某30t級挖掘機動臂前支座鑄鋼件失效分析

摘要：針對某30t級挖掘機動臂鑄件前支座在使用過程中發(fā)生多次斷裂失效故障，通過對斷裂前支座的斷口進(jìn)行宏觀分析，結(jié)合對失效鑄鋼件斷口處金相組織、化學(xué)成分及機械性能檢測，確定前支座的斷裂性質(zhì)和原因。經(jīng)過分析能夠確定，此失效故障為典型疲勞斷裂。前支座本體存在疏松裂紋缺陷與熱處理不當(dāng)，造成金相組織存在魏氏組織和晶粒度不合格，是發(fā)生前支座斷裂故障的主要原因。要求供應(yīng)商改進(jìn)鑄造和熱處理工藝，避免出現(xiàn)鑄造縮松、裂紋缺陷和較脆性魏氏體組織，以杜絕該類斷裂失效情況的發(fā)生。改進(jìn)工藝后進(jìn)行后續(xù)跟蹤，再未出現(xiàn)類似斷裂失效故障反饋。

關(guān)鍵詞：挖掘機;前支座;鑄鋼件;斷裂失效

0" "引言

我國城市化進(jìn)程的加快，促進(jìn)了高速公路、鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)及房地產(chǎn)工程的需求不斷加大。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)工程不斷增加，市場對挖掘機的需求也隨之增加。特別是大型挖掘機，由于其挖掘力大、作業(yè)效率高，在大型石場和礦場得到了廣泛應(yīng)用。

大型挖掘機對于結(jié)構(gòu)件的可靠性要求較高，用戶希望結(jié)構(gòu)件在整個生命周期內(nèi)不會發(fā)生斷裂故障，否則會嚴(yán)重影響其二手機的價值。本文針對某30t級挖掘機動臂鑄件前支座在使用過程中發(fā)生多次斷裂失效故障，通過對斷裂前支座的斷口進(jìn)行宏觀分析，結(jié)合對失效件鑄鋼件斷口處金相組織、化學(xué)成分及機械性能檢測，確定前支座的斷裂性質(zhì)和原因。為杜絕該類斷裂失效情況的發(fā)生，要求供應(yīng)商調(diào)整鑄造和熱處理工藝，避免出現(xiàn)鑄造縮松、裂紋缺陷和較脆性魏氏體組織。

1" "挖掘機工作裝置組成及結(jié)構(gòu)特點

挖掘機工作裝置主要由動臂、斗桿、連桿、鏟斗、油缸等組成，如圖1所示。動臂、斗桿是工作裝置的主要受力部件，動臂與斗桿的連接零件為動臂前支座，是挖掘機動臂關(guān)鍵組成部件之一。

前支座的結(jié)構(gòu)形式主要有3種：第一種全部零件為板材，通過焊接制造而成;第二種兩側(cè)的主板由鑄造形成，再與連接板進(jìn)行焊接而成，第三種支座整體通過鑄造而成。國內(nèi)主要的制造廠商和日本的日立建機挖掘機采用第一種結(jié)構(gòu)形式;美國卡特彼勒和日本神鋼建機的中大型挖掘機采用第二種結(jié)構(gòu)形式;日本小松在中大型挖掘機采用第三種結(jié)構(gòu)形式。

在國內(nèi)制造廠商早期產(chǎn)品中，工作裝置的支座主要由板材組焊而成。由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，焊接工藝不能很好控制（過渡不好），產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起支座處受力較大，導(dǎo)致支座產(chǎn)生開裂故障的現(xiàn)象時有發(fā)生。鑒于此，國內(nèi)部分廠家將支座由板焊件直接改為整體鑄鋼件。鑄鋼件是通過模具由鋼水澆鑄而成的，通過模具可做成相應(yīng)結(jié)構(gòu)，可有效避免由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過渡不好等因素導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象。但若鑄鋼件在鑄造過程控制不到位，也會引起支座開裂問題。

2" "動臂前支座開裂失效現(xiàn)象概述

某型30t級挖掘機接連出現(xiàn)數(shù)例鑄造前支座開裂失效現(xiàn)象。開裂失效工作時間在3000h左右，遠(yuǎn)短于設(shè)計壽命，為非正常失效。經(jīng)調(diào)查得知，其作業(yè)工況主要為石山的石料破碎、開挖和裝車。

通過對故障件的初步觀察，發(fā)現(xiàn)這幾次失效故障模式基本一致，開裂部位均在前支座孔的上部。前支座開裂位置見圖2。前支座是挖掘機工作裝置中重要傳力部件，工作中承受著較強的瞬間沖擊載荷，一旦失效，將造成嚴(yán)重后果[1]。本文對其中的一件斷裂前支座進(jìn)行失效分析，以期找出其斷裂的根本原因，從而提高挖掘機結(jié)構(gòu)件可靠性。

3" "前支座材質(zhì)狀況

前支座鑄鋼件生產(chǎn)工藝流程為：造型—熔煉—澆鑄—開箱—清砂—熱處理（正火）—粗加工孔及端面—檢驗—油漆。由圖2可用看出，前支座作為動臂的一部分與動臂板焊接，需要具備良好的焊接性能，碳當(dāng)量不宜過高，否則需要增加預(yù)熱工序。前支座承受較大的工作載荷，對強度和疲勞性能都有較高要求，故前支座材料選用SCW550H鋼。其化學(xué)成分見表1。

碳當(dāng)量計算按如公式（1）計算，取最大值。其機械性能的要求見表2。

Ceq=C+（Mn/6）+（Si/24）+（Ni/40）+（Cr/5）

+（Mo/4）+（V/14）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

表2 中機械性能參數(shù)適應(yīng)于厚度為150mm以下的鑄件。當(dāng)鑄件厚度超過150mm時，表2 中規(guī)定的屈服強度僅供設(shè)計使用。熱處理采用正火，金相組織要求為鐵素體+珠光體，不得有魏氏體、殘余鑄態(tài)組織等不正常的組織，晶粒度等級大于等于6。

4" "前支座開裂原因分析

4.1" "前支座斷口分析

4.1.1" "宏觀分析斷口

由圖2可以看出，前支座軸孔的上方完全斷裂，下方雖然開裂但沒有完全斷裂，由此可以確定整個斷裂過程為上部斷口先開裂，下部斷裂是由上部斷裂后受到非正常力引起的，屬于關(guān)聯(lián)故障，故下方斷裂不再做分析。

前支座斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3斷口宏觀形貌可知，該斷口無明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂[2]。從斷口宏觀形貌可見，斷口上具有3個非常明顯的斷裂特征區(qū)。Ⅰ區(qū)表面比較平坦、光滑、整齊，呈臺階狀，區(qū)域面積較小，可見多條疲勞裂紋線，為多元疲勞源區(qū)[3]。Ⅱ區(qū)較光滑平整，呈“海灘條”，是在荷載作用下，裂紋沿著受力方向緩慢擴展而在斷面上留下的痕跡，區(qū)域面積最大，為擴展區(qū)。Ⅲ區(qū)呈冰糖結(jié)晶形狀，具有較明顯的結(jié)晶狀脆性斷口特征，區(qū)域面積較大，為瞬斷區(qū)。

由斷口整體宏觀形貌可見，前支座斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。在體視顯微鏡下觀察，裂紋源區(qū)還存在縮松缺陷。經(jīng)分析認(rèn)為，產(chǎn)生故障的主要原因是冒口設(shè)計不合理。對于鑄鋼件，冒口的主要作用，是補償金屬在型腔中的液態(tài)收縮和在凝固過程中的收縮，以獲得無縮松的致密鑄件。由于此鑄件的冒口位置、冒口頸部尺寸不能有效促進(jìn)鑄件順序凝固，導(dǎo)致在鑄件較厚的部位產(chǎn)生縮松。前支座斷裂源放大圖如圖4所示。針對此類縮松缺陷，可以通過改變冒口位置，改進(jìn)鉤尾框工藝（冒口頸部長度尺寸）及改進(jìn)鉤體工藝（澆鑄后及時在冒口頂部投放發(fā)熱劑）等措施來進(jìn)行改善[4]。

4.1.2" "金相組織及硬度分析

斷裂位置在前支座孔處，此處設(shè)計安全系數(shù)較大，類似結(jié)構(gòu)的其他產(chǎn)品沒有發(fā)生此類斷裂失效故障。從斷口外貌觀察，懷疑此處金相組織沒有達(dá)到設(shè)計要求。從斷口處下方切割取樣，進(jìn)行金相組織分析。顯微鏡放大100倍下金相狀況如圖5所示。顯微鏡放大500倍下金相狀況如圖6所示。

從圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，其存在羽毛狀的魏氏組織，組織存在不均勻現(xiàn)象，晶粒度等級為5級。鑄件中的魏氏組織及粗大的晶粒，是在鑄造過程中，由于澆鑄溫度、冷卻速度、鑄件尺寸大小等一系列因素造成的，是鑄件中的一種常見組織。在熱處理過程中需要消除魏氏組織并細(xì)化晶粒。如果熱處理時正火溫度過高、冷卻速度過快、保溫時間不夠，會造成魏氏組織無法有效消除，導(dǎo)致動臂前支座的塑性和沖擊韌度顯著降低。

相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定，前支座零件不得有魏氏體、殘余鑄態(tài)組織等不正常的組織，晶粒度等級需大于等于6級。針對此不合格項，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)供方制造此件的正火時間只有2h，遠(yuǎn)低于按照傳統(tǒng)保溫系數(shù)計算的4h，也低于按照正火經(jīng)濟型保溫系數(shù)計算[5]的3h。由于正火保溫時間過短，造成鑄鋼件鑄造過程中殘余的魏氏體組織無法有效消除，也無法細(xì)化晶粒。由于魏氏體組織和晶粒度等級較低，導(dǎo)致鑄鑄鋼件的機械性能大幅下降。

4.1.3" "化學(xué)成分和機械性能分析

從失效件斷口處取樣檢測，其化學(xué)成分合格，機械性能的沖擊功較低，其強度和延伸率均低于標(biāo)準(zhǔn)值，機械性能不滿足要求。分析認(rèn)為主要原因為熱處理不合理。機械性能檢測見表3。

4.2" "前支座失效機理分析

分析認(rèn)為，鑄鋼件前支座鑄造時產(chǎn)生縮松、裂紋等缺陷，其中縮松、裂紋剛好位于軸孔孔邊，形成應(yīng)力集中，成為薄弱點。該部位屬于動臂十分關(guān)鍵的受力部位，會承載較大的交變載荷，在交變載荷作用下形成斷裂源，是斷裂的主要原因。由于正火熱處理加熱溫度過高、保溫時間不夠、冷卻速度過快，導(dǎo)致魏氏組織未能有效消除，致使晶粒粗大，使塑性和沖擊韌度顯著降低，最終發(fā)生斷裂。

4.3" "斷裂結(jié)論

綜合以上調(diào)查，確定前支座軸孔處斷裂為疲勞斷裂。其原因有2點：一是鑄造工藝不當(dāng)，二是熱處理工藝不當(dāng)。

4.3.1" "鑄造工藝不當(dāng)

由于冒口頸部長度尺寸偏小，位置不當(dāng)，冷卻速度過快，使鑄鋼件前支座在鑄造時在壁厚較厚的軸孔處產(chǎn)生縮松、裂紋等缺陷。由于沒有在該處進(jìn)行檢測，造成有缺陷的產(chǎn)品裝配到動臂成品中。該部位屬動臂十分關(guān)鍵的受力部位，在交變載荷作用下形成疲勞斷裂。

4.3.2" "熱處理工藝不當(dāng)

由于故障部位厚度尺寸較大，正火保溫時間不夠，導(dǎo)致魏氏組織未能有效消除，致使晶粒粗大，塑性和沖擊韌度顯著降低，最終發(fā)生斷裂。

5" "改進(jìn)措施與效果

5.1" "對于軸孔周邊縮松、裂紋缺陷

對于軸孔周邊縮松、裂紋缺陷，調(diào)整冒口位置和加長冒口頸部長度尺寸，澆鑄后及時在冒口頂部投放發(fā)熱劑。降低前支座主要受力位置出現(xiàn)鑄造缺陷的概率。在軸孔和端面粗加工后，每件用超聲探傷檢測前支座重要部位的內(nèi)部缺陷，用磁粉探傷檢測內(nèi)孔表面缺陷和微裂紋。

5.2" "對于晶粒粗大和魏氏組織

對于晶粒粗大和魏氏組織，正火保溫時間由原2h改為按照正火經(jīng)濟型保溫系數(shù)計算的3h。鑒于故障處壁較厚，調(diào)整鑄鋼件生產(chǎn)工藝流程為造型—熔煉—澆鑄—開箱—清砂—粗加工孔及端面—熱處理（正火）—檢驗，先初加工軸孔后再進(jìn)行熱處理，降低孔處的壁厚，大幅改善軸孔周圍組織，使晶粒細(xì)化。同時加強對熱處理過程的質(zhì)量監(jiān)控，保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

5.3" "改進(jìn)效果

改進(jìn)后，對前支座樣件本體的化學(xué)成分、機械性能、金相組織等進(jìn)行檢驗，檢測結(jié)果都滿足動臂前支座技術(shù)要求。經(jīng)批量裝機市場跟蹤，挖掘機工作時間8000h未見一例斷裂失效反饋。

參考文獻(xiàn)

[1] 蒙秋紅，鄧穎章，張麗.某型20t級挖掘機軸座斷裂失效分析與改進(jìn).工程機械，2011（11）：57- 59.

[2] 張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[3] 崔約賢，王長利.金屬斷口分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4] 陳雪松.高強度鑄鋼件冒口根部裂紋缺陷的分析及對策.2017"（第27屆）重慶市鑄造年會暨第十一屆全國鑄件挽救工程技術(shù)交流會論文集.重慶市機械工程學(xué)會鑄造分會會議論文集

[5] 李文輝，馬進(jìn)，馮周榮，等.大型鑄件正火保溫時間的研究.第

十七屆中國鑄造協(xié)會年會論文集.