Können die Löffelzähne eines Baggers versagen?

【1】Ausfallmodus: Schaufelzähne sind unter verschiedenen Arbeitsbedingungen unterschiedlichem Verschleiß und Stößen ausgesetzt, was zu unterschiedlichem Ausmaß und unterschiedlichen Formen von Ausfällen führt. Dieser Schaufelzahn versagte bereits nach 3 Tagen (ca. 36 Stunden) Einsatz unter normalen Arbeitsbedingungen. Dies wird den Anforderungen sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus praktischer Sicht nicht gerecht. Auf den makroskopischen Fotos dieser Charge defekter Teile ist zu erkennen, dass auf der vorderen Arbeitsfläche des Schaufelzahns deutliche pflugförmige Kratzer vorhanden sind, an der Spitze eine geringe plastische Verformung vorliegt und keine Risse vorhanden sind. Die vordere Arbeitsfläche (die Oberfläche, die mit dem Boden in Kontakt kommt) ist mit etwa 4 mm am dünnsten, die hintere Arbeitsfläche beträgt etwa 8 mm. 【2】Analyse und Diskussion (1) Spannungsanalyse Die Arbeitsfläche des Löffelzahns steht mit dem Aushubmaterial in Kontakt. Die Spannungsverhältnisse in den verschiedenen Arbeitsphasen eines kompletten Aushubprozesses sind unterschiedlich. Beim ersten Kontakt der Zahnspitze mit der Materialoberfläche wird die Schaufelzahnspitze aufgrund der hohen Geschwindigkeit einem stärkeren Aufprall ausgesetzt. Wenn die Streckgrenze des Schaufelzahns niedrig ist, kommt es an der Spitze zu plastischen Verformungen. Mit zunehmender Aushubtiefe ändern sich die Belastungsbedingungen des Löffelzahns. Wenn die Schaufelzähne das Material schneiden, bewegen sich die Schaufelzähne und das Material relativ zueinander, wodurch ein großer positiver Extrusionsdruck auf der Oberfläche entsteht und dadurch eine große Reibungskraft zwischen der Arbeitsfläche der Schaufelzähne und dem Material entsteht. Wenn es sich bei dem Material um einen harten Felsblock, Beton usw. handelt, ist die Reibungskraft sehr groß. Durch die wiederholte Ausführung dieses Vorgangs kommt es auf der Arbeitsfläche des Löffelzahns zu unterschiedlich starkem Oberflächenverschleiß und es entstehen tiefe Furchen. Der Überdruck der vorderen Arbeitsfläche ist deutlich größer als der der hinteren Arbeitsfläche und die vordere Arbeitsfläche ist stark abgenutzt. Man kann davon ausgehen, dass Überdruck und Reibung die wichtigsten externen mechanischen Faktoren für das Versagen von Schaufelzähnen sind und im Versagensprozess eine wichtige Rolle spielen.

(2) Prozessanalyse

Von der vorderen und hinteren Arbeitsfläche wurden jeweils zwei Proben entnommen und zur Härteprüfung plangeschliffen. Es wurde festgestellt, dass die Härte derselben Probe stark variierte, und die vorläufige Beurteilung ergab, dass das Material ungleichmäßig war. Die Proben wurden geschliffen, poliert und korrodiert. Dabei stellte sich heraus, dass jede Probe eine klare Grenze aufwies, die Grenzposition jedoch unterschiedlich war. Aus makroskopischer Sicht war der umgebende Bereich hellgrau und der mittlere Teil dunkler, was darauf hindeutet, dass es sich bei dem Teil wahrscheinlich um einen Einlegeguss handelte. Von der Oberfläche her sollte auch der umgebende Teil ein Einsatz sein. Härteprüfungen auf beiden Seiten der Grenze mit einem digitalen Rockwell-Härteprüfgerät HRS-150 und einem digitalen Mikrohärteprüfgerät MHV-2000 ergaben einen signifikanten Unterschied (siehe Tabelle 1). Diese Analyse bestätigt, dass es sich bei dem Schaufelzahn um eine Einsatzstruktur handelt. Der eingeschlossene Teil ist der Einsatz und der umgebende Teil ist die Matrix. Die beiden Komponenten haben ähnliche Zusammensetzungen und sind mit Elementen wie Cr, Mn und Si legiert. Die wichtigsten Legierungsbestandteile (Massenanteil, %) sind 0,38C, 0,91Cr, 0,83Mn und 0,92Si. Die mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe hängen von ihrer Zusammensetzung und dem Wärmebehandlungsprozess ab. Der Unterschied in der Härte trotz ähnlicher Zusammensetzung weist darauf hin, dass der Schaufelzahn nach dem Gießen ohne Wärmebehandlung verwendet wurde. Dies bestätigen auch nachfolgende Mikrostrukturbeobachtungen.

(3) Mikrostrukturanalyse Metallografische Beobachtungen zeigen, dass die Matrix hauptsächlich aus schwarzen Flocken besteht und die Einsatzstruktur aus weißen Blöcken und schwarzen Flocken besteht. Die weiße Blockstruktur liegt eher im querschnittsfernen Bereich. Weitere Mikrohärtetests zeigen, dass die weiße Blockstruktur Ferrit und die schwarze Flockenstruktur Troostit oder eine Mischstruktur aus Troostit und Perlit ist. Die Bildung von großem Ferrit im Einsatz ähnelt der Bildung einiger Phasenumwandlungszonen in der Wärmeeinflusszone beim Schweißen. Unter der Einwirkung der Wärme des flüssigen Metalls während des Gießvorgangs befindet sich dieser Bereich im Zweiphasengebiet Austenit und Ferrit. In diesem Bereich wächst der Ferrit vollständig und seine Mikrostruktur bleibt bei Raumtemperatur erhalten. Da die Zahnwand des Löffels relativ dünn und das Einsatzvolumen groß ist, ist die Temperatur in der Mitte des Einsatzes niedrig und es bildet sich kein großer Ferrit. (4) Leistungsanalyse Verschleißtests mit dem Verschleißtestgerät MLD-10 zeigen, dass die Verschleißfestigkeit der Matrix und des Einsatzes unter Bedingungen eines Verschleißtests mit geringer Schlagbelastung besser ist als die von gehärtetem 45er-Stahl. Gleichzeitig gibt es einen Unterschied in der Verschleißfestigkeit der Matrix und des Einsatzes, und die Matrix ist verschleißfester als der Einsatz. Die Zusammensetzung der Matrix und des Einsatzes auf beiden Seiten ist ähnlich, was zeigt, dass der Einsatz im Schaufelzahn hauptsächlich die Rolle des Kalteisens spielt. Das Matrixkorn wird während des Gießvorgangs verfeinert, um seine Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Da der Einsatz durch die Gusswärme beeinflusst wird und eine Struktur erzeugt, die der Wärmeeinflusszone beim Schweißen ähnelt, spielt er bei der Verbesserung der Verschleißfestigkeit keine Rolle. Wenn nach dem Gießen eine entsprechende Wärmebehandlung durchgeführt wird, um die Struktur der Matrix und des Einsatzes zu verbessern, werden die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer des Schaufelzahns erheblich verbessert.

【3】Fazit (1) Das Material des Schaufelzahns ist niedriglegierter, verschleißfester Stahl, der sich relativ gut für Schaufelzähne eignet. Aufgrund der fehlenden erforderlichen Wärmebehandlung ist die Struktur des Schaufelzahns jedoch ungleichmäßig, der Einsatz erfüllt nicht die ihm zugedachte Funktion und die allgemeine Verschleißfestigkeit des Schaufelzahns ist gering, was zu einem frühen Ausfall führt.

(2) Es wird empfohlen, den Guss nach dem Gießen ordnungsgemäß zu normalisieren, um die Struktur und Leistung zu verbessern und die Lebensdauer zu erhöhen. Nach einer angemessenen Wärmebehandlung des Gussteils erhöht sich die Lebensdauer des Schaufelzahns unter denselben Arbeitsbedingungen um fast das Zweifache.