Стали HARDOX® — особенности, опыт использования, отечественные аналоги

Введение

С некоторых пор в своих разработках мы используем стали HARDOX®. Данный материал для нашей страны уже давно не является новинкой. Но, возможно, некоторые из наших читателей, как и мы в свое время, не сталкивались на практике с данным материалом и им будет интересна та информация, которой мы хотим поделится с ними в нашем инженерном журнале. А те, кто уже знаком с этой сталью и имеет практический опыт ее применения поделится своим впечатлением и даст новую интересную информацию к размышлению и обсуждению. Основной подход данной публикации в следующем — мы учимся вместе с нашими читателями, а зачастую благодаря им.

Вопрос о сталях HARDOX® мы поднимаем не в качестве наставлений или руководства к действию, настоящая статья больше служит для инициации обсуждения и обмена опытом. Это объясняется тем, что за короткую практику использования сталей Хардокс у нас накопилось больше вопросов, чем ответов. Связано это с тем, что ранее в разработках нашего коллектива использовался достаточно ограниченный круг материалов. Например, для некоторых деталей HARDOX® пришел на замену сталям 08кп, 10, 20, 45, 40Х.

Что такое сталь HARDOX®

Данный материал в виде труб, круга и листового проката производится шведской компанией SSAB с 1974 года. И большую часть информации о свойствах и областях применения можно почерпнуть как раз на сайте данного предприятия [1].

В настоящее время под маркой HARDOX®® производится достаточно широкий спектр продукции [2]:

• стойкая к коррозионному износу листовая сталь для кислотных сред HARDOX® HiAce;
• стойкая к абразивному истиранию толстолистовая сталь HARDOX® HiTuf;
• стойкие к абразивному истиранию листовые стали HARDOX® 400, 450, 500, 550, 600;
• износостойкая с повышенной твердостью и ударной вязкостью листовая сталь HARDOX® 500 Tuf;
• исключительно стойкая к абразивному износу листовая сталь HARDOX® Extreme с твердостью 650…700 единиц по Бриннелю;
• круглый прокат из стали HARDOX®;
• трубы из стали HARDOX® с твердостью 400 и 500 единиц по Бриннелю;
• жаропрочная износостойкая листовая сталь HARDOX® HiTemp для рабочих диапазонов температуры 300…500°C.

Практический опыт

Первое наше практическое применение данного материала было реализовано при изготовлении накладок на захват манипулятора (рис 1). Накладки, как и сам захват проектировались с нуля по эскизам клиентов.

Рисунок 1 — Накладка манипулятора, сталь HARDOX® 500

Основными требованиями к накладкам были возможность их быстрой замены и изготовления из относительно недорого износостойкого материала, который хорошо поддается механической обработке.

Накладка выполнена с рифленой поверхностью, крепится она на захват манипулятора винтами В процессе работы накладки показали себя вполне хорошо, но как показал опыт есть еще резервы по модернизации самого конструктива манипулятора и накладок, что не связано со свойствами выбранного материала.

Далее перед нами стояла задача по модернизации рабочего колеса центробежного вентилятора горизонтального сушильного агрегата. На рис. 2 представлена в общем виде конструкция колеса такого типа [3].

Рисунок 2 — Рабочее колесо радиального вентилятора.
1 — ступица; 2 — передний диск; 3 — задний диск; 4 — лопатка.

В наши задачи входило изменение конструкции колеса с целью обеспечения заданных параметров производительности вентилятора путем изменения конструктивных параметров. При этом ставилось требование обеспечения прочности и износостойкости конструкции.

Ранее на заводе изготовителе для данных колес использовали сталь AISI 1010 Carbon Steel (аналог стали 08кп). Колеса из этой стали показали малый резерв по прочности и ресурс эксплуатации.

Помимо подбора рационального материала для изготовления, основные конструктивные изменения касались корректировки кривизны лопаток, изменения углов их позиционирования и количества в составе колеса.

В ходе работы над модернизацией колеса мы выбрали сталь HARDOX® 400 опираясь только на описание ее физико-механических характеристик, известную на практике устойчивость к абразивному и кавитационному износу, и что для нас было очень важно, то что данный материал обладал хорошей свариваемостью. Далее в процессе работы мы выяснили, что “изобрели велосипед” и стали HARDOX® давно успешно применяются для такого типа конструкций [4]. Сварка конструкции осуществлялась сварочной проволокой ER70S-6 с предварительным подогревом свариваемых участков металла до температуры, примерно, 75…85°C. Охлаждение сварных швов делалось плавным, а сама конструкция крепилась жестко к монтажной плите для уменьшения коробления. Также в процессе работы над проектом были проведены расчеты прочности конструкции колеса с использованием SOLIDWORKS, которые показали верность нашего выбора материала. Параллельно проведены приближенные расчеты сварных соединений колеса классическими аналитическими методами расчета деталей машин.

В результате промышленной эксплуатации была подтверждена надежность модернизированного колеса в широком диапазоне частот вращения вплоть до 1200 мин-1. При этом температура рабочей среды составляла от 35 до 175°C.

Следующей задачей, где нами была применена сталь HARDOX® 400 стало изготовление конструктивных элементов линий переработки мелкофракционных сырьевых материалов применяемых в металлургическом производстве (небольшие бункеры, шиберные затворы, загрузочные устройства). Особенностью работы этих деталей является то, что они работают в условиях абразивного, порой ударного воздействия потока частиц сыпучих материалов (фракция от 0 до 10мм) с насыпной плотностью от 0,3 до 2,3 г/см3. Твердость частиц шихты при этом составляет от 2 до 5 единиц по шкале Мооса [5], отдельные материалы, к примеру, отсевы ферро- и силикомарганца имеют твердость частиц до 43 HRC. Ряд материалов представляют собой шихты на основе мелкофракционных материалов с содержанием жидкой фазы, а также представляют собой агрессивные среды. То есть в данном варианте использование стали является вполне рациональным решением.

Обработка сталей HARDOX®

Так как наш коллектив в большей степени занимается разработкой технологий и оборудования, то решение вопросов обработки металлов резанием занимаются наши партнеры-изготовители, у которых есть свои методы и подходы к решению различных производственных задач. Но, в целом их методы не отличаются от общепринятых. Поэтому в данном разделе статьи мы лишь кратко коснемся способов обработки сталей Хардокс.

В процессе нашей работы выяснилось, что существует много различных мнений и подходов к обработке сталей HARDOX®, которые можно разделить на две категории.

Первая — рекомендации от производителя и его торговых представителей [6,7]. Они достаточно содержательны и подробны, однако мы так и не нашли в них данных о стойкости обрабатывающего инструмента, а также показателей износостойкости самих сталей, что является важным фактором при выборе материала и проектировании оборудования.

Вторая — рекомендации основанные на личном опыте машиностроительных предприятий. Такие рекомендации особо ценные, ведь инструмент вещь дорогостоящая и здесь важно соблюсти здравый смысл в его приобретении и использовании. Но, по факту, такого рода информации крайне мало. Нам удалось найти только отрывочные частные рекомендации, вот наиболее доступные из них:

1. Быстрорез с кобальтом отечественный или импортный (не Китай), напайной ВК (огромный расход), Sandvik со сменными пластинами, цельные твердосплавные свёрла (только ЧПУ) — сверловка. Фрезеруется вполне фрезами со сменными пластинами (импортными). Обрабатывается сносно Хардокс 400. С 500 похуже — расход по инструменту возрастает.
2. Советские сверла будут брать Р6М5К5 (на малых оборотах с охлаждением; готовьте несколько заточенных сверл). ВК напайные — очень приличный расход. По времени умножайте на 5 (если брать с учётом переточки и смены инструмента).
3. Был опыт обработки стали HARDOX 450. Фрезеровали уступ шириной 50 мм построчно с глубиной 5 мм. Пробовали фрезы Sandvik, Seco, Walter, Iscar. В нашем случае лучше себя показала фреза Seco R220.96-0063-08-4A. Конечно по сравнению с нашим инструментом стоит немало, но оно того стоит. Обработку вели на следующих режимах: ар=5 мм, n=800 об/мин, Vf=260 мм/мин. Обрабатывали без СОЖ. Сплав пластин — TP1500 лучше всего себя показал.
4. Сверлим Р18, точим китайскими пластинами. Фрезеруем пятиграником кировоградским, плохо, но стоит.
5. HARDOX 500 сверлится и быстрорезом и твердым сплавом (цельные от 3 мм, напайные, со сменными пластинами — для диаметров от 12 мм).
6. Для нежестких станков твердосплавный инструмент не рекомендуется. При использовании быстрореза вибрации крошат кромку, поэтому следует поднимать жесткость. Быстрорез рекомендуется использовать легированный кобальтом, к примеру Р6М5К5, или зарубежный аналог HSS-Co. Сверла желательно применять с утолщенной сердцевиной и малым углом наклона винтовых канавок (геометрия сверла аналогична той, что используется для нержавеющих сталей).
7. Скорость для быстрореза рекомендуется небольшая — не более 5 м\мин. К примеру, около 130 оборотов при сверлении отверстия диаметром 10 мм. Подача на один оборот сверла — примерно 0,1 мм.
8. Для твердосплавного инструмента скорость резания можно поднимать до 30 м\мин. Подача — одна десятая на один оборот. Твердосплавный инструмент рекомендован однокарбидный с кобальтом от 8%. Оптимальным вариантом является инструмент из мелкозернистого металла, типа сандвиковского H10F — у него прочность на уровне быстрореза и твердость под 92 HRA. Обязательно рекомендовано применение СОЖ — расход в литрах в минуту=диаметру сверла в мм.

Кое-какие сведения мы почерпнули из различных видео, вот примеры некоторых из них:

1. Allied Maxcut HARDOX 500 drilling Ronar Poland
2. HARDOX® 500 CNC obrábění milling drilling Renomag
3. Portique de perçage Gemini HARDOX® 500 — Ficep France

Аналоги

Несмотря на то, что нашим коллективом на практике было опробовано применение сталей HARDOX®, по ряду причин на сегодня есть необходимость применения аналогов данного материала. К примеру, когда нами проектировались детали для предприятий расположенных на территории Северной Америки, то применение Хардокса было вполне оправданным. В условиях стран СНГ, в первую очередь по экономическим причинам, логичным и перспективным является применение сталей местного производства.

В качестве аналогов продукции SSAB нашим коллективом рассматриваются стали производимые ОАО “Северсталь” и ЧАО “Азовсталь”.

В табл. 1 приведены базовые механические характеристики для используемых нами сталей HARDOX® и принятых аналогов.

Таблица 1. Механические свойства*

*могут немного отличаться от указанных в таблице в зависимости от толщины проката

При выборе аналогов мы опирались, в основном, на доступность на рынке данных сталей, а также на следующие показатели: величину предела текучести, предела прочности, твердость по Бринеллю и, в меньшей степени, на показатели ударной вязкости и относительного удлинения.

Как видно, из данных таблицы 1 отечественные стали по ряду показателей уступают сталям HARDOX®, но разница в цене в 1,5…2,0 раза и более простые способы механической обработки делают местные аналоги вполне конкурентоспособными.

Также интересным и вполне ожидаемым фактом в процессе знакомства со сталью HARDOX® стало то, что у нее существует множество зарубежных аналогов-конкурентов. К примеру: Strenx (Weldox) 700; Swebor 400; DILLIDUR 400V; Miilux 400; HARTPLAST 400; Quard 400 и т.д. Все современные зарубежные стали конкуренты Хардокса не уступают по большинству показателей качества. И в данном варианте на выбор материала существенное влияние оказывает его доступность и цена на региональном рынке.

Сразу отмечу, что для окончательного принятия решения, о выборе той или иной марки стали, при создании конкретной детали или конструкции нам достаточно часто приходится дополнительно консультироваться со специалистами в области металловедения и термообработки.

Если Вас заинтересовала данная тематика, мы просим поделиться своим опытом и мнением по поводу применения и обработки деталей из сталей HARDOX® и их аналогов.

• https://www.ssab.com/
• https://www.ssab.ru/products/brands/hardox
• https://kalorifer.net/obshchie-svedeniya-o-ventilyacionnoy-tehnike
• https://www.hardoxwearparts.ru/equipment/centrifugal-fans
• The Mohs Mineral Hardness Scale. By Andrew Alden // About.com: Geology. [Электронный ресурс], 2010 — Режим доступа: http://geology.about.com/od/scales/a/mohsscale.htm
• https://www.hardpart.ru/recommendations/milling
• https://beziznosa.ru/stal/mehanicheskaya-obrabotka-hardox/