Выйдут ли из строя зубья ковша экскаватора?

【1】Вид отказа Зубья ковша подвергаются износу и ударам различной степени в разных рабочих условиях, что приводит к различным степеням и формам отказа. Этот зуб ковша вышел из строя всего через 3 дня (около 36 часов) использования в нормальных рабочих условиях. Это не отвечает требованиям ни с экономической, ни с практической точки зрения. На макроскопических фотографиях этой партии вышедших из строя деталей видно, что на передней рабочей поверхности зуба ковша имеются явные плужные царапины, небольшая пластическая деформация на кончике и отсутствуют трещины. Передняя рабочая поверхность (поверхность, соприкасающаяся с землей) самая тонкая, около 4 мм, а задняя рабочая поверхность — около 8 мм. 【2】Анализ и обсуждение (1) Анализ напряжений Рабочая поверхность зуба ковша контактирует с вынутым материалом. Напряженные условия на разных этапах работы в процессе выемки грунта различны. Когда кончик зуба впервые соприкасается с поверхностью материала, кончик зуба ковша подвергается более сильному удару из-за высокой скорости. Если предел текучести зуба ковша низкий, на кончике возникнет пластическая деформация. По мере увеличения глубины выемки условия напряжений зубьев ковша будут меняться. Когда зубья ковша режут материал, зубья ковша и материал движутся относительно друг друга, создавая большое положительное давление выдавливания на поверхности, тем самым создавая большую силу трения между рабочей поверхностью зубьев ковша и материалом. Если материал представляет собой блок твердой породы, бетон и т. п., сила трения будет очень большой. В результате многократного повторения этого процесса рабочая поверхность зубьев ковша будет подвергаться разной степени износа, а затем образовывать глубокие борозды. Положительное давление на передней рабочей поверхности значительно больше, чем на задней рабочей поверхности, и передняя рабочая поверхность сильно изношена. Можно сделать вывод, что положительное давление и трение являются основными внешними механическими факторами разрушения зубьев ковша и играют основную роль в процессе разрушения.

(2) Анализ процесса

Были взяты два образца с передней и задней рабочих поверхностей соответственно, которые были отшлифованы для испытания на твердость. Было обнаружено, что твердость одного и того же образца существенно различается, и предварительное заключение состояло в том, что материал неравномерен. Образцы были отшлифованы, отполированы и подвергнуты коррозии, и было обнаружено, что на каждом образце имелась четкая граница, но положение границы было разным. С макроскопической точки зрения окружающая область была светло-серой, а средняя часть — более темной, что указывало на то, что деталь, вероятно, представляла собой литье со вставкой. С поверхности окруженная часть также должна быть вставкой. Испытания твердости по обе стороны границы с использованием цифрового твердомера Роквелла HRS-150 и цифрового микротвердомера MHV-2000 выявили существенную разницу (см. табл. 1). Данный анализ подтверждает, что зуб ковша представляет собой вставную конструкцию. Закрытая часть — это вставка, а окружающая часть — матрица. Оба компонента имеют схожий состав и легированы такими элементами, как Cr, Mn и Si. Основные легирующие компоненты (массовая доля, %): 0,38C, 0,91Cr, 0,83Mn и 0,92Si. Механические свойства металлических материалов зависят от их состава и процесса термической обработки. Разница в твердости, несмотря на схожий состав, свидетельствует о том, что зуб ковша использовался без термической обработки после отливки. Последующие наблюдения за микроструктурой также подтверждают это.

(3) Анализ микроструктуры Металлографические наблюдения показывают, что матрица в основном состоит из черных чешуек, а структура вставки состоит из белых блоков и черных чешуек. Белая блочная структура находится дальше от поперечного сечения. Дальнейшие испытания на микротвердость показывают, что белая блочная структура представляет собой феррит, а черная пластинчатая структура — троостит или смешанную структуру троостита и перлита. Образование крупного феррита во вставке аналогично образованию некоторых зон фазового превращения в зоне термического влияния сварки. Под действием тепла жидкого металла в процессе литья эта область находится в двухфазной области аустенита и феррита. В этой области феррит растет полностью и его микроструктура сохраняется при комнатной температуре. Поскольку стенка зуба ковша относительно тонкая, а объем вставки большой, температура в центре вставки низкая и крупный феррит не образуется. (4) Анализ эксплуатационных характеристик Испытания на износ на износостойкой машине MLD-10 показывают, что износостойкость матрицы и вставки в условиях испытаний на абразивный износ с небольшими ударами лучше, чем у закаленной стали 45. При этом существует разница в износостойкости матрицы и вставки, причем матрица более износостойка, чем вставка. Состав матрицы и вставки с обеих сторон одинаков, что свидетельствует о том, что вставка в зубе ковша в основном выполняет роль холодного железа. Зерно матрицы измельчается в процессе литья для повышения ее прочности и износостойкости. Поскольку вставка подвергается воздействию тепла литья и образует структуру, похожую на зону термического влияния сварки, она не играет никакой роли в повышении износостойкости. Если после литья провести соответствующую термическую обработку для улучшения структуры матрицы и вставки, износостойкость и срок службы зуба ковша значительно улучшатся.

【3】Вывод (1) Материал зубьев ковша — низколегированная износостойкая сталь, которая относительно подходит для зубьев ковша. Однако из-за отсутствия необходимой термической обработки структура зуба ковша получается неравномерной, вставка не выполняет своей функции, а общая износостойкость зуба ковша низкая, что приводит к преждевременному выходу его из строя.

(2) Рекомендуется правильно нормализовать отливку после литья, чтобы улучшить ее структуру и эксплуатационные характеристики, а также увеличить срок службы. После разумной термической обработки отливки срок службы зуба ковша увеличивается почти в 2 раза при тех же условиях работы.