Kuna ehitusmasinate jõudlus ja töökindlus sõltuvad tänapäevase inseneriehituse põhiseadmetena, sõltuvad suuresti kasutatud materjalide füüsikalistest, keemilistest ja mehaanilistest omadustest. Materjaliteaduse pideva arenguga on ehitusmasinate materjalide valik järk-järgult laienenud traditsiooniliselt ülitugevalt{1}}teraselt erinevatele komposiitmaterjalidele ja erisulamitele, et vastata erinevate töötingimuste rangetele nõuetele. Selles artiklis uuritakse süstemaatiliselt ehitusmasinates kasutatavate peamiste materjalide tüüpe, tehnilisi omadusi ja tüüpilisi kasutusstsenaariume.
I. Kõrgtugev-konstruktsiooniteras: koormus-kande ja vastupidavuse alus
Väga{0}}tugev konstruktsiooniteras on ehitusmasinate kõige olulisem materjal, mida kasutatakse laialdaselt kriitiliste koormust{1}}kandvate komponentide, nagu raamid, poomid ja hoovad. Seda tüüpi teras saavutab tavaliselt märkimisväärse voolavuspiiri ja tõmbetugevuse suurenemise legeerelementide, nagu mangaan (Mn), kroom (Cr) ja molübdeen (Mo), lisamise kaudu, mida täiendavad kontrollitud valtsimine ja kontrollitud jahutamine (TMCP) või kuumtöötlusprotsess. Näiteks madala -legeeritud kõrge tugevusega{5}}teraste nagu Q345B (Hiina standard) ja S355J2 (Euroopa standard) voolavuspiir on 345-500 MPa, mis ühendab suurepärase keevitatavuse ja vastupidavuse madalal temperatuuril, muutes need sobivaks tööks vahemikus 0 kraadi kuni 6 kraadi tavapärastes keskkondades.
Viimastel aastatel on mikrolegeeritud teraste (näiteks nioobiumi (Nb) ja vanaadiumi (V) lisanditega teraste laialdane kasutamine optimeerinud terasplaatide üldist jõudlust. Näiteks teatud ekskavaatori kopp kasutab NM400 kulumiskindlat-terast (kõvadus on suurem või võrdne 400 HBW). Pinna karastamise tõttu pikeneb kopa lõiketera eluiga üle 30%, vähendades oluliselt hoolduskulusid.
II. Kulumiskindlad-materjalid: hõõrdumis- ja löögikindluse võti
Ehitusmasinate tööseadmed (nagu ekskavaatori hambad, lõhkumispuurvardad ja konveieri kaabitsad) alluvad pikaajalisele-intensiivsele hõõrdumisele ja kõvade materjalide, nagu liiv, kruus ja maak, mõjule, mis seab kulumiskindlusele väga kõrged nõuded. Traditsioonilised kõrge-mangaanisisaldusega terased (nagu ZGMn13), pakkudes küll suurepäraseid töö-kõvenemisomadusi, on vastuvõtlikud plastsele deformatsioonile madala-pingega kulumistingimustes. Praegused tavalahendused hõlmavad järgmist:
1. Kõrge -kroomisisaldusega malm: sisaldab 12–30% kroomi, moodustades kõvad karbiidid (nt Cr7C3), mille kõvadus on HRC 58–65, mida tavaliselt kasutatakse lõualuu purusti vooderdis.
2. Komposiitkattematerjalid: volframkarbiidil (WC) või nikli{1}}põhine sulamikiht kantakse Q235 substraadile avatud kaare või plasmakattega, saavutades kohaliku kõvaduse, mis ületab HRC 60.
3. Keraamika{1}}tugevdatud komposiitmaterjalid: näiteks Al₂O₃-TiC-keraamika. Kuigi need materjalid on suhteliselt kallid, on neid katsetatud kõrgekvaliteediliste-ekskavaatori kopa hammastega, mis pakuvad traditsioonilistest materjalidest viis korda suuremat kulumiskindlust.
III. Kerged sulamid: läbimurre energiatõhususes ja manööverdusvõimes
Kütusekulu vähendamiseks ja seadmete paindlikkuse suurendamiseks kasutatakse kabiinides, paneelides ja mõnedes mittekandvates konstruktsioonides üha enam kergeid materjale, nagu alumiiniumisulamid, magneesiumisulamid ja titaanisulamid. Nende hulgas kasutatakse 6061-T6 alumiiniumisulamit (tihedus 2,7 g/cm³, tõmbetugevus 290 MPa või rohkem) selle suurepärase korrosioonikindluse ja töödeldavuse tõttu laialdaselt kraanapoomide abikonstruktsioonides. Magneesiumisulam (tihedus 1,7–1,9 g/cm³), mida on modifitseeritud haruldaste muldmetallide elementidega (nagu Y ja Nd), võib vähendada selliste komponentide nagu hüdroõlipaagid kaalu 20–30%.
Märkimisväärne on see, et kuigi süsinikkiuga tugevdatud plastil (CFRP) on kosmosetööstuses küpsed rakendused, jääb see ehitusmasinate jaoks kulude ja liitmisprotsesside tõttu piiratud. Praegu kasutatakse seda ainult luksuslike kabiinide heli- ja soojusisolatsiooniks.
IV. Korrosioonikindlad materjalid-: kaitsetõke karmides keskkondades
Ookeaniehitus, kaevandamine ja muud rakendused nõuavad suurepärase korrosioonikindlusega materjale. Roostevabad terased (nt 304 ja 316 l) moodustavad oma kroomi (suurem või võrdne 16%) ja nikli (suurem kui või võrdne 8%) sisalduse tõttu passiivse kile ja neid kasutatakse tavaliselt betoonisegisti paagides ja kinnitusdetailides keskkonnatundlikes piirkondades. Tsingitud teras (kuum{6}}kastmiskatte paksus 80 μm või suurem) ja Dacrometi kattetehnoloogia (ligikaudu 5–12 μm paksune) vähendavad tavaliste teraskomponentide korrosioonikiirust alla 0,05 mm aastas tänu füüsilisele isolatsioonile.
Äärmiselt happelistes või leeliselistes töötingimustes on keemiliste segamisseadmete eelistatud materjalid dupleksroostevabad terased (nt 2205, mis sisaldavad 22% Cr, 5% Ni ja 3% Mo) tänu nende austeniit-ferriitkahefaasilisele-struktuurile, suurele tugevusele (σb Suurem või võrdne kui P ekvivalentarvuga P RENera või 620 MP RENeraga või sellega võrdne).
Järeldus
Ehitusmasinate materjalide väljatöötamine on alati keskendunud tugevuse, kaalu, kulude ja keskkonnaga kohanemisvõime vahel{0}}mitmeobjektiivsele tasakaalule. Tulevikus saab lisaainete tootmise (3D-printimine) ja nanokomposiitide tööstusliku rakendamisega intelligentsest materjalivalikust (nt kohalike materjalide omaduste dünaamiline kohandamine koormusspektri alusel) tööstuse põhisuundumus. Optimaalse materjalilahenduse saavutamiseks peavad insenerid põhjalikult kaaluma tööparameetreid, elutsükli kulusid ja tarneahela töökindlust.
