Сталі HARDOX® — особливості, досвід використання, вітчизняні аналоги

Введення

З деяких пір у своїх розробках ми використовуємо сталі HARDOX® Цей матеріал для нашої країни вже давно не є новинкою. Але, можливо, деякі з наших читачів, як і ми свого часу, не стикалися на практиці з цим матеріалом, і їм буде цікава та інформація, якою ми хочемо поділитися з ними в нашому інженерному журналі. А ті, хто вже знайомий з цією сталлю і має практичний досвід її застосування, поділяться своїми враженнями і дадуть нову цікаву інформацію для роздумів і обговорення. Основний підхід даної публікації в наступному – ми вчимося разом із нашими читачами, а найчастіше завдяки їм.

Питання про сталі HARDOX® ми піднімаємо не як настанови чи посібники до дії, ця стаття більше служить для ініціації обговорення та обміну досвідом. Це пояснюється тим, що за коротку практику використання сталей Хардокс у нас накопичилося більше питань, ніж відповідей. Пов’язано це з тим, що раніше у розробках нашого колективу використовувалося досить обмежене коло матеріалів. Наприклад, для деяких деталей HARDOX® прийшов на заміну сталям 08кп, 10, 20, 45, 40Х.

Що таке сталь HARDOX®

Даний матеріал у вигляді труб, кола та листового прокату виробляється шведською компанією SSAB з 1974 року. І більшу частину інформації про властивості та сфери застосування можна почерпнути якраз на сайті даного підприємства [1].

В даний час під маркою HARDOX® виробляється досить широкий спектр продукції [2]:

• стійка до корозійного зношування листова сталь для кислотних середовищ HARDOX® HiAce;
• стійка до абразивного стирання товстолистова сталь HARDOX® HiTuf;
• стійкі до абразивного стирання листові сталі HARDOX® 400, 450, 500, 550, 600;
• зносостійка з підвищеною твердістю та ударною в’язкістю листова сталь HARDOX® 500 Tuf;
• виключно стійка до абразивного зношування листова сталь HARDOX® Extreme з твердістю 650…700 одиниць за Брінель;
• круглий прокат зі сталі HARDOX®;
• труби зі сталі HARDOX® з твердістю 400 та 500 одиниць за Брінель;
• жароміцна зносостійка листова сталь HARDOX® HiTemp для робочих діапазонів температури 300…500°C.

Практичний досвід

Перше наше практичне застосування цього матеріалу було реалізовано під час виготовлення накладок на захоплення маніпулятора (рис 1). Накладки, як і саме захоплення, проектувалися з нуля за ескізами клієнтів.

Рис. 1 – Накладка маніпулятора, сталь HARDOX® 500

Основними вимогами до накладок були можливість їх швидкої заміни та виготовлення відносно недорого зносостійкого матеріалу, який добре піддається механічній обробці.

Накладка виконана з рифленою поверхнею, вона кріпиться на захоплення маніпулятора гвинтами. У процесі роботи накладки показали себе цілком добре, але, як показав досвід, є ще резерви з модернізації самого конструктиву маніпулятора і накладок, що не пов’язано з властивостями обраного матеріалу.

Далі перед нами стояло завдання щодо модернізації робочого колеса відцентрового вентилятора горизонтального сушильного агрегату. На рис. 2 представлена ​​у загальному вигляді конструкція колеса такого типу [3].

Рис. 2 – Робоче колесо радіального вентилятора.
1 – маточина; 2 – передній диск; 3 – задній диск; 4 – лопатка.

У наші завдання входила зміна конструкції колеса з метою забезпечення заданих параметрів продуктивності вентилятора шляхом зміни конструктивних параметрів. При цьому необхідно було забезпечити міцність і зносостійкість конструкції.

Раніше на заводі виготовлювачі для цих коліс використовували сталь AISI 1010 Carbon Steel (аналог сталі 08кп). Колеса з цієї сталі показали малий резерв по міцності та ресурс експлуатації.

Крім підбору раціонального матеріалу для виготовлення основні конструктивні зміни стосувалися коригування кривизни лопаток, зміни кутів їх позиціонування і кількості в складі колеса.

В ході роботи над модернізацією колеса ми вибрали сталь HARDOX® 400 спираючись тільки на опис її фізико-механічних характеристик, відому на практиці стійкість до абразивного та кавітаційного зносу, і що для нас було дуже важливо, що даний матеріал мав гарну зварюваність. Далі в процесі роботи ми з’ясували, що “винайшли велосипед” і сталі HARDOX® давно успішно застосовуються для такого типу конструкцій [4]. Зварювання конструкції здійснювалося зварювальним дротом ER70S-6 з попереднім підігрівом ділянок металу, що зварюються до температури, приблизно, 75…85°C. Охолодження зварних швів робилося плавним, а сама конструкція кріпилася жорстко до монтажної плити зменшення короблення. Також у процесі роботи над проектом було проведено розрахунки міцності конструкції колеса з використанням SOLIDWORKS, які показали вірність вибору матеріалу. Паралельно проведено наближені розрахунки зварних з’єднань колеса класичними аналітичними методами розрахунку деталей машин.

В результаті промислової експлуатації було підтверджено надійність модернізованого колеса у широкому діапазоні частот обертання аж до 1200 хв-1. У цьому температура робочого середовища становила від 35 до 175°C.

Наступним завданням, де нами була застосована сталь HARDOX® 400, стало виготовлення конструктивних елементів ліній переробки дрібнофракційних сировинних матеріалів, що застосовуються в металургійному виробництві (невеликі бункери, шиберні затвори, завантажувальні пристрої). Особливістю роботи цих деталей є те, що вони працюють в умовах абразивного, часом ударного впливу потоку частинок сипучих матеріалів (фракція від 0 до 10мм) з щільністю насипною від 0,3 до 2,3 г/см3. Твердість частинок шихти у своїй становить від 2 до 5 одиниць за шкалою Мооса [5], окремі матеріали, наприклад, відсіви феро- і силікомарганцю мають твердість частинок до 43 HRC. Ряд матеріалів є шихти на основі дрібнофракційних матеріалів з вмістом рідкої фази, а також являють собою агресивні середовища. Тобто в даному варіанті використання сталі є цілком раціональним рішенням.

Обробка сталей HARDOX®

Так як наш колектив більшою мірою займається розробкою технологій та обладнання, то вирішення питань обробки металів різанням займаються наші партнери-виробники, які мають свої методи та підходи до вирішення різних виробничих завдань. Але, в цілому, їх методи не відрізняються від загальноприйнятих. Тому в цьому розділі статті ми лише коротко торкнемося способів обробки сталей Хардокс.

В ході нашої роботи з’ясувалося, що існує безліч різних думок і підходів до обробки сталей HARDOX®, які можна розділити на дві категорії.

Перша – це рекомендації від виробника і його торгових представників [6,7]. Вони досить змістовні та докладні, проте ми так і не знайшли в них даних про стійкість обробного інструменту, а також показники зносостійкості самих сталей, що є важливим фактором при виборі матеріалу та проектуванні обладнання.

Друга – рекомендації, засновані на особистому досвіді машинобудівних підприємств. Такі рекомендації особливо цінні, адже інструмент річ дорога і тут важливо дотримуватися здорового глузду в його придбанні та використанні. Але, за фактом, такої інформації вкрай мало. Нам вдалося знайти тільки схематичні приватні рекомендації, ось найдоступніші з них:

1. Швидкоріз з кобальтом вітчизняний або імпортний (не Китай), напайний ВК (величезна витрата), Sandvik зі змінними пластинами, цілісні твердосплавні свердла (тільки ЧПК) – свердловка. Фрезерується повністю фрезами зі змінними пластинами (імпортними). Обробляється непогано Хардокс 400. З 500 гірше – витрата на інструмент зростає.
2. Радянські свердла братимуть Р6М5К5 (на малих оборотах з охолодженням; готуйте кілька заточених свердлів). ВК напайні – дуже пристойна витрата. За часом множте на 5 (якщо брати з урахуванням переточування та зміни інструменту).
3. Був досвід в обробці сталі HARDOX 450. Фрезерували уступ шириною 50 мм рядково з глибиною 5 мм. Пробували фрези Sandvik, Seco, Walter, Iscar. У нашому випадку краще за себе показала фреза Seco R220.96-0063-08-4A. Звичайно в порівнянні з нашим інструментом коштує чимало, але воно того варте. Обробку вели на наступних режимах: ар=5 мм, n=800 об/хв, Vf=260 мм/хв. Обробляли без СОЖ. Сплав пластин – TP1500 найкраще себе показав.
4. Свердлимо Р18, точимо китайськими пластинами. Фрезеруємо п’ятигранником кіровоградським, погано, але варто.
5. HARDOX 500 свердлиться і швидкорізом та твердим сплавом (цілісні від 3 мм, напайні, зі змінними пластинами – для діаметрів від 12 мм).
6. Для нежорстких верстатів твердосплавний інструмент не рекомендується. При використанні швидкорізу вібрації кришать крайку, тому слід піднімати жорсткість. Швидкоріз рекомендується використовувати легований кобальтом, наприклад Р6М5К5, або зарубіжний аналог HSS-Co. Свердла бажано застосовувати з потовщеною серцевиною та малим кутом нахилу гвинтових канавок (геометрія свердла аналогічна тій, що використовується для нержавіючих сталей).
7. Швидкість для швидкоріза рекомендується бути невеликою – не більше 5 м / хв. Наприклад, близько 130 оборотів при свердлінні отвору діаметром 10 мм. Подача на один оборот свердла – приблизно 0,1 мм.
8. Для твердосплавного інструменту швидкість різання можна піднімати до 30 м хв. Подача – одна десята на один оборот. Твердосплавний інструмент рекомендований однокарбідні з кобальтом від 8%. Оптимальним варіантом є інструмент із дрібнозернистого металу, типу сандвіківського H10F – у нього міцність на рівні швидкорізу та твердість під 92 HRA. Обов’язково рекомендовано застосування СОЖ – витрата в літрах за хвилину = діаметр свердла в мм.

Деякі відомості ми отримали з різних відео, ось приклади деяких з 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

Незважаючи на те, що наша команда випробувала використання сталей HARDOX® на практикі, з ряду причин сьогодні виникає необхідність використання аналогів цього матеріалу. Наприклад, коли нами проектувалися деталі для підприємств, розташованих на території Північної Америки, застосування Хардокса було цілком виправданим. В умовах країн СНД, насамперед з економічних причин, логічним та перспективним є застосування сталей місцевого виробництва.

Як аналоги продукції SSAB нашим колективом розглядаються сталі вироблені ВАТ “Северсталь” та ПрАТ “Азовсталь”.

У табл. 1 наведено базові механічні характеристики для використовуваних нами сталей HARDOX® та прийнятих аналогів.

Таблиця 1. Механічні властивості*

* можуть трохи відрізнятися від зазначених у таблиці залежно від товщини прокату

При виборі аналогів ми спиралися, переважно, на доступність ринку даних сталей, і навіть наступні показники: величину межі плинності, межі міцності, твердість по Бринеллю і, меншою мірою, на показники ударної в’язкості та відносного подовження.

Як видно, з даних таблиці 1 вітчизняні сталі за низкою показників поступаються сталям HARDOX®, але різниця в ціні в 1,5…2,0 рази і простіші способи механічної обробки роблять місцеві аналоги цілком конкурентоспроможними.

Також цікавим і цілком очікуваним фактом у процесі знайомства зі сталлю HARDOX® стало те, що вона має безліч зарубіжних аналогів-конкурентів. Наприклад: Strenx (Weldox) 700; Swebor 400; DILLIDUR 400V; Miilux 400; HARTPLAST 400; Quard 400 і т.д. Всі сучасні зарубіжні сталеві конкуренти Хардокса не поступаються за більшістю якісних показників. І в цьому варіанті на вибір матеріалу істотно впливає його доступність і ціна на регіональному ринку.

Відразу зазначу, що для прийняття остаточного рішення про вибір тієї чи іншої марки сталі, при створенні конкретної деталі або конструкції нам часто доводиться додатково консультуватися з фахівцями в області металознавства і термічної обробки.

Якщо вас зацікавила дана тема, просимо вас поділитися своїм досвідом і думкою по застосуванню і обробці деталей зі сталей HARDOX® і їх аналогів.

• 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. [Електронний ресурс], 2010 – Режим доступу: http://geology.about.com/od/scales/a/mohsscale.htm
• https://www.hardpart.ru/recommendations/milling
• https://beziznosa.ru/stal/mehanicheskaya-obrabotka-hardox/