Абразивный износ — одна из главных причин выхода из строя деталей и узлов в горно-добывающей, цементной, металлургической и других отраслях. Выбор оптимального материала и технологии защиты поверхности критически важен для продления ресурса оборудования. В этой статье рассматриваются основные чугунные и стальные сплавы, используемые для обеспечения износостойкости, а также современные виды покрытий и наплавок, повышающие сопротивляемость абразивному износу.
1. Механизмы абразивного износа
При абразивном износе твёрдые частицы (пыль, песок, породы) внедряются в рабочую поверхность и срезают или прокалывают материал. Выделяют два основных механизма:
- Твёрдое врезание: частицы действуют как резцы, снимая микрослои металла.
- Роликовое прокатывание: мелкие частицы катятся по поверхности, создавая микротрещины и выкрашивание.
Ключевые параметры сопротивления износу — твердость, вязкость и устойчивость микроструктуры.
2. Чугунные сплавы для абразивных условий
- Белый чугун (High Chromium White Iron)
- Содержание Cr: 12–28 %
- Твердость: HB 500–800
- Применение: футеровка дробилок, молотки, плиты измельчителей
- Особенности: высокая твёрдость за счёт карбидов, хрупкость при ударных нагрузках
- Ni-Hard (никелевый чугун)
- Ni: 8–30 %, Cr: 1–3 %
- Твердость: HB 400–600
- Применение: барабаны грохотов, решётки, мельничные футеровки
- Особенности: отличная стойкость к абразии и умеренная пластичность
- Дутил (ковкий чугун)
- Графит в виде сфероидов, Si: 1,8–3,6 %
- Твердость: HB 150–300
- Применение: опоры, корпуса насосов, некритичные абразивные детали
- Особенности: баланс прочности и пластичности, невысокая износостойкость
3. Стальные сплавы для износостойких деталей
- Высокоуглеродистые и легированные стали (AR400, AR500)
- C: 0,3–0,5 %, Mn: 1–1,5 %, Cr: 1–2 %
- Твердость: HRC 30–50
- Применение: буровые штанги, ковши экскаваторов, ножи конвейеров
- Особенности: сочетание твёрдости и ударной вязкости, пригодны к термообработке
- Марганцовистая сталь (Hadfield steel)
- Mn: 11–14 %
- Твердость: HRC 200 (в исходном состоянии) → самоупрочнение при ударе
- Применение: рудоразмольное оборудование, дробилки
- Особенности: автотверднеющая структура при ударных нагрузках, высокая износостойкость
- Пейнтбэнд (сплавы с легированием Mo, V, Ni)
- Mo, V: по 0,2–1 %, Ni: 1–3 %
- Твердость: HRC 40–55
- Применение: шестерни, направляющие, пресс-формы
- Особенности: повышенная устойчивость к ползучести и усталостному износу
4. Сравнение чугуна и стали
ПоказательЧугунСталь
Твердость
Очень высокая (HB 500–800)
Средняя–высокая (HRC 30–50)
Ударная вязкость
Низкая–средняя
Средняя–высокая
Абразионная устойчивость
Отличная в белом чугуне, Ni-Hard
Отличная в марганцовистой стали
Стоимость обработки
Низкая (прямое литьё)
Высокая (термообработка)
Гибкость применения
Футеровка, несущие элементы
Ответственные динамические узлы
5. Защитные покрытия и наплавки
- Термическое напыление (HVOF, плазма)
- Материалы: карбиды (WC–Co), Cr₃C₂, Ni–Cr–B–Si сплавы
- Толщина: 100–500 µm
- Преимущества: высокая адгезия, твердость до 1200 HV
- Наплавка электродами и порошковой проволокой
- Сплавы: 12–28 % Cr, Ni–Hard проволоки
- Толщина: до 5 мм за один проход
- Преимущества: восстанавливает изношенные детали, формирует толстые износостойкие слои
- Керамические и полимерно-керамические покрытия
- Материалы: Al₂O₃, SiC, износостойкие полиуретаны
- Преимущества: высокая твёрдость, коррозионная устойчивость, поглощение ударных нагрузок
6. Выбор оптимального решения
- Для ударно-абразивных условий: марганцовистая сталь или наплавленные белые чугуны.
- Для чисто абразивного износа: белые чугуны с высоким Cr, карбидные покрытия.
- Для динамических узлов: легированные стали с термообработкой (AR-сплавы) и HVOF-покрытия.
Устойчивость к абразивному износу зависит от баланса твёрдости, пластичности и микроструктуры материала. Чугуны (особенно белые и Ni-Hard) превосходят сталь по базовой твёрдости и простоте литья, но уступают в ударной вязкости. Сталь, благодаря разнообразию легирующих элементов и термообработке, обеспечивает гибкость и высокую надёжность динамических узлов. Современные покрытия и наплавки позволяют значительно повысить ресурс как чугунных, так и стальных деталей, обеспечивая экономичность и эффективность эксплуатации оборудования.