Использование высокопрочных сталей в машиностроении (статья)
В настоящее время одними из наиболее перспективных для использования в машиностроительном производстве являются высокопрочные и износостойкие стали. В Европе такие стали производятся с начала 1960-х годов, постепенно завоевывая все большую популярность в мире. В России они начали применяться с начала 1990-х годов и со временем становятся все более востребованными.
Не вызывает сомнения также тесная связь между использованием новых материалов и конкурентоспособностью промышленной продукции. К производителям различного промышленного оборудования и машин все чаще предъявляются требования по повышению эффективности работы и срока службы данного оборудования, снижению материалоемкости, уменьшению эксплуатационных затрат, соответствию экологическим требованиям. Все это обусловливает разработку и использование в промышленности новых марок сталей, обладающих повышенными свойствами, в частности — высокопрочных специальных сталей.
В этой статье рассматривается вопрос применения толстолистовых сталей, обладающих высокой прочностью, для изготовления строительной и дорожной техники, а также при производстве оборудования для горно-добывающей промышленности. Помимо высокой прочности, эти стали характеризуются высокой ударной вязкостью при пониженной температуре, отличной гибкостью и свариваемостью.
В настоящее время производятся различные марки высокопрочных сталей с минимальным пределом текучести 700, 800, 900, 960 и 1100 МПа. Толщина листов производимых марок составляет от 3 до 100 мм. Данные стали характеризуются мелкозернистой структурой. Благодаря оптимальному химическому составу и отпуску, проведенному по особому режиму, конструкционные стали обладают повышенной ударной вязкостью даже при очень низкой температуре. Минимальная ударная вязкость составляет 27 Дж/см2 при -60 °С или -40 °С (испытания на образце Шарпи KCV). Это обеспечивает применение высокопрочных сталей для производства подъемно-транспортного оборудования, работающего при пониженных температурах.
Важной отличительной особенностью высокопрочных сталей является низкий углеродный эквивалент, что позволяет сваривать листы, например, из стали с минимальным пределом текучести 700 МПа при комбинированной толщиной до 40 мм без предварительного нагрева. Сталь содержит небольшое количество легирующих элементов (для листа толщиной до 10 мм из стали с твердостью 400 НВ содержание углерода составляет не более 0,14%, марганца — не более 1,6%, никеля и молибдена — не более 0,25%), что обеспечивает хорошую свариваемость стали. Так, листы износостойкой стали с твердостью 400 НВ комбинированной толщины до 40 мм могут быть сварены без предварительного нагрева всеми известными способами сварки обычными сварочными электродами.
Применение высокопрочных конструкционных сталей позволяет достичь ощутимой оптимизации затрат в производственном цикле. В частности, использование более тонких, но более прочных стальных листов позволяет повысить грузоподъемность подъемного крана (до 800 т) при сохранении неизменным веса всей машины или высоту подачи раствора (до 70 м) бетононасосом за счет снижения общего веса конструкции. При этом надо учесть, что изготовление кранов даже относительно высокой грузоподъемности (начиная с 30—40 т) возможно исключительно из высокопрочной конструкционной стали.
Уменьшение веса рамы самосвала позволяет, например, повысить объем кузова самосвала и, соответственно, массу перевозимого груза. Трейлер, изготовленный из высокопрочной стали, имеет меньшую нагрузку на ось, что позволяет ему перемещаться по дорогам с ограничением весовой нагрузки. Так, при изготовлении трейлеров использование стали с пределом текучести 700 МПа вместо стали, имеющей предел текучести 500 МПа, позволяет снизить вес готового изделия на 10%. При изготовлении крана-манипулятора, установленного на палубе грузового судна, из стали с минимальным пределом текучести 700 МПа вместо стали с пределом текучести 355 МПа уменьшение веса крана составляет около 30%. Одновременно с этим был уменьшен вес балласта, загружаемого на судно. В результате снизилось водоизмещение судна и, как следствие, расход топлива.
Немаловажно, что при изготовлении конструкции машины из более тонких листов существенно уменьшаются расходы на сварочные материалы, сокращается продолжительность сварочных работ, а также количество вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, уменьшаются транспортные расходы на перемещение материала к месту изготовления продукции, особенно в случае использования большого объема металла.
Использование тонких листов в автомобилестроении позволяет снизить вес машины, а значит, сократить расход топ лива. Уменьшение веса автомобиля с 2500 до 500 кг позволяет увеличить в среднем пробег автомобиля на единицу расхода горючего с 5 до 20 км/л, что приводит к общему снижению количества вредных выбросов в атмосферу и повышению экономической эффективности эксплуатации автомобиля.
Листовой прокат из высокопрочной стали используется для изготовления ответственных деталей, что налагает строгие требования к качеству поверхности листа, допускам по толщине, плоскостности листа и т.п. Именно поэтому при выплавке высокопрочных сталей большое внимание уделяется чистоте исходного сырья по вредным примесям, а также внепечной обработке расплавленного металла.
Конструкционные стали обладают хорошей гибкостью в холодном состоянии, что позволяет, в частности, создать новые конструкции стрел автомобильных кранов, в которых сварочные швы располагаются в наименее нагруженных зонах стрелы. Это позволяет использовать сварочные материалы, прочность которых не превосходит прочность свариваемой стали. В последнее время разработана новая конструкция стрелы крана с поперечным сечением U-образной формы. При работе крана со стрелой такой конструкции значительно снижается вероятность коробления стрелы.
При производстве горно-добывающего оборудования, дорожной и другой техники используют листовую горячекатаную износостойкую сталь. Такая сталь отличается чрезвычайно высокой твердостью и прочностью при достаточно хорошей ударной вязкости и низком углеродном эквиваленте. Износостойкая листовая сталь является идеальной для тех областей применения, в которых износ изделий является причиной возникновения затруднительных ситуаций в эксплуатации оборудования. Высокая износостойкость листовой стали защищает от износа и продлевает срок службы таких деталей, как кузова самосвалов и фронтальных погрузчиков, ковши экскаваторов, дробилки, бетономешалки, различные элементы добывающего оборудования, узлы сельскохозяйственных машин и другое подобное оборудование. Это обеспечивает снижение расходов на ремонт и простаивание дорогостоящей техники. В результате этого увеличивается эффективность работы оборудования и снижается себестоимость производимой продукции. Сталь обладает достаточно высокой ударной вязкостью при пониженных температурах, что обусловливает широкое применение такой стали при изготовлении оборудования, работающего в условиях Крайнего Севера.