VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Стальные конструкции – конструкции, изготавливаемые из сталей различных марок и состояний. Основными достоинствами стальных конструкций, определяющими область их применения, являются: относительная легкость, достигаемая в результате использования сталей с высокими прочностными характеристиками; разнообразие конструктивных форм; широкая возможность типизации и унификации, высокая степень механизации изготовления и монтажа; возможность сочетания с другими материалами (железобетоном, алюминием и т. д.), а также выполнения сборно-разборных конструкций. Основные недостатки стальных конструкций – подверженность коррозии (особенно в некоторых агрессивных средах) и снижение прочности при высоких температурах [1]. Стальные конструкции и оборудование, изготовленное из стали (механизированные крепи, проходческие и очистные комбайны, конвейеры, перегружатели, дробилки угля и др.), широко применяются в горношахтной промышленности. К сталям, используемым для их изготовления, предъявляются определённые требования: применяются высокопрочные, мелкозернистые стали с пределом текучести 600 – 1000 МПа, которые обеспечивают повышенную износостойкость и надежность при эксплуатации.

Стали, применяемые для изготовления стальных конструкций, разделяются на малоуглеродистые (стали с содержанием углерода более 0,3 % С) и легированные (содержит кроме углерода и обычных примесей, другие элементы, улучшающие ее свойства). Они должны обладать высокой прочностью, вязкостью и хорошей свариваемостью. Углеродистые стали представляют собой сплавы железа и углерода. Постоянными примесями в них являются марганец, кремний, сера и фосфор. Для получения более качественных и легированных сталей вводят специальные легирующие добавки (присадки) – хром, никель, марганец, ванадий и др. Легированные стали более прочны и обладают высокими механическими свойствами. Механические свойства стали зависят в основном от количества углерода и легирующих добавок, содержащихся в стали, так как чистое железо (феррит) обладает низкими механическими свойствами. Прочность стали возрастает с увеличением процента содержания углерода. Однако увеличение процента содержания углерода снижает пластичность стали, увеличивает хрупкость и ухудшает свариваемость. Содержание углерода в сталях, применяемых в горношахтном оборудовании (ГШО), не должно превышать 0,22 %. Существенно увеличивает прочность стали без заметного снижения пластичности марганец, который является полезной примесью и всегда присутствует в сталях, используемых для ГШО, в количестве от 0,4 до 0,05 %. Кремний также повышает прочность стали, но ухудшает свариваемость и стойкость против коррозии, поэтому содержание кремния в таких сталях ограничивается 0,3 %. Наконец, очень полезной, но более дорогой добавкой является медь, которая повышает прочность стали в меньшей мере, чем марганец и кремний, но значительно улучшает стойкость стали против коррозии.

Наряду с указанными полезными добавками сталь содержит и вредные примеси: фосфор, серу, азот и кислород. Фосфор делает сталь хладноломкой (хрупкой при пониженных температурах), а сера – красноломкой (трещиноватой при температурах 800-1000°). Во время ковки такая сталь дает трещины, а при значительном содержании серы даже разрушается. Повышенное содержание фосфора недопустимо для сталей, используемых для изготовления ГШО, поэтому процент содержания фосфора и серы в них ограничивается 0,05 %. Весьма вредными примесями являются кислород и азот, которые попадают в сталь из воздуха при ее выплавке. Азот делает сталь хрупкой и хладноломкой. Кислород действует, как сера, но в более сильной степени. Для ответственных сварных конструкций в ГШО, воспринимающих динамическую нагрузку, применяют спокойную мартеновскую сталь (сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями – кремнием, марганцем, алюминием, которые, соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды, всплывают на поверхность массы стали и легко удаляются.

В производстве горношахтного оборудования, изготавливаемого на Юргинском машиностроительном заводе, используют в основном стали марок 35Л, 45Л, 110Г13Л, 35ХГСЛ, 30ХГСА, а также в последние годы стали использовать сталь 14ХГ2САФД и «Weldox 900D». Для деталей, не находящихся под нагрузкой, применяют сталь марки Ст.3 с содержанием углерода – 0,14-0,22 %, кремния – 0,05-0,17 %, марганца – 0,4-0,65 %, никеля, меди, хрома – до 0,3 % , мышьяка до 0,08 %, серы и фосфора – до 0,05 и 0,04 % соответственно.). Марку легированной стали, так же как и углеродистой, обозначают буквами и цифрами. Буквы показывают, какие легирующие элементы введены в сталь, и обозначают, например: Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, М - молибден, Д - медь. Цифры, стоящие перед буквами, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, а цифры, следующие за буквами, - на среднее содержание соответствующего легирующего элемента. В тех случаях, когда среднее содержание легирующих элементов менее 2%, после буквы, обозначающей этот элемент, цифра не ставится. Наряду с большой прочностью легированные стали обладают высокой ударной вязкостью при пониженных температурах и хорошей коррозийной стойкостью. Хотя стоимость легированной стали примерно на 25% выше стоимости стали Ст. 3, применение её позволяет увеличить срок использования ГШО на 25-30 %, что является экономически целесообразным.

Сталь марки 35Л используется для изготовления деталей, работающих под действием средних статических и динамических нагрузок, и имеет следующий химический состав: углерод – 0,32-0,4 %, кремний – 0,2-0,52 % , марганец – 0,4-0,9 %, никель – до 0,3 %, сера – до 0,045 %, фосфор – до 0,04 %, хром и медь – до 0,3 % (ГОСТ 977-88).

Нелегированная сталь 45Л применяется для изготовления деталей, к которым предъявляются требования повышенной прочности и высокого сопротивления износу и работающих под действием статических и динамических нагрузок. Химический состав (в %) стали 45Л (ГОСТ 977-88): углерод – 0,42-0,5 %, кремний – 0,2-0,52 % , марганец – 0,45-0,9 %, сера и фосфор – до 0,06 %.

Легированная сталь марки 35ХГСЛ используется для изготовления ответственных детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости. Химический состав материала 35ХГСЛ в процентном соотношении: углерод – 0,3-0,4 %, кремний – 0,6-0,8 % , марганец – 1-1,3 %, сера – до 0,04 %, фосфор – до 0,04 %, хром – до 0,6-0,9 %.

Сталь марки 30ХГСА относится к среднелегированном конструкционном сталям. Её можно отнести к одному из достижений отечественной науки. В свое время сплав разрабатывался для нужд авиации, хотя сейчас используется в самых разных отраслях, в том числе и в горном машиностроении. Сталь 30ХГСА имеет и другое название – «хромансиль». Это также сокращение, полученное от названий материалов, легирующих эту сталь – хрома, марганца, кремния (Silicium). В аббревиатуре 30ХГСА буква «Х» означает хром, «С» – кремний, «Г» – марганец. Первая цифра указывает на количество углерода, входящего в состав стали (в сотых долях процента), т.е. 0,3 %. Буква «А» указывает на то, что сталь относится к категории высококачественных. В сталь 30ХГСА входят следующие легирующие элементы: хром, марганец, кремний порядка 1%), сера – менее 0,025 %, а углерода – около 0,3 %. Хром повышает твердость и устойчивость к коррозии, кремний улучшает температурный запас вязкости и ударную вязкость, марганец увеличивает устойчивость к ударным нагрузкам и твердость. Преимущества стали 30ХГСА по сравнению с другими марками: высокая прочностью, отличная свариваемость, относительная дешевизна, поскольку в ее составе нет дорогих легирующих элементов.

Легированная сталь с особыми свойствами 110Г13Л содержит 0,9-1,4 % углерода, 0,8-1 % кремния, 11,5-15 % марганца, до 1 % никеля, до 0,05 % серы, до 0,12 % фосфора, до 1 % хрома, до 0,3 % меди, ~ 83 % железа. Сталь обладает высоким сопротивлением к износу при одновременном воздействии высоких давлений или ударных нагрузок и применяется для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих под действием статических и высоких динамических нагрузок и от которых требуется высокая износостойкость. Существенным недостатком данной марки стали при использовании её в горном машиностроении в качестве материала для изготовления, например, зубьев ковша являются: сложность контроля качества структуры литья; достаточно жесткие требования по химическому составу и температурным режимам разливки и термообработки; отсутствие магнитных свойств, что не позволяет при поломке зубьев выделить их части из транспортируемой железной руды, это приводит к выходу из строя обогатительного оборудования, в частности, дробилок крупного и среднего дробления.

Легированная высокопрочная износостойкая сталь марки 14ХГ2САФД применяется для конструкций крепей шахт. «Weldox 900D» – высокопрочная сталь с минимальным пределом текучести 900 МПа, что обеспечивает уникальное сочетание прочности и вязкости, при этом сталь легко обрабатывается.

В последние годы были получены новые марки сталей с ценными свойствами – 20ХГСН2МФА, 30ХГСН2А, ВКС-6, ВКС-9, ВКС-12 и др. Это высокопрочные среднелегированные стали, упрочняемые закалкой и отпуском, которые рекомендуются для ответственных силовых деталей и могут использоваться для изготовления горношахтного оборудования. Химический состав материала 30ХГСН2А (30ХГСНА) в процентном соотношении: 0,27-0,34 % углерода, 0,9-1,2 % кремния, 1-1,3 % марганца, 1,1-1,8 % никеля, до 0,025 % серы и фосфора, 0,9-1,2 % хрома, до 0,3 % меди. Высокопрочная, конструкционная сталь марки 20ХГСН2МФА имеет высокое качество, обладает высокой прокаливаемостью и технологичностью при прочности 1350 МПа, хорошо сваривается всеми видами сварки с последующей термообработкой, содержит хром, кремний, марганец, никель. Сталь марки ВКС-6 обладает наиболее высоким сопротивлением хрупкому разрушению в интервале рабочих температур (от -70 до +500°С). Стали марок ВКС-9, ВКС-12, обладающие уникально высокой прочностью, имеют хорошие характеристики надежности и предназначены для изготовления высоконагруженных деталей, в том числе деталей ГШО. Стали хорошо свариваются электронно-лучевой сваркой с обеспечением прочности сварного соединения, равной 90 % прочности основного металла после упрочняющей термообработки. ВНС-65 –прочная сталь, обладает высоким сопротивлением коррозии под напряжением, высокой трещиностойкостью и усталостной прочностью. ВНС-73 – коррозионностойкая сталь, хорошо свариваемая без последующей термической обработки с высокой прочностью сварного соединения и обладающая хорошими характеристиками надежности. ВНС-74 – экономнолегированная коррозионностойкая сталь, обеспечивает надежную работу болтов с перекосом до 8º. ВКС-180 – высокопрочная сталь, работоспособная при температурах от -70 до +(400-450)° С. ВКС-10 – сталь с длительной теплопрочностью при 450° С, высокой усталостной прочностью и долговечностью. ВКС-14 – высокоуглеродистая сталь, прочная и износостойкая. Российскими учёными предложена износостойкая ферромагнитная сталь (Патент RU 2104323) C22C38/40. Сталь используется для изготовления деталей машин в горном машиностроении и содержит компоненты в следующим соотношении, в мас.%: углерод 0,2-0,29; марганец 1,2-1,8; кремний 0,2-0,6; хром 0,8-1,3; молибден 0,15-0,25; титан 0,005-0,03; железо – остальное. Для увеличения эффекта, обеспечивающего снижение склонности стали к хрупкому разрушению, в сталь дополнительно вводят никель в количестве 0,55-1,1 мас.% и алюминий в количестве 0,06-0,15 мас. % при условии, что сумма содержания алюминия и кремния составляет не более 0,5 мас.%, а сумма хрома, никеля и молибдена составляет не менее 2,05 мас.%.

Для изготовления сварных высокопрочных круглозвенных цепей для горно-шахтного оборудования применяют обычно сталь 26ХГА, содержащую: углерод 0,22-0,29 %, марганец 1,10-1,14 %, кремний 0,17-0,37 %, хром 0,6-0,9 %. Эта сталь не обеспечивает необходимые прочностные и пластические характеристики из-за отсутствия никеля, молибдена[2]. С целью повышения прочностных, пластических характеристик металла дополнительно вводят алюминий, церий при следующем соотношении компонентов: углерод 0,22-0,28 %, марганец 0,8-1,1 %, кремний 0,15-0,30 %, хром 0,5-0,7 %, молибден 0,4-0,8 %, никель 0,9-1,2 %, алюминий 0,02-0,055 %, церий 0,002-0,01 %, железо – остальное [3]. Углерод в стали при введении его до 0,28 мас.% способствует получению необходимой прочности. Содержание углерода выше 0,28 мас. % снижает пластические характеристики и вязкость стали и ухудшает ее свариваемость. Содержание углерода ниже указанного предела (0,22 мас. %) не обеспечивает необходимой прочности. Введение в сталь марганца способствует повешению прочностных свойств стали. Содержание марганца ниже 0,8 мас. % не обеспечивает необходимой прочности, содержание его выше 1,1 мас. % приводит к снижению вязких и пластических характеристик стали. Хром позволяет увеличить прокаливаемость стали. Введение хрома более 0,7 мас. % приводит к снижению пластических и вязких характеристик, введение ниже 0,5 мас. % не обеспечивает достаточной прочности[3]. Молибден увеличивает прочность и вязкость стали за счет образования более дисперсной структуры, а также предохраняет сталь от хрупкости. При содержании молибдена ниже 0,4 мас. % дисперсность структуры недостаточна, что не позволяет получить необходимые характеристики прочности и пластичности стали. Введение молибдена выше 0,8 мас. % нецелесообразно, так как не увеличивает прочности стали и делает ее неэкономнолегированной. Введение никеля в сталь позволяет повысить прочностные характеристики стали без снижения ударной вязкости[3]. Содержание никеля более 1,2 мас.% делает сталь неэкономнолегированной, т. к. не оказывает существенного влияния на механические свойства стали. Содержание никеля ниже нижнего предела (0,9 мас.%) не позволяет получить заданную прочность в сечении до 45 мм. Алюминий вводится в сталь для измельчения зерна металла. Содержание алюминия ниже 0,02 мас.% не обеспечивает получения требуемого комплекса свойств, а содержание выше 0,055 мас.% ухудшает технологические свойства стали. Церий связывает серу и приводит к образованию мелких и равномерно распределенных неметаллических включений, что обеспечивает измельчение зерна, способствующее повышению ударной вязкости. При содержании церия менее 0,002 мас.% модифицирующее воздействие проявляется слабо, измельчение зерна не происходит, свойства стали не улучшаются. Содержание церия более 0,01 мас.% приводит к снижению вязкости стали. Предлагаемая сталь обладает более высокими прочностными, пластическими и вязкими свойствами[3]. При применении этой стали за счет повышения ее прочностных и пластических характеристик увеличивается долговечность и надежность работы сварных высокопрочных круглозвенных цепей при эксплуатации.

Таким образом, для изготовления горношахтного оборудования должны использоваться стали с особыми свойствами: высокопрочные, износо- и коррозионностойкие, что достигается определённым химическим составом.

Литература

1. Ю.А. Брусенцов, В.А. Пручкин, Филатов И.С. Маркировка материалов электронной техники. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2006. – 80 с.

2. Марочник сталей и сплавов / под ред. А.А. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2011. – 784 с.

3. «Сталь для сварных высокопрочных круглозвенных цепей» -10.01.1998-[Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/83/834221.html, (дата обращения: 28.10.2013).

4. Батраков Н.П., Иляхин А.В., Арапова Л.В., Струкова Н.С., Смелов В.И., Кузькина Н.Н., Иванов С.С.//«Сталь конструкционная легированная (патент РФ № 2117715)» - 20.08.1998-[Электронный ресурс]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2117715, (дата обращения: 05.11.2013).

5. И.С. Петров. Стали для ответственных деталей [Электронный ресурс]. – http://weldzone.info/technology/materials/49-carbonic/747-sostav-uglerodistyx-stalej