某混凝土攪拌機(jī)葉片的失效分析及改進(jìn)

吳福龍，翟 博，劉愿成

（兵器工業(yè)西北地區(qū)理化檢測中心，陜西 西安 710043）

0 引言

混凝土攪拌機(jī)是把水泥、砂石骨料和水混合并拌制成均勻混合物的機(jī)械設(shè)備。因其具有生產(chǎn)率高，攪拌質(zhì)量好[1]等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于橋梁、道路、港口等建筑行業(yè)。該設(shè)備主要由攪拌筒體、加料和卸料機(jī)構(gòu)、供水系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)、機(jī)架和支承裝置等組成。其中攪拌機(jī)構(gòu)包括攪拌主軸、攪拌臂及攪拌葉片，而攪拌葉片作為攪拌機(jī)構(gòu)內(nèi)最核心的部件，其失效直接影響整機(jī)的攪拌質(zhì)量與效率[2]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計[3]，攪拌機(jī)葉片的失效模式主要有磨損、斷裂及變形，其中磨損失效所占比例最高。近年來隨著攪拌機(jī)葉片的創(chuàng)新發(fā)展[4]，葉片的耐磨性及使用壽命均大幅提高，葉片斷裂等其他失效形式已較少見。然而斷裂失效卻是機(jī)械裝備中危害最大的一種形式，其一旦發(fā)生，往往會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此研究攪拌機(jī)葉片的斷裂原因?qū)μ岣邤嚢栀|(zhì)量和效率以及預(yù)防同類失效事件再次發(fā)生均有重要意義。

某公司生產(chǎn)的某型號混凝土攪拌機(jī)在服役期間，攪拌葉片發(fā)生早期斷裂失效現(xiàn)象。該型號混凝土攪拌機(jī)葉片的材料牌號為BTMCr20，主要工藝流程為：砂型鑄造→硬化處理（1000 ℃保溫2 h 風(fēng)冷淬火）→低溫回火（260 ℃保溫3 h）→表面處理→成品。通過化學(xué)成分檢測、力學(xué)性能檢測、金相分析及斷口分析等方法，對該攪拌機(jī)葉片發(fā)生早期斷裂失效的原因進(jìn)行了分析和討論，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀分析

該斷裂葉片宏觀形貌如圖1 所示。裂紋從葉片根部左側(cè)加強(qiáng)筋處起裂，并斜向上穿過螺孔沿著與葉片水平方向約呈45°夾角的方向擴(kuò)展，最終貫穿整個葉片。圖2 為葉片斷口宏觀形貌，斷口起裂源區(qū)存在目視可見的疏松、縮孔等鑄造缺陷，斷口擴(kuò)展區(qū)可見金屬光澤的結(jié)晶顆粒，整個斷口較平齊，無明顯塑性變形，斷口邊緣亦無剪切唇，符合典型的脆性斷口[5]特征。

圖1 斷裂葉片宏觀形貌

圖2 葉片斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分檢測

在斷裂葉片上截取化學(xué)成分試樣，參照GB/T8263-2010《抗磨白口鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)，使用布魯克Q4 TASMAN 型全譜直讀光譜儀對斷裂葉片進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1，通過對比可知，斷裂葉片C 元素含量略微超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，其余各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)中BTMCr20 高鉻鑄鐵成分的技術(shù)要求。

表1 斷裂葉片的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3 力學(xué)性能檢測

對斷裂葉片取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，參照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》制成10 mm × 10 mm × 55 mm 的無缺口沖擊試樣，隨機(jī)選取若干沖擊后的試樣測試洛氏硬度，彎曲試樣根據(jù)GB/T 232-2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》制備。測試結(jié)果均取平均值，具體結(jié)果見表2，可見斷裂葉片的洛氏硬度滿足技術(shù)要求，而抗彎強(qiáng)度及沖擊吸收能量則遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的最低值，葉片韌性較差，表現(xiàn)為硬且脆的特征，其力學(xué)性能未達(dá)到JB/T11858-2014《建筑施工機(jī)械與設(shè)備混凝土攪拌機(jī)葉片和襯板》的技術(shù)要求。

表2 斷裂葉片力學(xué)性能

1.4 金相分析

在葉片斷口附近取樣并磨制金相試樣，用4%硝酸酒精溶液浸蝕試樣，然后將其置于DMI 3000 型金相顯微鏡下觀察分析，斷裂葉片顯微組織如圖3 所示，其中呈粗大白色板條狀及菱形、六角形分布的為初晶碳化物，呈白色針狀及小塊狀分布的為共晶碳化物，淺灰色基體組織為回火馬氏體和殘余奧氏體。放大觀察可見菱形及六角形的初晶碳化物為粗大板條碳化物的橫斷面，在初晶碳化物上有小孔洞和細(xì)小微裂紋，在部分小孔洞內(nèi)充滿了金屬。

圖3 斷裂葉片顯微組織

1.5 斷口微觀分析

在失效葉片上截取斷口試樣，用超聲波儀和丙酮清洗后將其置于Quanta 400 型掃描電鏡下觀察分析，低倍下可見斷面上有較多疏松、縮孔及微裂紋，大量板條狀初晶碳化物相互交錯分布，如圖4 所示。高倍下可見斷口呈解理形貌，碳化物呈粗大板條狀，由于該類碳化物屬于硬脆相，對裂紋擴(kuò)展阻力較小，導(dǎo)致裂紋容易穿過碳化物繼續(xù)擴(kuò)展，由圖5 可見，粗大板條碳化物心部已開裂。斷口整體較平齊，無明顯屈服現(xiàn)象，微觀呈解理斷裂，表明該斷口符合典型的穿晶脆性斷裂特征。

圖4 葉片斷口低倍形貌

2 分析與討論

根據(jù)上述分析可知，斷裂葉片起裂源區(qū)存在疏松、縮孔等鑄造缺陷，這是因?yàn)槿~片加強(qiáng)筋處尺寸較厚，鑄件在凝固期間補(bǔ)縮不良導(dǎo)致其在最后凝固部位形成了縮孔。而鑄件內(nèi)部若存在較多疏松及縮孔缺陷，將會嚴(yán)重削弱基體組織的連續(xù)性，并且該類缺陷會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此在沖擊載荷的作用下，葉片容易在缺陷處萌生裂紋。而粗大板條狀碳化物屬于硬脆相，對裂紋擴(kuò)展阻力較小，導(dǎo)致裂紋容易穿過碳化物繼續(xù)擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)微觀呈解理形貌，斷面較粗糙也表明裂紋擴(kuò)展速度較快，該情況符合脆性斷裂無明顯征兆，突然發(fā)生，快速斷裂的特點(diǎn)。

化學(xué)成分檢測結(jié)果表明，該斷裂葉片C 元素含量超標(biāo)，其余各元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。BTMCr20 屬于一種含C 高，以Cr 為主要合金元素的亞共晶白口鑄鐵。研究表明，該種合金的共晶碳量在3.3%左右[6]。Cr 是這種白口鑄鐵的主要組成元素，其一部分與C形成碳化物，另一部分溶解于奧氏體基體中起提高合金淬透性的作用。增加Cr 含量可提高鑄件的抗磨性能，因此工程上通常先確定材料的含鉻量，然后再相應(yīng)地確定含碳量，此時應(yīng)遵循的原則是碳量必須低于共晶成分值。而該斷裂葉片的C 元素含量超過共晶成分值，這將導(dǎo)致葉片組織易產(chǎn)生粗大板條狀碳化物。因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中，凝固條件下的冷卻速度較快，碳量過高即會出現(xiàn)此類缺陷。而這點(diǎn)也在金相組織檢測中得到驗(yàn)證，因此在鑄造過程中應(yīng)嚴(yán)格控制C 含量，以避免此類缺陷產(chǎn)生。

結(jié)果表明，斷裂葉片顯微組織不均勻，基體上存在大量白色板條狀及菱形、六角形分布的初晶碳化物，根據(jù)碳化物形貌及文獻(xiàn)資料[7]可知該類初晶碳化物的結(jié)構(gòu)屬于M23C6 型，通常以粗大板條形態(tài)分布在高鉻鑄鐵的基體中，其尖銳的棱角對基體的割裂作用較大，嚴(yán)重降低了材料的韌性。而這與葉片力學(xué)性能檢測結(jié)果相一致，雖然斷裂葉片的硬度滿足技術(shù)指標(biāo)，但其沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。因此當(dāng)葉片受到?jīng)_擊載荷時，由于其韌性較差而容易發(fā)生脆性斷裂失效。研究表明[8]，適當(dāng)提高淬火溫度可增加高鉻鑄鐵基體中碳化物的溶解，使初晶碳化物尖角變圓，尺寸變小。而葉片金相組織顯示初晶碳化物的形態(tài)未能得到改善并且內(nèi)部有微裂紋，這說明葉片的熱處理工藝不當(dāng)。通過對該葉片相關(guān)制造工藝調(diào)查可知，該批次葉片熱處理生產(chǎn)正值寒冷的冬季，由于環(huán)境溫度較低，導(dǎo)致葉片實(shí)際淬火溫度下降，而該牌號高鉻鑄鐵的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度較低，Ms 點(diǎn)溫度在200 ℃左右，葉片在此溫度段迅速吹風(fēng)冷卻，會導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快，產(chǎn)生極大的內(nèi)部應(yīng)力，從而造成葉片組織出現(xiàn)微裂紋。因此熱處理過程中應(yīng)嚴(yán)格控制淬火冷卻速度，以避免產(chǎn)生裂紋缺陷。

3 改進(jìn)措施及效果

根據(jù)上述分析與討論的結(jié)果，結(jié)合攪拌機(jī)葉片缺陷產(chǎn)生的原因，分別對葉片的鑄造工藝及熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。具體措施為：（1）鑄造過程中嚴(yán)格控制碳含量不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，并在葉片根部尺寸較厚的加強(qiáng)筋處分別設(shè)置2 個易切割的發(fā)熱冒口以加強(qiáng)補(bǔ)縮，防止該位置產(chǎn)生疏松和縮孔缺陷。（2）將硬化處理工藝中的淬火溫度提高到1030 ℃，回火溫度提高到350 ℃，并采用風(fēng)淬熱處理自動控制裝置對其進(jìn)行吹風(fēng)冷卻。該裝置由紅外在線測溫儀、觸摸顯示屏、PLC（可編程邏輯控制器）、變頻器及風(fēng)機(jī)組成，其中紅外在線測溫儀可實(shí)時監(jiān)測鑄造葉片表面溫度和周圍環(huán)境溫度，反饋模擬信號至PLC 裝置，經(jīng)PLC 程序模擬及數(shù)據(jù)對比，自動控制變頻器以不同頻率輸出電源調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并將檢測溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率及轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)在觸摸屏實(shí)時顯示。該裝置的關(guān)鍵點(diǎn)在于對鑄造葉片低溫冷卻階段風(fēng)速的嚴(yán)格控制，當(dāng)鑄造葉片表面溫度為180 ～250 ℃時，變頻器輸出頻率為20 Hz，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min，此階段冷卻速率小于0.05 ℃/s 時，則增加變頻器輸出頻率至1.3 倍。若冷卻速率大于0.2 ℃/s 時，則間歇性啟動風(fēng)機(jī)電機(jī)，開啟和停止的間歇時間為30 s。當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃并且鑄造葉片溫度在180 ℃以下時，變頻器不工作，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0。通過該裝置可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制鑄造葉片不同溫度階段的冷速大小，以保證達(dá)到最佳的冷卻速度，減小環(huán)境溫度對鑄造葉片熱處理冷卻階段工藝的影響。

對改進(jìn)后的葉片進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，圖6 為改進(jìn)后葉片金相組織，與舊斷裂葉片相比，新葉片顯微組織中的初晶碳化物及共晶碳化物呈細(xì)小的粒狀和塊狀分布，碳化物邊界圓鈍，并彌散分布在基體上，這些組織特點(diǎn)使葉片的韌性得到顯著提升。圖7 為改進(jìn)后葉片沖擊斷口形貌，可見斷口以準(zhǔn)解理形貌為主，有少量韌窩形貌，斷面上未發(fā)現(xiàn)疏松、縮孔及裂紋缺陷，這說明改進(jìn)措施取得較好的實(shí)際效果，避免了缺陷的產(chǎn)生。而力學(xué)性能檢測結(jié)果顯示改進(jìn)后葉片的平均硬度為60HRC，抗彎強(qiáng)度為821 MPa，沖擊吸收能量為6.3J。該力學(xué)性能結(jié)果完全滿足混凝土攪拌機(jī)葉片的技術(shù)要求。

圖7 改進(jìn)后葉片沖擊斷口形貌

4 結(jié)論

（1）該混凝土攪拌機(jī)葉片的失效模式為穿晶脆性斷裂，造成其斷裂的主要原因是葉片內(nèi)部存在大量疏松、縮孔及粗大板條狀碳化物等缺陷。這些缺陷嚴(yán)重削弱了基體組織的連續(xù)性，造成葉片韌性較差，在沖擊載荷的作用下，疏松、縮孔處容易萌生裂紋，而粗大板條狀碳化物表現(xiàn)為硬而脆的特征，無法抑制裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片在砂石骨料的沖擊下發(fā)生脆性斷裂。

（2）通過嚴(yán)格控制攪拌機(jī)葉片鑄造過程中的碳含量，并在葉片根部設(shè)置發(fā)熱冒口，可有效避免疏松、縮孔等鑄造缺陷的產(chǎn)生。

（3）通過調(diào)整攪拌機(jī)葉片的熱處理工藝并采用風(fēng)淬熱處理自動控制裝置進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，改善了葉片顯微組織中碳化物的形態(tài)，使其邊界圓鈍彌散分布。這些措施可大幅度提高葉片的韌性。力學(xué)性能檢測結(jié)果表明，改進(jìn)后的葉片各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足混凝土攪拌機(jī)葉片的技術(shù)要求。