挖掘機(jī)鑄件支座斷裂故障分析

程盼 張海燕

摘 要：某型號挖掘機(jī)在使用過程中多次出現(xiàn)動臂前支座鑄件斷裂。為查明原因，對故障件進(jìn)行切割取樣分析。對斷口形貌進(jìn)行宏觀分析并在光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)故障為典型疲勞斷裂，裂紋起源于鑄造缺陷處。對鑄件力學(xué)性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和斷面收縮率不達(dá)標(biāo)。在斷口附近取金相樣，分析表明金相組織和晶粒度不合格，晶粒較大且存在殘留魏氏組織。最終認(rèn)定鑄件重要受力部位晶粒度不合格且存在魏氏組織導(dǎo)致機(jī)械性能下降是根本原因，鑄件存在縮松缺陷是引起開裂的直接原因。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī);鑄件;斷裂

動臂是挖掘機(jī)的重要組成部件，其與斗桿、鏟斗一起組成挖掘機(jī)的工作裝置（如圖1），直接執(zhí)行挖掘機(jī)的作業(yè)動作，并承受來自作業(yè)對象的各種復(fù)雜載荷。在作業(yè)過程中根據(jù)工況的不同，動臂主要承受來自斗桿、動臂油缸、斗桿油缸的循環(huán)載荷和沖擊載荷，其中以斗桿對動臂的載荷最大、沖擊最明顯。前支座作為動臂與斗桿鉸接的部件，直接承受來自斗桿的載荷，極易發(fā)生故障，某型號挖掘機(jī)在市場上多次開裂，時間從3000到8000小時不等，使用工況包括裝車、破碎等。經(jīng)初步了解，幾起故障的模式高度一致，均發(fā)生在前支座銷孔處，鑄件支座沿銷孔徑向開裂，部分故障件已完全斷裂。為明確開裂原因，選擇其中一間故障件返件進(jìn)行解剖分析。

1 斷口宏觀分析

通過線切割方式切取兩個斷口面，位置如圖2，獲得上、下部兩個斷口，采用目視、光學(xué)顯微鏡分析的方式分別對兩個斷口進(jìn)行檢查。

1.1 上部斷口

對上部斷口進(jìn)行宏觀分析，如圖3，目視觀察斷面呈現(xiàn)顯著的疲勞擴(kuò)展特征，疲勞弧線的收斂處即為起裂源，位于支座銷軸孔內(nèi)側(cè)棱邊位置。裂紋從起裂源開始，向縱深擴(kuò)展，形成形態(tài)規(guī)則的弧線形擴(kuò)展區(qū)，開裂面積擴(kuò)展至總面積約三分之二時，直接斷裂，形成外觀粗糙的瞬斷區(qū)。

在光學(xué)顯微鏡下觀察斷口起裂源區(qū)域，如圖4，起裂源處存在明顯鑄造縮松缺陷，此處位于軸孔內(nèi)側(cè)，屬于重要承載區(qū)域，在整機(jī)工作過程中會受到斗桿通過銷軸傳遞過來的循環(huán)拉力，拉力在動臂支座上產(chǎn)生交變應(yīng)力。由于縮松缺陷的存在，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋在此處產(chǎn)生并持續(xù)擴(kuò)展至發(fā)生瞬斷。

從動臂的整個生產(chǎn)過程分析，鑄件由供應(yīng)商生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝為：造型—>熔煉—>澆鑄—>熱處理（正火）—>粗加工孔及端面—>檢驗(yàn)，動臂生產(chǎn)工藝為：拼搭—>焊接—>機(jī)加工—>拋丸—>油漆，其中機(jī)加工會對支座孔進(jìn)行精鏜和刮端面。此處缺陷產(chǎn)生于鑄造過程中，在動臂整體進(jìn)行精加工（精鏜軸座孔、刮端面）之前，此缺陷位于鑄件內(nèi)部，在動臂機(jī)加工完成后暴露于孔的內(nèi)表面。

1.2 下部斷口

下部斷口整體宏觀形貌類似于上部斷口瞬斷區(qū)，如圖5，整個斷面非常粗糙，屬于超出強(qiáng)度極限的瞬間斷裂。

從反饋的全部故障件信息來看，部分為上下兩部分都已完全斷裂，部分為上部完全斷裂，下部部分?jǐn)嗔选?/p>

綜合以上信息，確定整個斷裂過程為上部斷口先開裂，之后全部載荷由下部斷口承受，超出其正常承載能力，導(dǎo)致斷裂。

2 金相分析

前支座與動臂板材焊接，需要具有良好的焊接性能，碳當(dāng)量不能過高，同時又要承受較大的疲勞載荷，對強(qiáng)度和疲勞性能都有較高的要求。因此選擇了SCW550H這種鑄鋼，其碳含量為0.16～0.21%，并添加了Si、Mn、Mo、Ni等合金元素。

作為亞共析鋼，在正火狀態(tài)下，其正常金相組織應(yīng)為珠光體+鐵素體，晶粒度應(yīng)高于6級，不得有魏氏體、殘余鑄態(tài)組織等不正常的組織。

從斷口附近切割取樣，進(jìn)行金相組織分析，在金相顯微鏡下分別放大100倍（如圖6）和500倍（如圖7），發(fā)現(xiàn)除珠光體和鐵素體，部分區(qū)域還有魏氏組織，同時存在組織不均勻現(xiàn)象。分析其晶粒度，在5級左右。

鑄件中的魏氏組織及粗大的晶粒，是鑄造過程中由于溫度、冷卻速度、鑄件尺寸等一系列因素導(dǎo)致的，是鑄件中的一種常見鑄態(tài)組織，但在熱處理過程中是應(yīng)該要消除魏氏組織并細(xì)化晶粒的。如果熱處理時溫度過高，或冷卻速度過快，會導(dǎo)致無法有效消除魏氏組織。粗大晶粒和魏氏組織的存在導(dǎo)致了鑄件機(jī)械性能顯著下降。

3 化學(xué)成分和機(jī)械性能分析

經(jīng)切樣檢驗(yàn)，其成分合格，機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)及故障件實(shí)測值如表1，其強(qiáng)度和斷面收縮率均不符合標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與措施

鑄件開裂的主要原因在于：

1）前支座鑄件存在縮松、裂紋等缺陷。

縮松位于軸孔孔邊，形成應(yīng)力集中的薄弱點(diǎn)，該部位又屬關(guān)鍵受力部位，在交變載荷作用下裂紋逐漸擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致斷裂。

2）鑄件軸孔部位晶粒粗大且存在殘留魏氏組織。

晶粒粗大并伴隨有魏氏組織導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度降低。在外力作用下易產(chǎn)生裂紋，其根本原因在于鑄件軸孔處厚度尺寸過大、正火時加熱溫度偏差、保溫時間不夠或冷卻速度過快。

針對以上原因，對鑄造和熱處理過程采用如下改進(jìn)措施：

1）對于晶粒和魏氏組織，由于在大壁厚的鑄件中很難避免其出現(xiàn)，主要依靠熱處理消除，消除的效果與溫度控制、鑄件壁厚等強(qiáng)相關(guān)，為避免其在軸孔這種主要受力部位出現(xiàn)，對工藝流程進(jìn)行調(diào)整，先鉆軸孔再進(jìn)行熱處理，使軸孔周圍組織得到改善，晶粒細(xì)化。同時加強(qiáng)對熱處理過程的質(zhì)量管控，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2）對于軸孔周邊缺陷，在軸孔和端面粗加工后，用超聲探傷檢驗(yàn)鑄件探查鑄件內(nèi)部缺陷，用著色探傷的方法探查內(nèi)孔表面缺陷和微裂紋，減少不合格品流通幾率。

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