Почему износостойкая сталь изнашивается?

Механизмы износа износостойких сталей и способы их минимизации

Износостойкость сталей определяется комплексом свойств: твердостью, прочностью, вязкостью, структурой и условиями эксплуатации. Рассмотрим основные механизмы износа и методы повышения устойчивости материалов.

1. Абразивный износ

Механизм: Абразивные частицы (песок, кварц) действуют как режущие инструменты. Например, кварц (7 по Моосу) царапает сталь Hardox 500 (5 по Моосу, 470–540 HB), вызывая истирание.
Ключевые факторы:

Твердость абразива должна быть ниже твердости стали для минимизации износа.
При невозможности этого (как в примере с кварцем) важна вязкость материала, предотвращающая вырыв частиц.

Примеры: сталь Hardox - высокая твердость (400-600 HBW, но уступают кварцу). Для таких условий дополнительно используют композитные покрытия или керамику.

2. Ударно-абразивный износ

Механизм: Сочетание ударных нагрузок и абразивного воздействия (горнодобывающая техника).
Свойства стали:

Высокомарганцовистые стали (110Г13Л) с аустенитной структурой.
Деформационное упрочнение (наклёп) при ударах повышает твердость поверхности, сохраняя пластичность сердцевины.

Пример применения: Дробилки. Даже при меньшей исходной твердости (200–250 HB) эти стали устойчивы к раскалыванию.

3. Коррозия и эрозия

Механизм: Химическое воздействие (соли, кислоты) ослабляет поверхность, усиливая механический износ.
Стратегии защиты:

Легирование хромом (Cr), молибденом (Mo), никелем (Ni). Например, Hardox 500 (1,5% Cr) устойчивее к окислению, чем Hardox 400 (1,2% Cr).
В агрессивных средах предпочтение отдается сталям с меньшей твердостью, но высокой коррозионной стойкостью (например, нержавеющие стали 12Х18Н10Т).

Пример: Морское оборудование, где сочетание коррозии и абразивного износа требует компромисса между твердостью и химической стойкостью.

4. Термические напряжения

Проблема: При сварке/резке без предварительного подогрева в зоне термического влияния (ЗТВ) образуются хрупкие структуры (например, отпущенный мартенсит). У Hardox 600 твердость в ЗТВ падает с 600 HB до 450 HB.
Решение:

Предварительный нагрев (снижает скорость охлаждения).
Постобработка: термоупрочнение ЗТВ для восстановления структуры.

Важность: Нарушение технологии монтажа сводит на нет преимущества износостойких сталей.

Сравнение твердости сталей и горных пород: анализ и выводы

Твердость — важный, но не единственный критерий при выборе материалов для работы с абразивными средами. Горные породы, содержащие минералы высокой твердости (кварц, корунд), превосходят большинство сталей по этому параметру, что объясняет их разрушающее воздействие. Рассмотрим ключевые аспекты:

Сравнение материалов:

Hardox 600 твердость 58–61 HRC или 6 по Моосу

- Футеровка ковшей, кузовов, режущие кромки. Уязвим к кварцу (7 по Моосу).

NM500 твердость 47–52 HRC или 5,5 по Моосу

- Футеровка ковшей, конвейеры. Быстро изнашивается при контакте с кварцем.

Кварц твердость 7 по Моосу

- Основной абразив в горных породах. Истирает стали Hardox 600 (6 по Моосу).

Корунд твердость около 90 HRC или 9 по Моосу

- Режущие диски, абразивные инструменты. Используется для резки сталей (например, Hardox 500).

Карбид вольфрама твердость 9,5 по Моосу

- Покрытия для защиты сталей, резка Hardox 600.

Алмаз твердость 10 по Моосу

- Промышленная резка и шлифовка сверхтвёрдых материалов.

Ключевые наблюдения

Твердость минералов vs. сталей:

Кварц (7 по Моосу) тверже Hardox 600 (6), что объясняет его абразивное воздействие: при скорости подачи 2 м/с и давлении 50 кг/см² Hardox 600 теряет 0,8 мм в год.
Корунд (9 по Моосу) и карбид вольфрама (9,5) используются для резки износостойких сталей (например, Hardox 500 режется корундом).

Почему твердость не единственный параметр?

Деформационное упрочнение: Высокомарганцовистые стали (110Г13Л) при ударах увеличивают твердость поверхности, сохраняя вязкость сердцевины.
Коррозионная стойкость: Легирование хромом (Cr) и никелем (Ni) повышает устойчивость к агрессивным средам, даже при меньшей твердости.
Термическая стабильность: Нарушение режимов сварки снижает твердость Hardox 600 в зоне термического влияния до 450 HB.

Стратегии минимизации износа

Комбинированные решения:

Защитные покрытия: Нанесение карбида вольфрама (WC) или керамики на поверхность сталей (например, наплавка или напыление).
Многослойные конструкции: Сочетание высокотвердых внешних слоёв (керамика) с пластичной стальной основой.

Оптимизация выбора материала:

Для абразивных сред с кварцем: Использование сталей с максимальной твердостью (Hardox 600) + карбидные покрытия.
Для ударных нагрузок: Высокомарганцовистые стали (110Г13Л), которые упрочняются при деформации.
Для коррозионных сред: Легированные стали с Cr и Ni (например, 12Х18Н10Т).

Практические примеры

Горное оборудование: Ковши экскаваторов из Hardox 600 усиливают карбидными пластинами в зонах контакта с кварцем.
Режущие инструменты: Диски с корундовыми или алмазными сегментами для резки Hardox 500–600.
Морская техника: Комбинация нержавеющих сталей (высокая коррозионная стойкость) с керамическими вставками.

Выводы

Главный вызов: Минералы в горных породах (кварц, корунд) превосходят стали по твердости, что делает износ неизбежным.
Решение: Компромисс между твердостью, вязкостью и коррозионной стойкостью. Например:

Для работы с кварцем — Hardox 600 + карбидные покрытия.
Для ударно-абразивных нагрузок — 110Г13Л с деформационным упрочнением.

Технологии будущего: Развитие композитных материалов (сталь + керамика) и аддитивных технологий для создания слоистых структур.

Итог: Выбор материала зависит от доминирующего механизма износа. В условиях преобладания высокотвердых абразивов (кварц, корунд) комбинированные решения становятся обязательными.

Если вы всё ещё не знаете, какую износостойкую сталь приобрести, обратитесь в компанию «ФД Финанс» — ведущего поставщика сертифицированных износостойких сталей на российском рынке. Специализируясь на поставке качественного металлопроката, компания предлагает как премиальные марки, такие как Hardox 450, так и бюджетные аналоги, включая NM 500 производства заводов Китая. В отличие от многих аналогов, которые с твердостью 500 ограничены толщиной листа до 25 мм, «ФД Финанс» поставляет стали Hardox и NM500 в толщинах до 100 мм, что расширяет возможности их применения в тяжелой технике и горнодобывающем оборудовании.

Подробная информация о компании ФД Финанс на сайте: https://findom.pro