装载机铲斗刀板断裂原因分析

刘祖强,刘毅敏,廖桓萱

(广西柳州钢铁集团公司技术中心,广西柳州5450021)

装载机铲斗刀板断裂原因分析

刘祖强,刘毅敏,廖桓萱

(广西柳州钢铁集团公司技术中心,广西柳州5450021)

通过对断口形貌、化学成分、金相组织、扫描电镜、冲击韧性、硬度等理化检验和分析,最终确定了装载机铲齿与刀板连接处的焊接薄弱区是刀板断裂的裂纹源,断裂刀板硬度和冲击性能不符合要求,显著降低了刀板的使用寿命。

装载机;铲斗刀板;断裂;理化检验

1　引言

装载机的铲斗刀板在装载作业中直接与物料接触,主要承受摩擦力及冲击力的共同作用,容易产生磨损,因而要求刀板材料既要有较高的强度、韧性和耐磨性,从装配要求来看,还要有较高的可焊性[1]。某用户使用某工程机械公司生产的装载机进行铲掘作业,铲斗刀板在达到预期使用寿命10%时出现开裂,用户拒绝使用。为了解装载机铲斗刀板开裂产生原因,对断裂刀板进行了化学成分、金相组织、扫描电镜、冲击韧性、硬度等理化检验和分析。

2　理化检验

2.1宏观形貌观察

刀板从靠近铲齿角部处发生断裂,裂纹平直且贯穿刀板整个截面,在扩展过程中无次生裂纹产生(见图1)。

图1　刀板裂纹宏观形貌

2.2超声波探伤

用CTS-4020超声检测仪对整个刀板表面进行扫查,结果显示刀板内部质量较好,未发现裂纹、白点、缩孔等冶金缺陷,主裂纹两侧无次生裂纹的扩展。

2.3断口分析

利用机械切割方法打开裂纹,裂纹截面平齐,无明显塑性变形特征(见图2a),断裂面已被腐蚀和污染,局部存在凹坑。利用自制电解腐蚀装置清除断裂面铁锈,酸液成分是体积分数为17%的工业盐酸水溶液,使用电流为380 A,电蚀时间为15 min,电蚀后的断口形貌(见图2b),断口局部位置放大形貌见图2c。刀板表面未见结疤、裂纹等缺陷,断裂分为裂纹源、放射区、剪切唇三个区域,裂纹源位于凹坑位置。

2.4低倍

为确定裂纹源附近刀板内部质量,在断口凹坑附近截取断裂工件全截面低倍试样,试样磨面平行于断口面,经体积分数比为50%的盐酸水溶液热浸蚀,发现裂纹源附近截面内部质量较好,未见大型夹渣或夹杂、孔洞、裂纹、翻皮、白点等缺陷,中心偏析和中心疏松轻微,钢质较好(见图3)。

图2　断口形貌

图3　裂纹源附近截面低倍形貌

2.5电镜扫描

采用EVO18型扫描电镜对断口裂纹源进行观察,裂纹源附近未见异常损伤,断口呈现韧窝和准解理特征,起裂点位于刀板近表面,且未见大型夹渣或夹杂掉落的痕迹,(见图4)。

2.6金相

(1)裂纹源金相检验。在凹坑位置切取小块试样,利用ZEISSA1m型金相显微镜观察裂纹源处非金属夹杂物情况和金相组织特征。试样经体积分数为4%硝酸酒精腐蚀后宏观形貌(见图5a),裂纹源处夹杂物按GB/ T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行评定级别为A0、B0、C0、D1.0、DS0.5,钢质纯净,试样经腐蚀后局部组织存在较大差异。经观察,异常组织出现位置位于刀板与铲齿焊缝连接处,具有典型的焊缝区、熔合区、热影响区特征,组织以块状、柱状分布的铁素体+贝氏体为主,存在部分板条状马氏体,而刀板母材组织以块状铁素体、贝氏体和珠光体为主,存在少量的魏氏组织(见图5b～图5e)。

图4　裂纹电镜扫描形貌

图5　裂纹源金相组织形貌

(2)正常位置金相检验。在裂纹源附近截取正常位置金相试样,观察金相组织形貌。试样截面未发现大型夹杂物、裂纹等缺陷,表面组织以马氏体为主,存在较多的网状、半网状分布的铁素体组织,铁素体的数量沿着厚度方向不断增多,至刀板厚度四分之一处,已出现大量的块状珠光体(见图6)。

图6　正常位置金相组织形貌

2.7化学成分

利用直读光谱仪分析断裂刀板化学成分。断裂刀板主要元素化学成分符合要求值,且P、S残余元素含量较低(见表1)。

2.8冲击

为确定刀板在使用环境下对外加冲击负荷的抵抗能力,在刀板表面、1/4、中心分别截取冲击试样,进行常温冲击检验。冲击值远低于要求值(见表2)。

表1　刀板化学成分wt(%)

表2　冲击试验结果AKV2(J)

2.9硬度

刀板要求表面硬度(HRC)值35～40,距表面10mm处硬度(HRC)值≥30,中心硬度(HRC)值为24～30。为确定刀板厚度方向硬度分布情况,截取刀板硬度试样进行洛氏硬度检验。从结果可知,刀板硬度值不符合内控要求,表面5 mm以下硬度均低于要求值,且刀板两表面硬度分布不均匀(见图7)。

图7　刀板厚度方向硬度分布情况

3　原因分析

文献[2]指出:装载机主刀板的断裂情况都是从焊接热影响区和铸造缺陷区开始的,在主刀板使用过程中,常会从这些薄弱区域开始断裂,然后迅速扩展,造成主刀板断裂。

本次断裂刀板化学成分符合设计要求;经超声波和低倍检验,刀板内部及表面未发现异常机械损伤、大型夹杂或夹渣、裂纹、孔洞等缺陷;经金相检验,刀板非金属夹杂物含量低,钢质纯净。由此可见,刀板表面及内部冶金质量较好,不足以形成影响断裂的薄弱区。

本次断裂刀板断口形貌呈典型的人字形特征,人字形尖端指向裂纹源[3],从而确定此次失效断裂的裂纹源在断口凹坑处,凹坑处组织具有焊缝区、熔合区、热影响区特征,为典型的焊接组织形貌,凹坑位置也位于刀板与铲齿焊接处;通过电镜观察,凹坑处未发现异常机械损伤、大型夹杂或夹渣、裂纹、孔洞等缺陷。由此可见,焊接薄弱区域是刀板断裂的裂纹源。文献[2]指出:因工作效率、场地等因素的影响,刀板焊接时预热温度不够、焊后保温时间短或热输入量过大等焊接工艺参数和措施不到位是产生焊接薄弱区域的主要原因。

刀板在加工为成品前经过了淬火+低温回火的热处理过程,正常情况下金相组织以马氏体和贝氏体为主,含有少量的铁素体和珠光体组织。但是,本次断裂刀板截面组织以铁素体和珠光体为主,淬硬组织偏少,而马氏体和贝氏体的硬度明显高于珠光体和铁素体[4]。从而造成刀板截面多处硬度不符合内控要求。由此可见,断裂刀板热处理工艺控制不当造成了刀板淬透性差。一般认为材料硬度越高越耐磨[5]。本次断裂刀板硬度偏低,其耐磨性和使用寿命均会显著降低。

从以上分析可知:装载机在作业过程中,刀板将承受较大的冲击载荷,如果铲齿与刀板焊接处存在薄弱区域,就会产生应力集中形成裂纹源。由于刀板冲击性能偏低,韧性较差,一旦形成裂纹源后,在外力的作用下,裂纹易急剧扩展,在硬度偏低、耐磨性降低的综合作用下,刀板使用寿命降低,从而过早发生断裂。

4　结语

(1)装载机刀板表面及内部冶金质量较好,钢质纯净,不足以形成影响断裂的薄弱区。

(2)装载机铲齿与刀板连接处的焊接薄弱区是刀板断裂的裂纹源。

(3)断裂刀板热处理工艺控制不当造成刀板硬度和冲击性能不符合内控要求,显著降低了刀板的使用寿命。

[1] 赵士善,夏兆沂.铲斗刀板常用材料性能分析[J].工程机械,2003(3):33-35.

[2] 范存超,丁争玉.堆焊在装载机主刀板上的应用[J].热加工,2007(3):52-53.

[3] 上海交通大学金属断口分析编写小组.金属断口分析[M].北京:国防工业出版社,1979: 22-23.

[4] 宋维锡.金属学[M].北京:冶金工业出版社, 1989.276-277.

[5] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,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

刘祖强,工程师,主要从事金属材料分析与研究工作。