PL226741B1 - Stal stopowa nałancuchy ogniwowe górnicze - Google Patents

Description

Wynalazek dotyczy stali stopowej przeznaczonej do wytwarzania stalowych łańcuchów ogniwowych, stosowanych zwłaszcza w górnictwie podziemnym. Łańcuchy ogniwowe w górnictwie są stosowane w przenośnikach zgrzebłowych, strugach węglowych i tym podobnych urządzeniach. Łańcuchy stosowane w górnictwie muszą sprostać wysokim obciążeniom statycznym i dynamicznym. Ponadto, z uwagi na występujące niekiedy agresywne środowiska, w których są stosowane, muszą one być również odporne na korozję. Oprócz powyższych wymagań, wynikających z ich stosowania, dochodzą jeszcze wymagania związane z technologią wytwarzania łańcuchów ogniwowych. Wytworzone ze stosownej stali łańcuchy ogniwowe muszą nie tylko sprostać wymaganiom wynikającym ze specyfiki zastosowań, lecz muszą być również odpowiednio ukształtowane, aby można było wykonać je poprzez kucie albo gięcie i następnie ulepszyć cieplnie, a ponadto stal stopowa musi posiadać dobrą spawalność.

Stal, która tym warunkom odpowiada znana jest z niemieckiego opisu patentowego DE4337148C1. Z tej stali wykonuje się łańcuchy, które odpowiadają wysokim kryteriom stawianym wyrobom stosowanym w górnictwie.

Szczególnie w górnictwie jest duże zapotrzebowanie na wysoko wydajne łańcuchy ogniwowe. Wysoko wydajny łańcuch ogniwowy jest wtedy, kiedy za jego pomocą można przemieszczać duże ciężary. Efektywny wzrost da się osiągnąć zasadniczo dzięki optymalizacji geometrii ogniw łańcuchowych, celem obniżenia niezbędnego wsadu materiałowego do jego wykonania, wskutek zastosowania materiału o wysokiej wytrzymałości na zerwanie i/albo zwiększenia średnicy pręta, z którego te ogniwa się wykonuje.

Z opisu patentowego DE10348491C1 znany jest łańcuch ogniwowy, w którym co najmniej ogniwa pionowe, w sensie ich geometrii, są zoptymalizowane w celu zapewnienia ich wysokiej jakości. Dzięki geometrii znanej ze stanu techniki, stało się możliwe, przy wytwarzaniu łańcuchów, zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego w obszarze ramion względem tych przekrojów, które stanowią łuki od około 15% do 45%. Następstwem tego jest duża oszczędność materiału bez negatywnych skutków dotyczących obniżenia odporności na zerwanie. Dlatego dzięki użyciu takiego łańcucha ogniwowego można z zachowaniem parametrów odpowiadających stosownej normie o nominalnej średnicy, przewidzianej dla urządzenia napędowego, przemieszczać większe tonaże materiału. Przede wszystkim więc dąży się do wykonania łańcuchów o zmienionej geometrii ogniw, aby uzyskać lepszy efekt w granicach pozostających do dyspozycji właściwości materiału. Dotyczy to też odpowiedniej optymalizacji stali (stopu) do wytworzenia tego rodzaju łańcuchów. Łańcuchy stosowane w górnictwie wytwarzane są ze stali stopowych, przy czym typowymi materiałami są stopy CrNiMo typu 1.6758 według normy DIN 17115. Stal charakteryzuje się wysoką zawartością Cr i Ni, przy czym zawartość Cr zawiera się pomiędzy 0,4% a 0,6% wagowych, a udział Ni zawiera się pomiędzy 0,9% a 1,1% wagowych.

Znaczną poprawę wydajności w stosunku do opisanej powyżej stali przedstawiono w opisie patentowym DE4337148C1. Dalszy bowiem wzrost wytrzymałości stali uzyskuje się, gdy, spełniając wymienione wyżej wymagania, osiąga ona wartości graniczne. W takich przypadkach dalszy wzrost wydajności łańcucha ogniwowego jest możliwy tylko wskutek powiększenia średnicy pręta przeznaczonego do wytworzenia ogniw łańcuchowych, wymagających tym samym większego nakładu materiałowego. Również wzrost wytrzymałości wskutek zwiększenia średnicy pręta ma wyznaczone granice, a mianowicie wskutek obróbki cieplnej. Proces ulepszania cieplnego obejmuje hartowanie oraz odpuszczanie półwyrobu. Obróbkę cieplną przeprowadza się dla uzyskania wewnątrz wyrobu (ogniwa łańcuchowego) struktury martenzytycznej. Tylko wtedy ogniwo łańcuchowe, tzn. ze strukturą martenzytyczną w całym przekroju poprzecznym, posiada pożądaną twardość i spełnia odnośne wymagania obciążeniowe, a ustalona ilość wkładu stalowego jest optymalnie wykorzystana. Strukturę martenzytyczną można uzyskać tylko poprzez szybkie chłodzenie, przy czym dla większych średnic ogniw w zakresie obszarów bliższych środka pręta nigdy nie jest pewne, czy operacja chłodzenia została przeprowadzona właściwie. Brak jednolitej struktury martenzytycznej obniża twardość, co wpływa na wyraźne zmniejszenie zdolności przenoszenia obciążeń przez takie ogniwo łańcuchowe. Taką niejednorodną strukturę nie zawsze można skorygować za pomocą odpuszczania, ponieważ materiałowe i techniczne sposoby optymalizacji procesu chłodzenia (dla uzyskania szybszego odprowadzania ciepła) są po prostu ograniczone. Z jednej strony ma na to wpływ wielkość średnicy nominalnej, a z drugiej strony współczynnik przewodzenia ciepła zastosowanego materiału.

Biorąc za podstawę powyższy stan techniki opracowano stal stopową na łańcuchy ogniwowe, stosowane zwłaszcza w górnictwie, tak by przy większych średnicach obrabianego materiału uzyskać strukturę martenzytyczną możliwie równomierną w całym przekroju ogniwa.

PL 226 741 B1

Stal stopowa na łańcuchy ogniwowe górnicze, zawierająca węgiel, krzem, mangan chrom, molibden, nikiel, glin oraz siarkę i fosfor, charakteryzuje się tym, że zawiera następujące składniki w udziale wagowym: od 0,17% do 0,25% C, maks, 1,5% Si, od 0,8% do 1,4% Mn, od 0,4% do 1,5% Cr, od 0,3% do 1,0% Mo, od 0,9% do 1,3% Ni, od 0,015% do 0,05% Al, od 0,1% do 0,5% W, maks.

0,025% Cu, maks. 0,015% P, maks. 0,015% S, oraz co najmniej jeden składnik z grupy mikroelementów Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti w łącznej ilości od 0,005 do 0,1%, resztę zaś stanowi żelazo oraz nieuniknione zanieczyszczenia.

Korzystnie, stal stopowa zawiera od 0,19 do 0,23% C, maks. 0,3% Si, od 0,9 do 1,1% Mn, od 0,7 do 1,0% Cr, od 0,6 do 0,9% Mo, od 1,0 do 1,25% Ni, od 0,015 do 0,035% Al, od 0,15 do 0,35% W, maks. 0,15% Cu, zaś udział co najmniej jednego składnika z grupy mikroelementów Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti wynosi łącznie od 0,02 do 0,08%.

Korzystnie, zawartość W oraz składników z grupy mikroelementów Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti spełnia następującą zależność:

gdzie:

k - współczynniki dla poszczególnych mikroelementów (k = 1 dla Ta, Nb, Hf, Zr oraz k = 0,3 dla V, Ti)

C_MA - zawartość mikroelementów w % wagowych

CW - zawartość wolframu w % wagowych

M_ta - masa atomowa tantalu (w jednostkach „u” - 180,95u)

M_Ma - masa atomowa mikroelementu/ów (w jednostkach „u”), przy czym wartość E wynosi od 0,06 do 0,9.

Korzystnie, wartość E wynosi od 0,08 do 0,5.

Stal stopowa według wynalazku ma większą wrażliwość na chłodzenie przy hartowaniu niż stale tradycyjne oraz, co zaskakujące, również większą niż stal stopowa znana z opisu patentowego DE4337148C1. Należy domniemać, że zwiększona hartowność, wynikająca ze szczególnego składu tego stopu, jest efektem dobom jego składników, w szczególności połączenia wolframu z przynajmniej jednym pierwiastkiem z grupy obejmującej tantal, niob, wanad, hafn, cyrkon i tytan. Korzystniejsze wyniki odnośnie wymaganej hartowności osiąga się, gdy stal stopowa zawiera część składników we wskazanych powyżej nieco zmienionych ilościach wagowych.

Jakkolwiek zasadniczo do wykonania stopu używa się przynajmniej jednego spośród wymienionych pierwiastków (tantal, niob, wanad, hafn, cyrkon, tytan), preferuje się jako składniki stopu z tej grupy tantal i/lub niob. Łączna zawartość w stopie pierwiastków z tej grupy nie powinna przekraczać 0,1% wag., gdyż w przeciwnym razie może się to odbić negatywnie na jednej lub wielu właściwościach wymaganych od materiału, a w konsekwencji na jakości wytworzonego zeń wyrobu.

Za istotne dla osiągnięcia szczególnych właściwości w zakresie hartowności półproduktu wykonanego ze stali według wynalazku, zwłaszcza w przypadku ogniw łańcuchowych przewidzianych do zastosowania w górnictwie, uznaje się połączenie wolframu z pierwiastkami z w/w grupy tantal, niob, wanad, hafn, cyrkon i tytan. Szczególnie dobre wyniki w zakresie hartowności wyrobów wykonanych z przedmiotowej stali, przy jednoczesnym zachowaniu pozostałych właściwości technologicznych wymaganych od stali stopowej, względnie wykonanego z niej półproduktu lub wyrobu, uzyskuje się, gdy wolfram i inne w/w mikroelementy spełniają wskazaną powyżej zależność.

W całym wskazanym wyżej przedziale E uzyskuje się już bardzo dobry wynik pod względem hartowności, zaś dalszą poprawę jakości osiąga się, gdy wartość E wynosi od 0,08 do 0,5.

W opisanej powyżej zależności punktem odniesienia jest przeto równoważnik tantalowy, natomiast spośród wspomnianej grupy mikroelementów jako dominujące mikroelementy przy wytwarzaniu stopu preferuje się tantal i niob.

Zawartość krzemu w wytwarzanym stopie nie ma zasadniczego znaczenia. Korzyści wynikające z wynalazku występują zarówno przy zawartości krzemu nie przekraczającej 1,5% jak i niższej od 0,3%, przy czym preferuje się stosowanie zawartości krzemu od 0,08 do 0,2% wag. Wyjątkowa wrażliwość na hartowanie przy jednoczesnym spełnieniu szczególnych wymagań stawianych łańcuchom stosowanym w górnictwie, np. jako łańcuchy przenośników, umożliwia wytwarzanie ogniw łańcuchowych o średnicy nominalnej przekraczającej 58 mm, a nawet 60 mm i więcej.

Claims (4)

1. Stal stopowa na łańcuchy ogniwowe górnicze, zawierająca węgiel, krzem, mangan chrom, molibden, nikiel, glin oraz siarkę i fosfor, znamienna tym, że zawiera następujące składniki w udziale wagowym: od 0,17% do 0,25% C, maks. 1,5% Si, od 0,8% do 1,4% Mn, od 0,4% do 1,5% Cr, od 0,3% do 1,0% Mo, od 0,9% do 1,3% Ni, od 0,015% do 0,05% Al, od 0,1% do 0,5% W, maks. 0,025% Cu, maks. 0,015% P, maks. 0,015% S, oraz co najmniej jeden składnik z grupy mikroelementów Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti w łącznej ilości od 0,005 do 0,1%, resztę zaś stanowi żelazo oraz nieuniknione zanieczyszczenia.

2. Stal stopowa według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera:

od 0,19 do 0,23% C, maks. 0,3% Si, od 0,9 do 1,1% Mn, od 0,7 do 1,0% Cr, od 0,6 do 0,9% Mo, od 1,0 do 1,25% Ni, od 0,015 do 0,035% Al, od 0,15 do 0,35% W, maks. 0,15% Cu, zaś udział co najmniej jednego składnika z grupy mikroelementów Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti wynosi łącznie od 0,02 do 0,08%.

3. Stal stopowa według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że zawartość W oraz składników z grupy mikroelementów Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti spełnia następującą zależność:

Κ[Λ ^JV<TA

-w Mma gdzie:

k - współczynniki dla poszczególnych mikroelementów (k = 1 dla Ta, Nb, Hf, Zr oraz k = 0,3 dla V, Ti)

C_MA - zawartość mikroelementów w % wagowych

CW - zawartość wolframu w % wagowych

M_ta - masa atomowa tantalu (w jednostkach „u” - 180,95u)

M_Ma - masa atomowa mikroelementu/ów (w jednostkach „u”), przy czym wartość E wynosi od 0,06 do 0,9.

4. Stal stopowa według zastrz. 3, znamienna tym, że wartość E wynosi od 0,08 do 0,5.