CC BY
3DOI: 10.24412/cl -37269-2024-1-213-217
ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ТЕХНИКИ
Ермаков Б.С., Швецов О.В., Ермаков С.Б.
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
г. Санкт-Петербург
shvec [email protected]
Повышение качества материала коронок зубьев экскаватора является актуальной задачей горнодобывающих компаний. Качество литья коронок зубьев определяет дальнейшую работоспособность детали. Границы дендритов, трещины при кристаллизации которые в последствии эксплуатации распространяются по усталостному механизму выявлены у исследованных коронок, разных производителей. Качество литья и окончательной термической обработки позволит существенно повысить работоспособность горнодобывающего инструмента.
Разработка карьеров твердых пород являются наиболее эффективным методом добычи полезных ископаемых. Добыча твердых пород осуществляется за счет выемки грунта с помощью износостойкого инструмента. Бесперебойная работа горнодобывающего инструмента во многом определяется износостойкостью зубьев ковшей и их коронок [1].
Как показано в работах [2-4], ведущим фактором, определяющим работоспособность зубьев и коронок, является качество литья и стабильность микроструктуры отлитого материала. В связи с этим возникает проблема, повышения качества литых деталей, что особенно важно для сильно неравновесных конструкций отливок ковшовых карьерных экскаваторов. Литая сталь зубьев и коронок ковша экскаватора имеет изначально дефектную микроструктуру в виде микропор, раковин и трещин, а также высокий уровень химической неоднородности - ликвации и сегрегации основных легирующих и примесных элементов, крупные неравномерные первичные зерна [2-5].
В настоящее время большинство работ, которые направлены на разработку методов повышения работоспособности зубьев, посвящены изучению самого процесса изнашивания, данные по изучению структуры и влияния качества материала на износостойкость зубьев и коронок экскаватора практически отсутствуют. Целью настоящей работы является, чтобы проведение металлографических исследований зубьев и коронок ковшей экскаваторов после длительной эксплуатации с целью выяснения причин их ускоренного выхода из строя.
Для исследования предоставлены четыре коронки после эксплуатации: коронка для экскаваторов Cat 391 (ESCO 65SV2AG); коронка для VOLVO 350; коронка для Cat 988 (CAT 467-9815); коронка ЭКГ-10М. Измерение твердости проводились на твердомере ТР 5006 № 85 согласно ГОСТ 9013-59. Металлографические исследования образцов проводились с помощью оптического микроскопа Reichert-Jung при увеличении х500 и приставки для измерения микротвердости MICRO-DUROMAT 4000E согласно ГОСТ 9450-76, метод Виккерса с нагрузкой 180г (HV0,1s). Для выявления микроструктуры металла образцов использовали 3% раствор азотной кислоты (HNO3) в спирте. Исследования поверхности износа и микроструктуры проводились с помощью растрового электронного микроскопа SUPRA 55VP WDS с приставкой рентгеноспектрального анализа.
Металлографический анализ образцов коронок показал, что в металле имеются многочисленные дефекты (рис. 1).
а) CAT 391K б) CAT 391K
д)ЭКГ10М е) ЭКГ ЮМ
Рис. 1 Литейные дефекты в коронках зубов CAT 391K (а, б); CAT 988 (в, г); ЭКГ10М (д, е)
В основном дефекты оказались крупные междендритные поры литейного происхождения (см. рис. 1). Помимо пор выявлены комплексные трещины разного происхождения, предположительно разных механизмов: первоначальная горячая трещина в результате кристаллизации; усталостная и в результате эксплуатации (см. рис. 2).
в)
Рис. 2. Электронные изображения трещин в металле коронки: а - холодная и горячая части трещины; б-область, где трещина развивается из-за дефектов литья; в- окисленные участки горячей трещины
и эксплуатационной трещины
При анализе изображений зарождение трещин происходит в процессе кристаллизации при формировании внутренних концентраторов напряжений, в процессе эксплуатации при её перпендикулярном расположении относительно плоскости контакта и вдоль границ зёрен происходит рост трещины по усталостному механизму. Трещины кристаллизации имеют окисленные, широко раскрытые берега, трещины при эксплуатации имеют малое раскрытие, и практически не окисленные.
Дальнейшее изучение микроструктуры коронок зубьев ковша карьерных экскаваторов показало, что она неравновесная и представляет собой закаленный мартенсит.
Было показано, что микроструктура состоит из участков, различающихся по степени травления, которые можно визуально разделить на участки с лучшим и худшим травлением. «Светлые» участки с худшим травлением структуры соответствуют междендритным участкам литой структуры.
Поскольку твердость является одним из основных показателей износостойкости при эксплуатации в ходе работы были получены результаты измерения макротвердости (табл. 3) и микротвердости (табл. 4) зубьев ковша карьерных экскаваторов.
Таблица 3. Значения твердости образцов (ДОС)
Образец Твердость, ДОС
1 2 3 Среднее
Cat-391 49 50 50 50
Volvo -350 45 46 45 45
ЭКГ-10М 51 49 49 50
Таблица 4. Значения микротвердости образцов (ДОС)
Материал Область с плохой травимостью Область с хорошей травимостью
Cat 391K 57 60
Cat 988 55 59
Volvo 350 53 56
ЭКГ -10М 52 46
В соответствии с результатами измерения твердости было установлено, что твердость материала коронок зубьев ковшей экскаваторов во всех точках рабочей поверхности практически одинакова и не изменилась по всему объему металла. Согласно табличным данным, микротвердость «светлой» области зубьев ковша экскаватора наихудшее травление происходит меньше, чем на участке с ярко выраженной структурой.
Как следует из полученных результатов, в ходе металлографических исследований были обнаружены крупные дефекты литья. В частности, «горячие» и «холодные» трещины, которые имеют два механизма образования. «Горячая» часть трещины образуется в температурном диапазоне хрупкости, при котором сплав обладает минимальной пластичностью. Механизм образования горячих трещин заключается в следующем: при температурах литья ниже температуры текучести образуется кристаллический каркас, сплав становится хрупким. Начинает сжиматься, теряя способность течь подобно жидкости и приобретая некоторую прочность. Возникающие напряжения достигают предела прочности сплава на разрыв, что приводит к образованию трещин в отливке. Дальнейшее развитие трещины происходит по механизму усталости, что приводит к ускоренному разрушению и выходу из строя зубьев ковшей горных экскаваторов, что является причиной ускоренного разрушения.
Результаты по микротвердости показали, что существуют участки с разной микротвердостью, то есть в материале преобладают разные свойства. Разная твердость наблюдается в дендритном и междендритном пространстве. В дендритах твердость выше, а в межендритном пространстве она ниже. Известно, что износ и твердость - взаимосвязанные процессы. В областях с пониженной твердостью (межендритных пространствах) износ происходит быстрее.
Таким образом, основной причиной ускоренного выхода из строя зубьев экскаватора является наложение различных микроструктурных дефектов, связанных с дисбалансом микроструктуры металла и несовершенством технологии процесса литья. Следовательно, для повышения эффективности необходимо не только улучшить качество литья, но и необходимо либо изменить режим охлаждения, либо провести термообработку, чтобы выровнять структуру.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00713, https://rscf.ru/project/24-29-00713/
Литература
1. Слепцов О.И., Шульгинов Б.С., Михайлов В.Е., Сивцев М.Н., Слепцов Г.Н. Повышение прочности сварных металлоконструкций горнодобывающей и транспортной техники в условиях Севера. Новосибирск: Наука, 2012. 201с.
2. Гуляев А. П. Металловедение. Москва: Металлургия, 1986. 544 с.
3. Берштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983. 352 с.
4. Barrett Ch., Massalsky T., Structure of metals, Metallurgy, 1984. 654 p.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Учебник. 4-ое изд., М.: Металлургия, 1986. 480 с.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-217-219
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИАМИДА 6 В СОСТАВЕ ПКМ
В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ
Злобина И. В.1, 2, Бекренев Н.В.1, Чуриков Д.О.1, Пасечная А.А.1 1 СГТУ имени Гагарина Ю.А., г. Саратов 2 НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва irinka 7 @mail.ru
Активное развитие Арктики обуславливает поиск решений по использованию широкого спектра материалов, в том числе композиционных, и применение различных методов обработки с целью повышения адгезии на границе компонентов «матрица-волокно», а также устойчивости в широком диапазоне температур. В связи с этим актуальным представляется использование в составе композиционного материала ПА 6 и непрерывных углеродных волокон с последующей электрофизической обработкой для повышения адгезионной прочности.
В настоящее время активно развивается направление, связанное с вопросами расширения применения термопласта ПА 6 как самостоятельного конструкционного материала или в составе композитов [1]. Этот полимер является обладает рядом преимуществ, среди которых высокая жесткость, прочность, химическая и износостойкость [2].
Приведенный спектр свойств ПА 6 делает его актуальным для использования в составе полимерных композиционных материалов (ПКМ). Одним из возможных наполнителей при этом является углеродное волокно (УВ). Оба эти компонента являются перспективными материалами, однако их совместное использование в составе одного композита затруднено. В частности, это обусловлено недостаточной адгезией ПА 6, выступающего в роли матрицы, к УВ. Так в работе [1] задача повышения адгезии решается активацией поверхности УВ. В работе [3] показано применение дополнительного покрытия УВ для повышения адгезионной прочности на границе «матрица-волокно».
Т. о. актуальным представляется поиск решений, направленных на повышение адгезии суперконструкционного полимера ПЭЭК к УВ для расширения использования ПКМ, в том числе в условиях Арктики, что обусловлено значительным диапазоном рабочих температур компонентов.
Целью исследования явилось изучение влияния термоциклирования и УФ воздействия на углепластики, сформированные на основе ПА-6, прошедшие электрофизическую обработку в виде УЗ и СВЧ воздействия.
Для проведения эксперимента, были изготовлены опытные образцы. Использовался метод 3D печати филаментами на основе термопласта ПА-6. В качестве армирующих элементов выступали углеродные волокна, предварительно пропитанные эпоксидной смолой ЭД-20. Размер образцов составлял 40х20х1 мм. Образцы были разделены на 3 группы - контрольные, обработанные с помощью ультразвука (УЗ) и обработанные с помощью СВЧ.
