裝載機鏟斗刀板斷裂原因分析

劉祖強,劉毅敏,廖桓萱

(廣西柳州鋼鐵集團公司技術中心,廣西柳州5450021)

裝載機鏟斗刀板斷裂原因分析

劉祖強,劉毅敏,廖桓萱

(廣西柳州鋼鐵集團公司技術中心,廣西柳州5450021)

通過對斷口形貌、化學成分、金相組織、掃描電鏡、沖擊韌性、硬度等理化檢驗和分析,最終確定了裝載機鏟齒與刀板連接處的焊接薄弱區(qū)是刀板斷裂的裂紋源,斷裂刀板硬度和沖擊性能不符合要求,顯著降低了刀板的使用壽命。

裝載機;鏟斗刀板;斷裂;理化檢驗

1　引言

裝載機的鏟斗刀板在裝載作業(yè)中直接與物料接觸,主要承受摩擦力及沖擊力的共同作用,容易產生磨損,因而要求刀板材料既要有較高的強度、韌性和耐磨性,從裝配要求來看,還要有較高的可焊性[1]。某用戶使用某工程機械公司生產的裝載機進行鏟掘作業(yè),鏟斗刀板在達到預期使用壽命10%時出現(xiàn)開裂,用戶拒絕使用。為了解裝載機鏟斗刀板開裂產生原因,對斷裂刀板進行了化學成分、金相組織、掃描電鏡、沖擊韌性、硬度等理化檢驗和分析。

2　理化檢驗

2.1宏觀形貌觀察

刀板從靠近鏟齒角部處發(fā)生斷裂,裂紋平直且貫穿刀板整個截面,在擴展過程中無次生裂紋產生(見圖1)。

圖1　刀板裂紋宏觀形貌

2.2超聲波探傷

用CTS-4020超聲檢測儀對整個刀板表面進行掃查,結果顯示刀板內部質量較好,未發(fā)現(xiàn)裂紋、白點、縮孔等冶金缺陷,主裂紋兩側無次生裂紋的擴展。

2.3斷口分析

利用機械切割方法打開裂紋,裂紋截面平齊,無明顯塑性變形特征(見圖2a),斷裂面已被腐蝕和污染,局部存在凹坑。利用自制電解腐蝕裝置清除斷裂面鐵銹,酸液成分是體積分數(shù)為17%的工業(yè)鹽酸水溶液,使用電流為380 A,電蝕時間為15 min,電蝕后的斷口形貌(見圖2b),斷口局部位置放大形貌見圖2c。刀板表面未見結疤、裂紋等缺陷,斷裂分為裂紋源、放射區(qū)、剪切唇三個區(qū)域,裂紋源位于凹坑位置。

2.4低倍

為確定裂紋源附近刀板內部質量,在斷口凹坑附近截取斷裂工件全截面低倍試樣,試樣磨面平行于斷口面,經體積分數(shù)比為50%的鹽酸水溶液熱浸蝕,發(fā)現(xiàn)裂紋源附近截面內部質量較好,未見大型夾渣或夾雜、孔洞、裂紋、翻皮、白點等缺陷,中心偏析和中心疏松輕微,鋼質較好(見圖3)。

圖2　斷口形貌

圖3　裂紋源附近截面低倍形貌

2.5電鏡掃描

采用EVO18型掃描電鏡對斷口裂紋源進行觀察,裂紋源附近未見異常損傷,斷口呈現(xiàn)韌窩和準解理特征,起裂點位于刀板近表面,且未見大型夾渣或夾雜掉落的痕跡,(見圖4)。

2.6金相

(1)裂紋源金相檢驗。在凹坑位置切取小塊試樣,利用ZEISSA1m型金相顯微鏡觀察裂紋源處非金屬夾雜物情況和金相組織特征。試樣經體積分數(shù)為4%硝酸酒精腐蝕后宏觀形貌(見圖5a),裂紋源處夾雜物按GB/ T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行評定級別為A0、B0、C0、D1.0、DS0.5,鋼質純凈,試樣經腐蝕后局部組織存在較大差異。經觀察,異常組織出現(xiàn)位置位于刀板與鏟齒焊縫連接處,具有典型的焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)特征,組織以塊狀、柱狀分布的鐵素體+貝氏體為主,存在部分板條狀馬氏體,而刀板母材組織以塊狀鐵素體、貝氏體和珠光體為主,存在少量的魏氏組織(見圖5b～圖5e)。

圖4　裂紋電鏡掃描形貌

圖5　裂紋源金相組織形貌

(2)正常位置金相檢驗。在裂紋源附近截取正常位置金相試樣,觀察金相組織形貌。試樣截面未發(fā)現(xiàn)大型夾雜物、裂紋等缺陷,表面組織以馬氏體為主,存在較多的網狀、半網狀分布的鐵素體組織,鐵素體的數(shù)量沿著厚度方向不斷增多,至刀板厚度四分之一處,已出現(xiàn)大量的塊狀珠光體(見圖6)。

圖6　正常位置金相組織形貌

2.7化學成分

利用直讀光譜儀分析斷裂刀板化學成分。斷裂刀板主要元素化學成分符合要求值,且P、S殘余元素含量較低(見表1)。

2.8沖擊

為確定刀板在使用環(huán)境下對外加沖擊負荷的抵抗能力,在刀板表面、1/4、中心分別截取沖擊試樣,進行常溫沖擊檢驗。沖擊值遠低于要求值(見表2)。

表1　刀板化學成分wt(%)

表2　沖擊試驗結果AKV2(J)

2.9硬度

刀板要求表面硬度(HRC)值35～40,距表面10mm處硬度(HRC)值≥30,中心硬度(HRC)值為24～30。為確定刀板厚度方向硬度分布情況,截取刀板硬度試樣進行洛氏硬度檢驗。從結果可知,刀板硬度值不符合內控要求,表面5 mm以下硬度均低于要求值,且刀板兩表面硬度分布不均勻(見圖7)。

圖7　刀板厚度方向硬度分布情況

3　原因分析

文獻[2]指出:裝載機主刀板的斷裂情況都是從焊接熱影響區(qū)和鑄造缺陷區(qū)開始的,在主刀板使用過程中,常會從這些薄弱區(qū)域開始斷裂,然后迅速擴展,造成主刀板斷裂。

本次斷裂刀板化學成分符合設計要求;經超聲波和低倍檢驗,刀板內部及表面未發(fā)現(xiàn)異常機械損傷、大型夾雜或夾渣、裂紋、孔洞等缺陷;經金相檢驗,刀板非金屬夾雜物含量低,鋼質純凈。由此可見,刀板表面及內部冶金質量較好,不足以形成影響斷裂的薄弱區(qū)。

本次斷裂刀板斷口形貌呈典型的人字形特征,人字形尖端指向裂紋源[3],從而確定此次失效斷裂的裂紋源在斷口凹坑處,凹坑處組織具有焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)特征,為典型的焊接組織形貌,凹坑位置也位于刀板與鏟齒焊接處;通過電鏡觀察,凹坑處未發(fā)現(xiàn)異常機械損傷、大型夾雜或夾渣、裂紋、孔洞等缺陷。由此可見,焊接薄弱區(qū)域是刀板斷裂的裂紋源。文獻[2]指出:因工作效率、場地等因素的影響,刀板焊接時預熱溫度不夠、焊后保溫時間短或熱輸入量過大等焊接工藝參數(shù)和措施不到位是產生焊接薄弱區(qū)域的主要原因。

刀板在加工為成品前經過了淬火+低溫回火的熱處理過程,正常情況下金相組織以馬氏體和貝氏體為主,含有少量的鐵素體和珠光體組織。但是,本次斷裂刀板截面組織以鐵素體和珠光體為主,淬硬組織偏少,而馬氏體和貝氏體的硬度明顯高于珠光體和鐵素體[4]。從而造成刀板截面多處硬度不符合內控要求。由此可見,斷裂刀板熱處理工藝控制不當造成了刀板淬透性差。一般認為材料硬度越高越耐磨[5]。本次斷裂刀板硬度偏低,其耐磨性和使用壽命均會顯著降低。

從以上分析可知:裝載機在作業(yè)過程中,刀板將承受較大的沖擊載荷,如果鏟齒與刀板焊接處存在薄弱區(qū)域,就會產生應力集中形成裂紋源。由于刀板沖擊性能偏低,韌性較差,一旦形成裂紋源后,在外力的作用下,裂紋易急劇擴展,在硬度偏低、耐磨性降低的綜合作用下,刀板使用壽命降低,從而過早發(fā)生斷裂。

4　結語

(1)裝載機刀板表面及內部冶金質量較好,鋼質純凈,不足以形成影響斷裂的薄弱區(qū)。

(2)裝載機鏟齒與刀板連接處的焊接薄弱區(qū)是刀板斷裂的裂紋源。

(3)斷裂刀板熱處理工藝控制不當造成刀板硬度和沖擊性能不符合內控要求,顯著降低了刀板的使用壽命。

[1] 趙士善,夏兆沂.鏟斗刀板常用材料性能分析[J].工程機械,2003(3):33-35.

[2] 范存超,丁爭玉.堆焊在裝載機主刀板上的應用[J].熱加工,2007(3):52-53.

[3] 上海交通大學金屬斷口分析編寫小組.金屬斷口分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,1979: 22-23.

[4] 宋維錫.金屬學[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1989.276-277.

[5] 崔忠圻,覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000:384-385.

Causes Analysis on the Breakage of the Shovel Edge Plate of Loader

LIU Zu-qiang,LIU Yi-min,LIAO Huan-xun
(Technique Center of Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Company,Liuzhou 5450021,Guangxi,China)

Through the physical and chemical inspection as well as the analysis for the fracture morphology,the chemical composition,the scanning electron microscope,the impact toughness and hardness,the vulnerable area between the joints of the form relieved tooth and edge plate of loader was determined as the crack source of the edge plate breakage.The hardness and impact property of the breaking edge plate can not meet with the requirments so as to reduce the service life of the edge plate significantly.

loader;shovel edge plates;breakage;physical and chemical lnspection

1001-5108(2016)02-0067-05

U653

A

劉祖強,工程師,主要從事金屬材料分析與研究工作。