Влияние химического состава и температуры отпуска металла зубьев ковшей экскаватора на их эксплуатационные свойства

Снижение металлоёмкости инструмента, применяемого при добыче твёрдых ископаемых, напрямую связанно с его износостойкостью. В работе проведены исследования, направленные на получение научно обоснованных требований к выбору материала для зубьев ковшей экскаваторов. Цель работы — определение оптимального химического состава и конечной термической обработки для обеспечения необходимого комплекса механических свойств металла зубьев ковшей экскаватора для использования в различных условиях эксплуатации.

Опытные образцы сталей производили в индукционных печах ёмкостью до 120 кг. Термическую обработку металла проводили в закалочном масле при высоком или низком отпуске. Для испытаний на износостойкость использовали схему трения, при которой закреплённый в шпинделе станка образец совершает поперечное движение и одновременно вращается вокруг своей оси.

Самые высокие прочностные показатели у стали с 0,4 % С (1720 МПа временное сопротивление) по сравнению с 0,3 % С (1680 МПа) при одном уровне пластических характеристик. Анализ результатов испытаний на износостойкость, показал наиболее жёсткие условия износа при использовании абразиве SiC размерностью 200 мкм (66—71 м/г; 82—89 м/г). Высокая твёрдость стали после закалки и низкого отпуска гарантирует лучшую сопротивляемость износу 130—133 м/г, по сравнению с закалкой и высоким отпуском 95—110 м/г. Основными механизмами износа при изнашивании является микрорезание и пластическое оттеснение.

Учитывая результаты исследований и условия применения ковшей экскаваторов при добыче различных горных пород, для зубьев ковшей рекомендованы следующие стали: сталь 30ХГНМФЛ для условий, где необходима высокая износостойкость и хладостойкость; сталь 40Х2ГН2МФЛ (№ 3) для более умеренного климата. Низкий отпуск после закалки стали рекомендуется для более умеренного климата, для обеспечения хладостойкости необходима закалка и высокий отпуск.

1. Слепцов О.И., Шульгинов Б.С., Михайлов В.Е., Сивцев М.Н., Слепцов Г.Н. Повышение прочности сварных металлоконструкций горнодобывающей и транспортной техники в условиях Севера. — Новосибирск: Наука. — 2012

2. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Доценко В.А. Абразивные изнашивания бурильного инструмента. — М.: Наука. — 1995

3. Yue Zhao, Abbas Taheri, Murat Karakus, Zhongwei Chen, et al. Effects of Water Content, Water Type and Temperature on the Rheological Behaviour of Slag-Cement and Flyash-Cement Paste Backfill // International Journal of Mining Science and Technology. — 2020 (30), no. 3, 271—278

4. Ivanov S.L., Ivanova P.V., and Kuvshinkin S.Yu. Estimation of Operating Time of Quarry Excavators of Perspective Model Range in Real Operating Conditions // Journal of Mining Institute. — 2020 (242), 228—233

5. Galata L.A., Ermakov B.S., Kancev R.G., and Karzina J.S. The Influence of Microstructure Quality on the Efficiency of Bucket Teeth of Career Excavators // Key Engineering Materials. — 2023 (941), 107—112

6. Ермаков Б.С., Вологжанина С.A., Ермаков С.Б., Швецов О.В. Причины ускоренного выхода из строя коронок ковшей экскаваторов при эксплуатации в условиях Арктических регионов // Черные металлы. — 2024, № 9, 37—43

7. Ermakov B.S., Shvetsov О.V., Ermakov S.B., and Vologzhanina S.А. Investigation of the Influence of Cast Microstructure on the Operability of the Crown of a Quarry Excavator // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of Geology and Technical Sciences. — 2025 (1), № 469, 59—71

8. Шамоня, В.П., Михайловский А.И., Ковальчук В.А., Благих Б.М. Долговечность зубьев ковшей экскаваторов ЭКГ-8 в условиях Норильска // Горный журнал. — 1966, № 7, 53—56

9. Jie Li, Liujie Xu, Yu Feng, Shubo Wu et al. Hardening Mechanism of High Manganese Steel during Impact Abrasive Wear // Engineering Failure Analysis. — 2023 (154), 107716. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107716

10. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. — М: Металлургия. — 1979

11. Meshkov A.A., Kazanin O.I., and Sidorenko A.A. Improving the Efficiency of the Technology and Organization of the Longwall Face Move during the Intensive Flat-Lying Coal Seams Mining at the Kuzbass Mines // Journal of Mining Institute. — 2021 (249), no. 5, 342—350. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.3

12. Берштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка стали: Учебник. В 3-х т. — М: Металлургия. — 1983

13. Barrett Ch. and Massalsky T. Structure of Metals. — Metallurgy. — 1984

14. Солнцев Ю.П. Хладостойкие стали и сплавы: учебник для вузов. — Санкт-Петербург: ХИМИЗДАТ. — 2020

15. Korchynsky M. Advanced Metallic Structural Ma-terials and a New Role for Microalloyed Steels // Materials Science Forum. — Trans. Tech. Publications Ltd. — 2005 (500), 471—480