Статьи

Устойчивость чугуна и стали к абразивному износу: сравнение сплавов и покрытий

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

  1. 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
  1. 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
  1. 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

  1. 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
  1. 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
  1. 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

  1. 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
  1. 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
  1. 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.
2025-07-08 10:14