挖掘机铸件支座断裂故障分析

程盼 张海燕

摘 要：某型号挖掘机在使用过程中多次出现动臂前支座铸件断裂。为查明原因，对故障件进行切割取样分析。对断口形貌进行宏观分析并在光学显微镜下观察，发现故障为典型疲劳断裂，裂纹起源于铸造缺陷處。对铸件力学性能进行分析，发现强度和断面收缩率不达标。在断口附近取金相样，分析表明金相组织和晶粒度不合格，晶粒较大且存在残留魏氏组织。最终认定铸件重要受力部位晶粒度不合格且存在魏氏组织导致机械性能下降是根本原因，铸件存在缩松缺陷是引起开裂的直接原因。

关键词：挖掘机;铸件;断裂

动臂是挖掘机的重要组成部件，其与斗杆、铲斗一起组成挖掘机的工作装置（如图1），直接执行挖掘机的作业动作，并承受来自作业对象的各种复杂载荷。在作业过程中根据工况的不同，动臂主要承受来自斗杆、动臂油缸、斗杆油缸的循环载荷和冲击载荷，其中以斗杆对动臂的载荷最大、冲击最明显。前支座作为动臂与斗杆铰接的部件，直接承受来自斗杆的载荷，极易发生故障，某型号挖掘机在市场上多次开裂，时间从3000到8000小时不等，使用工况包括装车、破碎等。经初步了解，几起故障的模式高度一致，均发生在前支座销孔处，铸件支座沿销孔径向开裂，部分故障件已完全断裂。为明确开裂原因，选择其中一间故障件返件进行解剖分析。

1 断口宏观分析

通过线切割方式切取两个断口面，位置如图2，获得上、下部两个断口，采用目视、光学显微镜分析的方式分别对两个断口进行检查。

1.1 上部断口

对上部断口进行宏观分析，如图3，目视观察断面呈现显著的疲劳扩展特征，疲劳弧线的收敛处即为起裂源，位于支座销轴孔内侧棱边位置。裂纹从起裂源开始，向纵深扩展，形成形态规则的弧线形扩展区，开裂面积扩展至总面积约三分之二时，直接断裂，形成外观粗糙的瞬断区。

在光学显微镜下观察断口起裂源区域，如图4，起裂源处存在明显铸造缩松缺陷，此处位于轴孔内侧，属于重要承载区域，在整机工作过程中会受到斗杆通过销轴传递过来的循环拉力，拉力在动臂支座上产生交变应力。由于缩松缺陷的存在，在交变应力的作用下，裂纹在此处产生并持续扩展至发生瞬断。

从动臂的整个生产过程分析，铸件由供应商生产，其生产工艺为：造型—>熔炼—>浇铸—>热处理（正火）—>粗加工孔及端面—>检验，动臂生产工艺为：拼搭—>焊接—>机加工—>抛丸—>油漆，其中机加工会对支座孔进行精镗和刮端面。此处缺陷产生于铸造过程中，在动臂整体进行精加工（精镗轴座孔、刮端面）之前，此缺陷位于铸件内部，在动臂机加工完成后暴露于孔的内表面。

1.2 下部断口

下部断口整体宏观形貌类似于上部断口瞬断区，如图5，整个断面非常粗糙，属于超出强度极限的瞬间断裂。

从反馈的全部故障件信息来看，部分为上下两部分都已完全断裂，部分为上部完全断裂，下部部分断裂。

综合以上信息，确定整个断裂过程为上部断口先开裂，之后全部载荷由下部断口承受，超出其正常承载能力，导致断裂。

2 金相分析

前支座与动臂板材焊接，需要具有良好的焊接性能，碳当量不能过高，同时又要承受较大的疲劳载荷，对强度和疲劳性能都有较高的要求。因此选择了SCW550H这种铸钢，其碳含量为0.16～0.21%，并添加了Si、Mn、Mo、Ni等合金元素。

作为亚共析钢，在正火状态下，其正常金相组织应为珠光体+铁素体，晶粒度应高于6级，不得有魏氏体、残余铸态组织等不正常的组织。

从断口附近切割取样，进行金相组织分析，在金相显微镜下分别放大100倍（如图6）和500倍（如图7），发现除珠光体和铁素体，部分区域还有魏氏组织，同时存在组织不均匀现象。分析其晶粒度，在5级左右。

铸件中的魏氏组织及粗大的晶粒，是铸造过程中由于温度、冷却速度、铸件尺寸等一系列因素导致的，是铸件中的一种常见铸态组织，但在热处理过程中是应该要消除魏氏组织并细化晶粒的。如果热处理时温度过高，或冷却速度过快，会导致无法有效消除魏氏组织。粗大晶粒和魏氏组织的存在导致了铸件机械性能显著下降。

3 化学成分和机械性能分析

经切样检验，其成分合格，机械性能标准及故障件实测值如表1，其强度和断面收缩率均不符合标准。

4 结论与措施

铸件开裂的主要原因在于：

1）前支座铸件存在缩松、裂纹等缺陷。

缩松位于轴孔孔边，形成应力集中的薄弱点，该部位又属关键受力部位，在交变载荷作用下裂纹逐渐扩展，并最终导致断裂。

2）铸件轴孔部位晶粒粗大且存在残留魏氏组织。

晶粒粗大并伴随有魏氏组织导致强度、塑性和冲击韧度降低。在外力作用下易产生裂纹，其根本原因在于铸件轴孔处厚度尺寸过大、正火时加热温度偏差、保温时间不够或冷却速度过快。

针对以上原因，对铸造和热处理过程采用如下改进措施：

1）对于晶粒和魏氏组织，由于在大壁厚的铸件中很难避免其出现，主要依靠热处理消除，消除的效果与温度控制、铸件壁厚等强相关，为避免其在轴孔这种主要受力部位出现，对工艺流程进行调整，先钻轴孔再进行热处理，使轴孔周围组织得到改善，晶粒细化。同时加强对热处理过程的质量管控，保证产品质量。

2）对于轴孔周边缺陷，在轴孔和端面粗加工后，用超声探伤检验铸件探查铸件内部缺陷，用着色探伤的方法探查内孔表面缺陷和微裂纹，减少不合格品流通几率。

参考文献：

[1]李炯辉，林德成.金属材料金相图谱.2006.7.

[2]王荣.失效分析应用技术.2019.4.

[3]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.2013.11.