экономическая ценность металлокерамического материала. Таким образом, желательно разработать усиленные элементы с высокой износостойкостью и более низкой стоимостью.
В более общем контексте хорошо известно, что имеющие низкую стоимость керамические материалы можно пропитать расплавленными металлами. Например, в уровне техники такой случай описан в US6338906 (Ritland et al., 1999) и в работе "Processing and microstructure of metal matrix composites prepared by pressureless Ti-activated infiltration using Fe-base and Ni-base alloys. (Технология получения и микроструктура композитов на основе металлической матрицы, полученных путем активированной титаном пропитки без применения давления, с использованием сплавов на основе железа и никеля); Materials Science and Engineering A 393 (2005) 229-238" (Lemster et al.). Первая ссылка связана с уплотняющими материалами, полученными капиллярной пропиткой пористых (предварительно уплотненных или спеченных) керамических частиц расплавленным металлом. Таким образом, полученная микроструктура детали состоит из тонких каналов, окружающих керамические частицы. Показано, что полученная в результате пропитанная металлом керамика имеет хорошие трибологические качества, и приведены примеры ее использования в механических торцевых уплотнениях, ротационных соединениях, уплотнениях подвижных щитков, втулках, подшипниках и других скользящих или трущихся элементах, которые требуют хороших характеристик в отношении срока службы и износа, хорошей коррозионной стойкости и хорошей теплопроводности. Однако известно, что капиллярная пропитка требует тонких каналов и такого соотношения межповерхностных энергий, которое втягивает жидкий металл в каналы, в то время как при упрочнении изнашиваемых элементов для землеройных работ по изобретению рассматриваемые керамические материалы обычно отталкивают расплавленную сталь (то есть расплавленная сталь недостаточно хорошо смачивает эту керамику), что замедляет или препятствует действию капиллярных сил и требует более широких каналов для того, чтобы стало возможным проникновение металла. Вторая из вышеприведенных ссылок также относится к технологии получения композиционных материалов на основе стальной матрицы с внедренными керамическими частицами. При рассмотрении этой второй ссылки отличительной особенностью является улучшение характеристик керамики в отношении пропитки путем применения частиц титана (Ti), смешанных с керамическими частицами. Таким образом, этот способ позволяет получать композиционные материалы на основе металлической матрицы с большим содержанием керамики. Микроструктура, полученная вышеупомянутыми способами существующего уровня техники, включает значительную долю керамических зерен, пропитанных металлом, и, таким образом, не охватывает объединение композиционных материалов на основе трехмерной ячеистой металлической матрицы с высоким содержанием металла, как в случае, предлагаемом изобретением. Более того, присутствие значительной доли металла в композиционном материале не является преимуществом в ряде применений, связанных со значительным износом и описанных в обсужденном выше существующем уровне техники, где акцент сделан на увеличение твердости материала без учета прочности на сжатие и ударной вязкости. Однако это равновесие механических свойств является в высокой степени желательным для зубцов, используемых в землеройных применениях, где срок службы и интенсивность износа зависят как от твердости, так и от ударной вязкости.
Дополнительный пример существующего уровня техники, описанный в US4909300 (T.Horie, 1989) и ЕР1593757 (M.Freling et al., 2005), относится к технологии получения композиционных материалов с металлической матрицей путем пропитки дешевой пенокерамики. Первая из вышеприведенных ссылок относится к способу получения проницаемой для текучей фазы детали, состоящей из пористой керамической структуры с полыми керамическими элементами, чьи поры пропитаны литым металлом, поддерживая при этом соединение друг с другом полых (не пропитанных) элементов. Таким образом, при работе жидкая смазка может протекать внутри полых керамических элементов. Такое течение в ходе работы не имеет практического значения в применяемых в землеройном оборудовании элементах. Отсутствие проникновения литого металла в смежные полые керамические элементы фактически приводит к низкой прочности на разлом армированной части изнашиваемого элемента и, таким образом, может препятствовать его использованию в применениях, связанных с землеройными работами. Вторая ссылка описывает функционально классифицированные пены, пропитанные расплавленными металлами, где пористость такой пены задана таким образом, чтобы в полученной детали относительное содержание металла плавно изменялось от одной стороны к другой. Такие детали на основе пропитанной пены с изменяющимися свойствами используют в газотурбинных двигателях для высокотемпературных применений. Эти детали имеют заданным образом изменяющуюся теплопроводность из-за постепенного изменения соотношения керамика/металл, но это свойство не является ни необходимым, ни полезным для элементов землеройных механизмов, которые требуют сочетания прочности, ударной вязкости и износостойкости.
Ни один из описанных выше документов, относящихся к существующему уровню техники, не описывает и не рассматривает износостойкий элемент, такой как зубец из литой стали для земляных работ, имеющий низко пористое надежное соединение между сетчатой, ячеистой вставкой из пенокерамики и литой сталью, которая пропитывает эту керамику при свободной заливке.
Краткое описание изобретения
Изобретение относится к элементам с повышенной износостойкостью для механизмов, применяемых для перемещения и захвата грунта и/или погрузки скальных пород, таким как зубья ковша у экскаваторов и погрузчиков. Таким образом, задачей изобретения является увеличение срока службы изнашиваемого элемента путем введения вставок из твердой ячеистой пенокерамики, пропитанных in-situ литой сталью с повышенной ударной вязкостью.
Таким образом, предметом изобретения является изнашиваемый элемент с усиливающей вставкой из пенокерамики, как указано в п.1 формулы изобретения.
Изнашиваемый элемент, усиленный таким образом, обладает замечательным сочетанием твердости, прочности, ударной вязкости и износостойкости. После термообработки обычными способами нормализации, закалки и отпуска усиленный изнашиваемый элемент хорошо подходит для применений, в которых давление, прилагаемое к изнашиваемой поверхности изнашиваемого элемента, не превышает 1000 МПа.
На рабочие характеристики усиленных элементов, а особенно на возможность избежать неожиданных поломок в ходе работы, существенно влияет качество связи, которая образуется между пенокерамикой и литой сталью. Качество этой связи непосредственно зависит от хорошего проникновения литой стали внутрь ячеистых пор пены, в любые пустоты или трещины в стенках ячеек и в микропоры стенок ячеек. Стенки ячеек пены обладают развитой сетчатой площадью поверхности, с которой литая сталь контактирует, которую она окружает и в которую она проникает, чтобы возникало прочное механическое взаимное проникновение между литым металлом и керамической вставкой, таким образом создавая качественную связь. Прочное механическое взаимное проникновение обеспечивает изнашиваемый элемент сочетанием свойств износостойкости и высокой твердости твердой керамики и прочности и ударной вязкости стали.
Усиленные изнашиваемые элементы по изобретению позволяют увеличить эффективное время работы между последующими заменами и, следовательно, могут заменить обычные орудия или элементы землеройных механизмов, такие как зубья ковша погрузчика и экскаватора, которые обычно изготавливают исключительно из низколегированных сталей. Таким образом, изобретение касается воплощений усиления изнашиваемых элементов из литой стали, использование которых предполагают в широком спектре применений, по существу включающих применения, в которых изнашиваемый элемент подвергают воздействию абразивного износа при контакте с грунтом, когда прилагаемое в ходе работы давление для сжимающих напряжений в изнашиваемой части элемента не превышает предела в диапазоне 1000 МПа или не превышает относительного критического значения таких пределов сжимающих напряжений, которые определены, например, анализом Tresca, Von Mises, или максимальными основными критериями нагрузки для наступления разлома/пластической деформации.
Описание чертежей
Данное описание включает следующие чертежи для иллюстрации изобретения.
Фиг.1 представляет собой трехмерное схематическое изображение изнашиваемого элемента по изобретению, снабженного вставкой.
Фиг.2 представляет собой вертикальный вид сбоку, с указанием плоскости сечения (А) изнашиваемого элемента по изобретению со вставкой в нем.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение плоскости сечения (А) изнашиваемого элемента по изобретению со вставкой в нем.
Фиг.4 представляет собой микрофотографию, изображающую структуру области (2) композита сталь/пенокерамика изнашиваемого элемента по изобретению.
Фиг.5 представляет собой выполненную с высоким увеличением микрофотографию области (В) в области (2) композита сталь/пенокерамика изнашиваемого элемента по изобретению.
Фиг.6 представляет график зависимости результатов теста на сжатие по одной оси, изображающий зависимость нагрузки от деформации для трех образцов, полученных из области (2) композита сталь/пенокерамика изнашиваемого элемента по изобретению.
Подробное описание предпочтительных воплощений
Как установлено ранее, предметом изобретения является усиленный изнашиваемый элемент для механизмов, предназначенных для захвата/перемещения земли/скальных пород, включающий свободно литую сталь и по меньшей мере одну вставку из трехмерной сетчатой ячеистой керамической пены, имеющей открыто-ячеистую поровую структуру, которая по существу или полностью пропитана литой сталью. При отливке упомянутого изнашиваемого элемента проникновение литой стали в пенокерамику происходит без использования каких-либо внешних средств увеличения давления пропитки. Такая пропитка без применения давления является возможной, поскольку сочетание текучих свойств жидкой стали при температурах литья и в высокой степени открытой ячеистой структуры пенокерамики является достаточной для того, чтобы позволить пропитку и проникновение в открытые ячейки пены, а также пропитку и проникновение внутрь стенок ячеек керамической пены.
Обращаясь к фиг.1, усиленный элемент для землеройных работ по изобретению, представленный в качестве примера зубцом (1), изображен так, чтобы включить область (2) композиционного материала сталь/ячеистая пена. На фиг.2 проиллюстрирован вертикальный вид сбоку зубца (1) и указана плоскость (А) сечения, которая расположена под прямым углом к направлению взгляда и проходит через зубец (1) и через область (2) композиционного материала. Фиг.3 иллюстрирует вид зубца (1) в плоскости (А) сечения, который изображает область (2) композиционного материала, окруженного литой сталью (3).
Усиленный изнашиваемый элемент по изобретению, такой как зубец (1) экскаватора или погрузчика, включает область (2) композиционного материала сталь/ячеистая пена. Хотя внутри концевой части зубца (1) область (2) композиционного материала может иметь простую прямоугольную форму коробки, специалисту понятно, что можно допустить и другие формы и расположения области (2) композиционного материала, удовлетворяющие предполагаемому развитию эрозии в ходе работы и характеру износа изнашиваемого элемента. Хотя область (2) композиционного материала может занимать только часть зубца (1), обычно желательно, чтобы размер области (2) композита был достаточно протяженным для обеспечения зубцу (1) максимальной износостойкости, в то же время сведения к минимуму стоимость вставки из пенокерамики и сложность осуществления отливки.
2
2
3
2
2
2
2
3
В частности, вставка, включенная в изнашиваемый элемент, представляет собой трехмерную сетчатую ячеистую пенокерамику с открыто-ячеистой поровой структурой, куда по существу или полностью проникает расплавленная сталь в ходе свободного литья элемента. Материал упомянутой вставки предпочтительно представляет собой керамику на основе оксида циркония, например, оксид циркония - оксид иттрия (ZrO-YO), оксид циркония - оксид магния (ZrO-MgO), оксид циркония - оксид кальция (ZrO-СаО), или также композиционный материал оксид циркония - оксид алюминия (ZrO-АlO).
2
3
2
2
3
В другом случае керамическая вставка может состоять из алюмосиликатов (АlO-SiO), такого как муллит, или высокоглиноземистых материалов (АlO), таких как, например, белый корунд или пластинчатый оксид алюминия, или же алюминатных материалов, таких как, например, шпинель на основе алюмината или оксид алюминия, упрочненный оксидом циркония; или даже из керамических карбидов, таких как карбид кремния (SiC). Из вышеупомянутых материалов высокоглиноземистая керамика, керамика на основе алюмината и карбида кремния имеет самую высокую твердость и, таким образом, как можно предположить, самую высокую износостойкость при проведении соответствующей пропитки и формирования соединения с более мягкой, но более вязкой сталью. Однако хорошо известно, что смачиваемость жидкой сталью керамики на основе оксида алюминия является сравнительно и значительно худшей, чем смачиваемость керамики на основе оксида циркония, а также хорошо известно, что карбид кремния легко может растворяться в расплавленной стали. В этом контексте понятно, что нанесение на высокоглиноземистую пенокерамику и на пенокерамику из алюминатов и карбида кремния покрытия из керамического материала, который лучше смачивается расплавленной сталью, такого как материал на основе алюмосиликатов, например муллита, или материала на основе оксида циркония, облегчает пропитку и образование соединения. Керамическую пену с нанесенным таким образом покрытием можно получить путем погружения плохо смачиваемых видов пенокерамики в суспензию материала покрытия с последующим обжигом.
В частности, литая сталь состоит из низколегированной стали, которую легко упрочняют при термообработке нормализацией, закалкой и отпуском и которая имеет следующий химический состав (по анализу), мас.%: углерод от 0,15 до 0,35; кремний от 0,5 до 2; марганец от 0,5 до 1,5; хром от 0,5 до 2,5; никель от 0 до 2; молибден от 0,15 до 0,35, а также небольшое содержание добавок алюминия и циркония для раскисления, остаточные уровни серы и фосфора и другие незначительные примеси или составляющие. Содержание кремния в литой стали в наибольшей степени влияет на получение жидкой стали с текучими свойствами при температуре литья, которые обеспечивают желаемое проникновение во вставки из пенокерамики. В контексте получения качественной связи между литой сталью и вставкой из пенокерамики предпочтительные текучие свойства расплавленной стали получают в сталях с содержанием кремния более 1 мас.%.
Фиг.4 представляет собой микрофотографию аншлифа в области (2) композита сталь/пенокерамика элемента по изобретению. Просочившаяся литая сталь (21) вышеуказанного состава представлена темными участками на микрофотографии, в то время как более светлые участки представляют собой стенки керамической пены (22), которая в данном примере представляет собой керамический материал на основе оксида циркония. Часть микрофотографии, которая демонстрирует мелкозернистую смесь светлых и темных участков, представляет собой участок, где просочившийся литой металл (21) пропитал стенки ячеек пенокерамики (22). Также на фиг.4 видна область (В) микрофотографии с участком, где проникшая сталь (21) просочилась в мелкие поры керамических стенок (22).
Фиг.5 представляет собой микрофотографию с большим увеличением выделенной области (В), на которой показан участок, где проникшая сталь (21) пропитала микропоры керамических стенок (22). На этой микрофотографии также темные области представляют собой просочившуюся сталь (21), а светлые области - стенки из пенокерамики (22). Темная область с левой стороны микрофотографии представляет собой просочившуюся сталь (21), то есть область, которая до пропитки была открытой ячейкой пены, в то время как пестрая часть в правой стороне микрофотографии представляет собой мелкозернистую взаимную смесь светлых и темных участков, что указывает на просачивание впитавшейся стали (21) в микропоры стенок (22) ячеек.
Фиг.4 и 5 свидетельствуют о превосходном взаимном сцеплении просочившейся стали (21) и стенок керамической пены (22), что обеспечивает качественное связывание, достигаемое в пределах области (2) композиционного материала сталь/пенокерамика элемента по изобретению.
Тесты на просачивание, проведенные с использованием вышеупомянутых керамических пен и литой стали, показали, что можно соответствующим образом пропитать пены со средней ячеистой пористостью от 4 до 24 пор на см (от 10 до 60 пор на дюйм, т.е. 10-60 ppi), a предпочтительно от 8 до 12 пор на см (от 20 до 30 ppi). При этом мелкозернистая макро- и микроструктура гарантирует улучшенные свойства в отношении износа для полученного композиционного материала (2) сталь/пенокерамика. Для дополнительного улучшения свойств в отношении износа полученной части (2) изнашиваемого элемента из композиционного материала, представляющего собой пену, пропитанную литой сталью, необходимо также, чтобы объемная доля керамической фазы превышала 10%, но не составляла более 35% от области (2) композиционного материала элемента.
Особым признаком изобретения является то, что пропитка сталью вставки из пенокерамики с образованием области (2) композиционного материала происходит как в относительно больших ячейках, макроскопического масштаба, так и в стенках ячеек, микроструктурного масштаба, так что обеспечивается прочное механическое взаимное сцепление между керамикой и литой сталью. Полученное таким образом хорошее связывание между металлом и керамикой было подтверждено посредством проведения испытаний на сжатие по одной оси пропитанных сталью пен (то есть области (2) композиционного материала) после термообработки изнашиваемого элемента нормализацией, закалкой и отпуском. Результаты показывают значительно более упругую реакцию на уровни одноосной нагрузки до диапазона 700-1000 МПа, полученную с погрешностью деформации 0,01%. При нагрузках, превышающих 1000 МПа, могут проявиться процессы неупругой деформации и отсутствие связи между сталью и стенками керамических ячеек. При использовании такого же способа испытаний было определено, что предел упругости невпитавшейся литой стали (3) изнашиваемого элемента после термообработки нормализацией, закалкой и отпуском составляет от 1400 до 1500 МПа. Однако минимальный предел упругости 700 МПа обеспечивает широкий диапазон использования усиленных элементов в землеройных применениях, включающих столь высокие прилагаемые давления, как 1000 МПа, включая зубья с высокой износостойкостью для погрузчиков и экскаваторов общего назначения.
Вышеупомянутые результаты можно видеть на фиг.6, где приведена графическая зависимость сжимающей нагрузки от деформации сжатия для трех типичных образцов, полученных из области (2) композиционного материала сталь/пенокерамика термообработанного нормализацией, закалкой и отпуском изнашиваемого элемента по изобретению. Как можно видеть на фиг.6, отклик на сжимающие нагрузки области (2) композиционного материала проявляет достаточно упругое поведение (то есть дает прямолинейную зависимость между нагрузкой и деформацией) от нулевой нагрузки до уровней одноосного сжимающего напряжения в диапазоне 700-1000 МПа. При нагрузках, превышающих примерно 1000 МПа, возникает пластическая (то есть неупругая, или постоянная) деформация стали в сочетании с нарушением сцепления между сталью и стенками ячеек керамики.
Дополнительное воплощение изобретения представляет собой гибридную вставку, то есть первую вставку из пенокерамики, описанную ранее, в сочетании с второй вставкой, которую вводят в упомянутую первую вставку так, что указанная первая вставка по меньшей мере частично окружает указанную вторую вставку. Указанная вторая вставка предпочтительно содержит металлокерамику, а более предпочтительно изготовлена из сцементированного карбида вольфрама, который вводят внутрь вставки из пенокерамики типа, описанного ранее. Вставка из металлокерамики обеспечивает дополнительное увеличение износостойкости по сравнению с изнашиваемыми элементами, усиленными только областью (2) композиционного материала сталь/керамика.
Сущность и предмет изобретения станут понятными из последующего подробного описания предпочтительного воплощения изобретения.
Предметом изобретения является, как это установлено ранее, изнашиваемый элемент, то есть зубец из литой стали, который предназначен специально для погрузочных применений. Основной задачей изнашиваемого элемента является погрузка рыхлых минералов/камней в вагонетки, самосвалы или другие транспортные средства в месторождениях, каменоломнях и т.п.
Зубец для погрузки по изобретению включает вставку из пенокерамики на основе оксида циркония для улучшения износостойкости зубца, что увеличивает его срок службы. Надежность усиленного зубца обеспечивают путем получения качественной связи между усиливающей вставкой из пенокерамики и литой сталью, составляющей зубец. Было достигнуто полное проникновение литой стали внутрь ячеистых пор пены и внутрь микропор стенок ячеек.
Вставка по данному воплощению представляет собой спеченный пенокерамический материал пену на основе оксида циркония длиной 130 мм, шириной 90 мм и высотой 25 мм. Пенокерамика была получена путем пропитки полимерной пены с открыто-ячеистой структурой суспензией из материала на основе оксида циркония с последующим обжигом. Полученный таким образом пенокерамический материал характеризуется наличием открытой микропористости в виде ячеек величиной 8 пор на см (20 ppi). Керамические стенки были микропористыми и содержали некоторое количество пустот и трещин.
Литая сталь, применяемая для получения изнашиваемого элемента по данному воплощению, имеет состав, который включает, мас.%: углерод 0,27, кремний 1,5, марганец 0,9, хром 2,1 и молибден 0,3.
Изнашиваемый элемент был получен с использованием песчаной формы на основе оксида кремния, соединенной смолой холодного отверждения, обычно известного как процесс ISOCURE. Форму предварительно не нагревали, и она имела соотношение песка к стали 1,6 кг песка/кг литой стали.
Масса стали, разливаемой в форму для формирования изнашиваемого элемента и для пропитывания вставки из керамической пены, составляла 20,3 кг. Использовали температуры разлива стали в диапазоне 1550-1650°С. Эти температуры представляют перегрев от 50 до 150°С выше уровня температуры плавления низколегированной литой стали, применяемой для изготовления изнашиваемого элемента. Во всех случаях сохраняли целостность пенокерамики (то есть не было разломов из-за термического удара), и была получена желаемая пропитка пены (макро- и микропропитка).
Изнашиваемые элементы были подвергнуты термообработке обычными нормализацией, закалкой и низкотемпературным отпуском, чтобы получить литую сталь изнашиваемого элемента с микроструктурой, состоящей в основном из твердого и прочного отпущенного мартенсита.
Усиленные изнашиваемые элементы по данному примеру воплощения проявляли при работе примерно 50% увеличение срока/продолжительности службы по сравнению с не усиленными изнашиваемыми элементами такой же геометрии, со сходным составом стали и сходной термообработкой.