沥青混凝土由碎石、砂料与热沥青和矿粉组成的胶浆混合料搅拌后制成,具有良好的高温稳定性和低温柔顺性,防滑能力强,施工方便,是较为常用的公路施工材料。
沪宁高速公路路缘阻水带的铺筑完全采用机械化施工。由于线路长、工期短,要求路缘石摊铺机有较高的生产率。我们使用的是意大利MASSENZA公司生产的小型路缘石摊铺机。该机以柴油发动机为动力,采用链轮式两级传动,利用螺旋输送器(以下简称叶轮)运料并强制挤压成型。机器在工作过程中,通过人工给料,叶轮在运料和挤压时,受到混合料挤压、研磨、擦划,产生磨料磨损.
为搞清叶轮的磨损失效规律,找出提高其使用寿命的技术措施,我们就以此种机型为对象进行研究。该部件的装配情况如附图所示。图中叶片与输送轴为一整体,通过其后端36mm×36mm方孔,附带8mm定位螺栓安装在二级传动轴上。输送轴直径50mm,总成圆径155mm,节矩为175mm,叶片与轴线方向约呈84°空间角。该机最大摊铺速度(实验数据)为5.2m/min,由9LD561—2型柴油发动机通过链轮驱
动。输送作业为连续式人工控制给料。
叶轮的工况如下:10~15mm碎石和5~10mm瓜子片石组成混合料骨料,参拌一定比例的沥青、砂以及矿粉组成混合物料。通过人工供给,落入叶轮后部,在叶轮的旋转作用下,物料沿轴向朝前端运送。此过程中,混合料不断受到挤压力,如此反复挤压→运送→挤压,通过模板达到成型的目的。
成型过程中,混合料受到的挤压力(混合料对叶轮的反作用力)是不断变化的。当混合料不断向前移动过程中,挤压力逐渐增大,叶片受到混合料的研磨,切削力同时增大,磨损就加剧,实践也证明了这一点。叶轮的磨损是从最前端开始并逐渐向后延伸,而最后端进料部分的叶片磨损很小。在前端完全磨损至无法使用时(时间约5~10h),后部磨损近似为零。由此可见,磨损率与受力大小有直接的关系。
我们开始所使用的叶片是40Mn钢,其化学成份为:(0.37~0.45)%C、(0.7~1.0)%Mn(0.17~0.37)%Si、≤0.035%S、≤0.030%P、≤0.25%Cr、≤0.25%Ni、≤0.25%Cu。观察拆下叶轮的叶片磨损面,主要的磨损形式为磨料的划伤沟和切削沟。磨损面由于塑变引起的金属堆积几乎没有,只在局部发现少量由于材料疲劳和金属过度流变形成的裂纹而造成的表面剥落现象。由以上情况判断,叶片磨损失效的主要原因是物料对叶片的划伤和切削。
随后我们对其进行了表面淬火处理,目的是为了获得马氏体,以提高其硬度和耐磨性。淬火后的叶片表面马氏体量增加,奥氏体减少。由于马氏体有较强的抗磨料侵入能力,同时奥氏体在磨料挤压、切划作用下在叶片的亚表面层形成硬化薄层,强化基体组织,从而保护了碳化物不会因周围金属磨掉而导致过早整体剥落。在现场观察中也发现这种处理方法,使叶轮的抗磨能力有所增强,使用寿命由原来淬火前的5h增加到近7h。这些因素都是使划伤成为磨损失效主要机制的原因。
为了进一步提高叶轮的使用寿命,我们在叶轮最易磨损的前端铜焊了合金刀头T14。该件的化学成份为:碳化钨78%、碳化钛14%、钴8%,硬度值为HRA90.5,属高耐磨刀具。实践结果表明,焊有T14的工作面,具有良好的抗磨能力,磨损明显降低。而紧接其后未焊T14的工作面首先划伤、剥落。
由以上观察结果表明,磨损主要来自于较软基体金属的提前磨损。由于基体金属硬度低,耐磨性差,磨料对其产生较强的划伤、切削作用而形成犁沟,金属不断消耗,使其失去应有的作用。
在施工中,通过上述各种方法,使用寿命最多不超过10h,还不能完全满足施工要求。为使路缘石摊铺机在今后的工程中更好地发挥其功率,建议采取以下措施:
(1)材料的化学成份和组织 现国产件中有一种高铬钼合金铸铁,其化学成份为:2.92%C、16.7%Cr、1.15%Mn、0.78%Si、0.85%Mo、0.91%Cu。铸件采用激冷铸造,即在砂型中放置45mm厚的冷铁使抗磨表面共晶碳化物细化,并以垂直工作面方向分布。局部激冷还有助于减少铸件内部显微疏松缺陷,铸件经920℃奥氏体化(4h)处理后在流动空气中冷却,再经280℃回火,这样可使其宏观硬度HRA81.4,基本组织显微硬度达HV475~505。此铸件具有抗磨能力强、铸铁性能良好等特点。因此要充分发挥
材料的抗磨能力应采用:细化共晶碳化物;改善共晶碳化物在组织中的位向,使其大体分布于垂直于工作面方向,就能有效地提高碳化物抵抗磨料切削的能力及材料的耐磨性能;提高组织的强度和硬度,较合适的组织应是马氏体+二次碳化物+少量残余奥氏体。
(2)零件尺寸、形状应符合图纸尺寸 零件尺寸、形状偏差及工作面光洁度是影响零件使用寿命的重要因素。例如:叶片与轴向空间角不合适,过大或过小都会引起运料、挤压过程衡顺性差,摊铺度降低,叶轮在混合料中的空磨次数增多,磨损加剧,生产率降低;再者,若叶片光洁度差,引起阻料、挂料现象,同样会降低摊铺速度,增大磨损,减少使用寿命。因此,对于机件的尺寸,形状、光洁度同样应给予特别注意。
