Modern structural and operating materials in development of road-building machines

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Выбор технологических решений по созданию эффективных и долговечных строительно-дорожных машин зависит от значительной совокупности факторов. Одним из важнейших факторов эффективного создания строительно-дорожных машин является подбор оптимальных конструктивных и эксплуатационных материалов [1–4]. Одной из тенденций развития промышленного производства строительно-дорожных машин является все более активное использование наиболее эффективного комплекса современных конструктивных и эксплуатационных материалов при их создании. При разработке узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин в центре внимания, наряду с их конструктивными особенностями, также всегда находится исходный материал, который должен подвергаться обработке с использованием определенных технологий и с обеспечением заданных параметров изготавливаемого изделия. Характерной особенностью проектирования строительно-дорожных машин является параллельное принятие решений, как о применяемых материалах, так и о конструктивных параметрах строительно-дорожных машин, при этом необходимо учитывать технологии их изготовления. В связи с этим требуется создание интегрированного цикла, включающего как отдельные системы проектирования и производства узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин, так и актуальную базу данных конструктивных и эксплуатационных материалов для их создания [5, 6]. Исходя из проведенного анализа научно-технического развития в области разработки и использования конструктивных и эксплуатационных материалов в рамках создания узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин, задача разработки комплекса базовых технологических решений для создания эффективных узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин, а также новых подходов к использованию эффективных конструктивных и эксплуатационных материалов является актуальной.

Цель статьи – исследование современных конструктивных и эксплуатационных материалов при создании строительно-дорожных машин.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалы исследования включают основные научные и практические сведения по направлениям использования конструктивных и эксплуатационных материалов при создании строительно-дорожных машин. Методы исследования включают систематизацию и обобщение данных по тематике современных конструктивных и эксплуатационных материалов при создании строительно-дорожных машин.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Сначала приведем на рис. 1 основные виды дорожно-строительной техники [7]. Важнейшими показателями качества конструкций представленных на рис. 1 строительно-дорожных машин являются надежность, сохраняемость и ремонтопригодность (см. рис. 2).

Рис. 1. Основные виды дорожно-строительной техники.

Fig. 1. Main types of road building machines.

Рис. 2. Важнейшие показатели качества конструкции строительно-дорожных машин [8].

Fig. 2. The most important indicators of design quality of road building machines [8].

Для изготовления строительно-дорожных машин используют в основном материалы, представленные на рис. 3.

Рис. 3. Основные группы материалов для конструирования строительно-дорожных машин [9].

Fig. 3. Main groups of materials for designing road building machines [9].

Ключевое отличие между такими сталями для конструктивных и эксплуатационных материалов в рамках создания узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин — параметры коррозионной стойкости, которую непосредственно определяют качественный и количественный химический состав. При этом: нержавеющие стали — легированные коррозионностойкие сплавы с максимальной долей углерода не более 1,2%. Свое высокое сопротивление атмосферной, язвенной, электрохимической и трибологической коррозии они приобретают в основном в результате повышенного содержания хрома (12–18%) и никеля (до 10%), хотя в них также часто присутствуют титан, молибден, ниобий, алюминий и др. Они относятся к дорогим сплавам, и при этом они отлично полируются, что позволяет их широко использовать в декоративных целях. Но по сравнению с углеродистыми сталями большинство из них имеют большую вязкость, плохо свариваются и склонны к хрупкому разрушению; углеродные марки сочетают в себе оптимальную прочность и пластичность. Они достаточно дешевы, но ржавеют под влиянием атмосферной влаги, электролита и других агрессивных веществ. За счет высокой обрабатываемости на их поверхности можно добиться высокой чистоты, но идеальной полированной поверхности нет. В пределах меры по минимизации коррозии их можно окрашивать и покрывать битумными мастиками, наносить защитные металлические покрытия гальваническим способом, горячим погружением и другими методами [10].

Благодаря ценовой доступности и универсальным характеристикам сталь углеродистая относится к широко используемым конструктивным и эксплуатационным материалам в рамках создания узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин. Она представляет особую ценность для конструктивных и эксплуатационных материалов в рамках создания узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин и, так как перечислить все варианты их использования практически нереально, назовем основные и наиболее типичные варианты — табл. 1.

Таблица 1. Примеры применения углеродистых сталей в конструктивных и эксплуатационных материалах в рамках создания узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин [11]

Table 1. Examples of using carbon steel in structural and operating materials as a part of development of units, mechanisms and parts of road building machines [11]

Среди главных задач современного развития промышленности: повышение технико-экономических показателей строительно-дорожных машин, их механизмов и инженерных частей — выделяется задача снижения их удельной металлоемкости, увеличения эксплуатационной надежности и долговечности. В мировой практике это достигается за счет применения при изготовлении металлических сварных конструкций высокопрочных сталей с пределом текучести 350 МПа и более. В частности, низколегированные высокопрочные стали прочностных классов С355–С490 широко используются в строительно-дорожных машинах, их механизмах и инженерных частях, при изготовлении жестких несущих конструкций и т. п. Поскольку подавляющее большинство указанных металлических конструкций является сварными, к таким сталям существуют определенные требования, а именно: они должны хорошо свариваться, обеспечивать высокую пластичность и равнопрочность сварных соединений, а также иметь показатели ударной вязкости на уровне требований, регламентируемых государственными нормами, которые в последние годы претерпели определенные изменения. Прежде всего, эти изменения касаются показателей ударной вязкости и относительного сужения проката в Z-направлении.

Согласно современным требованиям стали, металл шва и зоны термического воздействия (ЗТВ) сварных соединений должны иметь ударную вязкость KCV-20≥25 Дж/см² для сталей с σ_т=290–390 МПа и КСV-40≥25 Дж/см² для сталей с σ_т ≥ 390 МПа и относительное сужение в Z-направлении (Ψz) не менее 35, 25 и 15% для первой, второй и третьей групп конструкций, соответственно.

В тех случаях, когда для конечного пользователя крайне важна коррозионная стойкость метизов, выбор очевиден и необходимо использовать специальные стали или материалы с покрытиями, рассчитанные на жесткие условия работы (высокая влажность, соляной туман, наличие в окружающей среде химических веществ и др.). В остальных случаях выбор «нержавейки» или углеродистой стали необходимо делать на основе технико-экономического сравнения.

До настоящего времени при изготовлении строительно-дорожных машин, их механизмов и инженерных частей на территории стран СНГ все еще широко используются низколегированные стали класса прочности С350–С390, такие как 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД и другие, разработанные еще во времена СССР — табл. 2.

Таблица 2. Требования к химическому составу сталей повышенной и высокой прочности для строительных конструкций

Table 2. Demands to chemical composition of high-strength steel types for engineering structures

Все эти низколегированные конструкционные стали полностью удовлетворяют современным требованиям по статической прочности и пластическим свойствам сталей вдоль и поперек проката. У большинства из них ударная вязкость также находится на уровне этих требований — табл. 3.

Таблица 3. Требования к механическим свойствам сталей повышенной и высокой прочности для строительно-дорожных машин (не меньше)

Table 3. Demands to mechanical properties of high-strength steel types for road building machines (not less than)

Но для сохранения требуемого уровня показателей КСV металла ЗТВ скорость охлаждения сварных соединений в интервале температур 600–500 °С (w6/5) должна находиться в диапазоне 15–20 °С/с. Это требует существенного ограничения режимов сварки, что усложняет технологический процесс и делает его малопродуктивным. Кроме того, Ψz у таких сталей не превышает 15%, что лимитирует их использование в сварных элементах, работающих в направлении толщины проката.

Начиная с 1990-х годов в промышленности строительно-дорожных машин, их механизмов и инженерных частей в результате значительных экономических, хозяйственных и технических преобразований произошли определенные изменения. Массовый переход компаний на экономическую самостоятельность побуждал к созданию сталей, что было более экономически выгодно для конкретных хозяйственных условий выпуска узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин. Интенсивная интеграция отечественной металлургии в мировую экономику вызвала необходимость пересмотра стандартов оценки качества сталей. Прежде всего, это касается оценки их ударной вязкости. Кроме общепринятого в отечественной промышленности подхода по определению ударной вязкости, по результатам экзамена образцов с U-образным надрезом начали использовать образцы, имеющие V-образный надрез. Их применение при испытаниях позволяет более точно оценить способность сталей сопротивляться разрушению. В то же время такой подход выявил некоторые изъяны отечественных сталей.

В связи с этим возникла потребность в модернизации существующих и создании новых сталей, которые позволили бы удовлетворить постоянно растущие требования производства. Как результат, в последние годы отечественными металлургическими комбинатами было освоено производство новых сталей повышенной и высокой прочности, которые производятся по отечественным и международным стандартам и полностью отвечают требованиям Евронорм. Высокую прочность, пластичность и ударную вязкость современные высокопрочные конструкционные стали приобретают за счет формирования в металле мелкозернистой структуры определенного состава. Это достигается как за счет легирования сталей (как правило, они содержат марганец, ограниченное до 0,5% количество кремния, до 0,15% углерода и до 0,012% азота и микролегированные отдельно или в сочетании с ванадием, алюминием, ниобием, церием), так и в результате контролируемой прокатки, или специальной термической обработки стального проката.

В целом выполненные исследования показали, что новые микролегированные конструкционные стали классов прочности С350–С490 по механическим свойствам превосходят низколегированные конструкционные стали классов прочности С350–С390, которые были разработаны в СССР: являются более технологичными и позволяют обеспечить комплекс свойств сварных соединений на уровне современных мировых требований к конструктивным и эксплуатационным материалам в рамках создания узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин.

Все более широкое использование новых конструкционных высокопрочных сталей находят в Российской Федерации и при строительстве, и при капитальном ремонте конструктивных и эксплуатационных материалов узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин.

ВЫВОДЫ

Таким образом, конструирование узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин представляет собой очень сложную задачу с точки зрения создания новых конструктивных и эксплуатационных материалов, так как она требует соответствующей технологической и расчетной информации в отношении как самих разрабатываемых изделий, оборудования для их изготовления, а также различных технологических параметров их переработки. При этом практически всегда высокое качество и долговечность узлов, механизмов и деталей строительно-дорожных машин обусловлено комплексом правильного выбора материала и подбором наиболее эффективного метода их переработки.

Среди главных задач современного развития промышленности — повышение технико-экономических показателей строительно-дорожных машин, их механизмов и инженерных частей является снижения их удельной металлоемкости, увеличения эксплуатационной надежности и долговечности. В мировой практике это достигается за счет применения при изготовлении металлических сварных конструкций высокопрочных сталей с пределом текучести 350 МПа и более.

В отличие от большинства низколегированных конструкционных сталей, превращение аустенита в микролегированных ванадием и ниобием сталях класса прочности от С350 до С490 при непрерывном охлаждении по термическому циклу сварки происходит преимущественно в бейнитной области. В результате структурных преобразований, происходящих в сталях под влиянием термических циклов сварки, показатели статической прочности металла зоны термического воздействия сварных соединений возрастают, а пластические свойства уменьшаются. Существенное уменьшение показателей ударной вязкости в металле зоны термического воздействия сварных соединений микролегированных конструкционных сталей наблюдается при w6/5 5 °С/с. С увеличением скорости охлаждения ударная вязкость металла зоны термического воздействия стремительно растет и в некоторых сталях почти достигает уровня основного металла.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад автора. Автор подтверждает соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (автор внес существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочел и одобрил финальную версию перед публи- кацией).

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Author’s contribution. The author made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agrees to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The author declares no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Karina A. Degtyareva

Author for correspondence.
Email: karina.degtyareva.2014@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1314-3516
SPIN-code: 2183-3358

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Cars and Transport and Technological Complexes Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Main types of road building machines.

Download (150KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The most important indicators of design quality of road building machines [8].

Download (315KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Main groups of materials for designing road building machines [9].

Download (67KB)

Indexing metadata