Почему коронка бурового долота не стирается о гранит, а зуб ковша служит вдвое дольше после наплавки? Меняй долю кобальта и размер зерна ВК, толщину и твердость наплавки и считай срок службы в часах.
Песчинки кварца в руде тверже любой стали, даже закаленной. Они царапают металл, как напильник, и зуб ковша стирается за сотни часов. Твердый сплав тверже кварца: это зерна карбида вольфрама WC, склеенные кобальтом. Зерна почти не стираются, а кобальт держит их вместе и не дает сплаву расколоться от удара. Больше кобальта, сплав вязче, меньше кобальта, сплав тверже. Из такого сплава делают резцы, штыри буровых коронок и вставки в зубья.
Твердый сплав дорогой и хрупкий, поэтому большие детали защищают иначе: наплавляют сверху твердый слой электродом или проволокой либо обшивают износостойким листом вроде Hardox. Наплавка тоже хрупкая: если наплавить толсто и без вязкого подслоя, от ударов она отскакивает кусками. В опыте можно подобрать состав сплава, а потом посчитать, сколько часов прослужит зуб или футеровка с разной защитой.
ⓘ Свойства сплава ВК посчитаны по приближенным формулам, сроки службы это оценка по порядку величины. Допущения внизу страницы.
Первые две карточки про сплав ВК, третья про износ детали. Подсвечена карточка, которая работает в опыте сейчас. Числа берутся из опыта.
Почему ВК8 такой тяжелый?
Объем смеси равен сумме объемов частей. Делим массовую долю каждой части на ее плотность и складываем: получаем объем одного грамма сплава. Обратное число и есть плотность.
Как твердость зависит от кобальта и зерна?
Приближенная формула по справочным данным. Кобальта больше, твердость ниже: мягкой связки больше между зернами. Зерно мельче, твердость выше: зерна плотнее подпирают друг друга.
Сколько часов прослужит деталь?
Сначала стирается защитный слой, потом основа до предела износа. Скорость износа w падает, когда поверхность становится тверже абразива. P это доля слоя, которая отколется от ударов.
Абразивная частица режет металл, только если она тверже. Пока сталь мягче кварца, каждая песчинка оставляет борозду, и износ медленно уменьшается с ростом твердости: вдвое тверже, стирается примерно вдвое-втрое медленнее.
Когда твердость поверхности подходит к 0,8 от твердости абразива, частица уже не врезается, а только скользит и крошится сама. Износ падает в разы. Поэтому против кварца так хороши карбиды: у карбида вольфрама 2200 HV, у карбидов хрома в наплавке около 1700 HV, а у кварца около 1100 HV.
Обратная сторона твердости это хрупкость. Твердый слой не гнется вместе с основой, и при ударе в нем идут трещины. Вязкий подслой и умеренная толщина спасают от отколов. Для ударного износа (дробилки, броня мельниц) берут не твердый сплав, а сталь 110Г13Л, которая твердеет от ударов сама.
Шарошки и коронки буровых станков несут штыри из ВК8–ВК11 с крупным зерном: они бьют по граниту и трутся о него. Когда штыри стерлись или выкрошились, долото меняют.
Литой закаленный зуб в кварцевой руде служит сотни часов. Наплавка по бокам и вставки из твердого сплава продлевают срок. Изношенный зуб меняют вовремя, чтобы не стереть адаптер.
Пластины ВК режут чугун и цветные металлы, пластины Т15К6 сталь. Отремонтировать вал или проточить тормозной барабан без них долго.
Кромки ковшей, ножи бульдозеров, звездочки и катки восстанавливают наплавкой. Сначала вязкий подслой, потом 1–2 слоя твердого металла; толще 2–3 слоев твердый металл откалывается.
Кузова самосвалов, течки, бункеры и лотки обшивают листом Hardox 450–500 или листом с наплавкой карбидов хрома. Там износ скользящий, ударов мало, и твердый слой служит долго.
Броня щековых дробилок и мельниц работает под сильным ударом. Твердый сплав там раскололся бы, поэтому ее льют из 110Г13Л или белых хромистых чугунов. Подробнее в теме «Ударная вязкость».
Свойства ВК посчитаны по подобранным формулам, которые дают справочные значения ГОСТ 3882 с точностью около 5–10 %: твердость 3155·Co−0,38·(d/1,5)−0,2 HV (ВК8 около 1430 HV, 88,5 HRA), прочность на изгиб 1100 + 75·Co − 1,3·Co² МПа, трещиностойкость 6 + 0,55·Co + 1,6·log₂(d/1,5) МПа·√м. Плотность считается точно по правилу смеси. Перевод HV в HRA по усредненной таблице. Структура нарисована схемой: настоящие зерна WC выглядят как треугольники и многоугольники, но расставлены случайно. Длина трещины показана условно, она обратна трещиностойкости. Износ посчитан по простой модели: стойкость к абразиву растет с твердостью (по усредненным данным испытаний на абразивный износ), а когда поверхность тверже 0,8 от абразива, износ дополнительно падает. Скорость износа мягкой стали на каждой детали (футеровка 0,003 мм/ч, кромка 0,03 мм/ч, зуб 0,35 мм/ч в кварцевой руде) подобрана так, чтобы сроки получились порядка реальных: литой зуб несколько сотен часов, футеровка тысячи часов. Доля отколов это оценка, она растет с твердостью и толщиной слоя и с ударами. На деле срок службы зависит от формы детали, крупности руды, оператора и сильно разбросан.