挖掘機斗齒是挖掘機上的重要部件,也是易損件,是由齒座和齒尖組成的組合斗齒,二者靠銷軸連接。由于斗齒磨損失效部分是齒尖,只要更換具尖即可。一臺露天挖掘機斗齒在使用過程中由于嚴重磨損而早期失效,針對該批斗齒,分析了斗齒表面的失效形式和失效原因,并提出了改進措施。
1失效形式
斗齒在不同的工作條件下服役受到不同程度的磨損和沖擊而發(fā)生不同程度、不同形式的失效。該斗齒在正常工作條件下僅使用3天(大約36h左右)便失效,無論從經(jīng)濟角度還是從使用角度,都不合乎要求。從該批失效件的宏觀照片可見,斗齒前工作表面有較明顯的犁溝狀劃痕,尖部有少量的塑性變形,沒有裂紋,前工作面(與地面接觸的面)最薄,約4mm,后工作面約為8mm。
2分析與討論
(1)受力分析斗齒工作面與被挖掘物相接觸,在一個完整的挖掘過程中不同的工作階段其受力情況不同。齒尖部位首先接觸物料表面時,由于速度較快,斗齒尖部分受到較強烈的沖擊。若斗齒的屈服強度低,將會在尖部產(chǎn)生塑性變形。隨著挖掘深度的加大,斗齒受力情況會有所改變。當斗齒切割物料時,斗齒與物料發(fā)生相對運動,在表面產(chǎn)生很大的正擠壓力,從而在斗齒工作面和物料之間產(chǎn)生較大的摩擦力。如果物料為較硬的巖石塊、混凝土等,摩擦力將是很大的。這個過程反復(fù)作用的結(jié)果在斗齒工作面產(chǎn)生不同程度的表面磨損,進而產(chǎn)生深度較大的犁溝。前工作面的正壓力明顯大于后工作面,前工作面磨損嚴重,可以判斷出正壓力和摩擦力是斗齒失效的主要外部力學(xué)因素,在失效產(chǎn)生的過程中起主要作用。
(2)工藝分析分別從前、后工作面各取兩個試樣,磨平進行硬度測試。發(fā)現(xiàn)同一塊試樣上硬度差別很大,初步判斷是材質(zhì)不均勻。將試樣進行磨制、拋光、腐蝕,發(fā)現(xiàn)每件試樣上都存在明顯界線,只是界線部位不同。從宏觀看,周圍呈淺灰色,中間部分顏色較暗,說明該件很可能是鑲鑄件,從表面上看,被包圍起來的部分也應(yīng)該是鑲塊。在HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計和MHV-2000數(shù)顯顯微硬度計上對界線兩側(cè)分別進行硬度測試,發(fā)現(xiàn)差別明顯。通過以上分析證實該斗齒是鑲塊結(jié)構(gòu)。其中封閉部分是鑲塊,周圍部分是基體。二者的成分接近,以Cr、Mn、Si等元素進行合金化,其主要合金成分(質(zhì)量分數(shù),%)為0.38C、0.91Cr、0.83Mn、0.92Si。金屬材料的力學(xué)性能取決于材料的成分及熱處理工藝。成分相近而硬度存在差異,說明斗齒在鑄造后沒有經(jīng)過熱處理即投入使用。后面的組織觀察也證明了這一點。
(3)組織分析金相觀察表明,基體主要是黑色細片狀組織。鑲塊組織由白色塊狀和黑色細片兩部分組成,且遠離截面區(qū)域白色塊狀組織較多。進一步的顯微硬度試驗證明,白色塊狀組織為鐵素體,黑色細片狀組織為屈氏體或屈氏體和珠光體的混合組織。鑲塊中大塊鐵素體的形成與焊接熱影響區(qū)中部分相變區(qū)的形成類似。受鑄造過程中金屬液熱作用,該區(qū)域處于奧氏體和鐵素體兩相區(qū),在該區(qū)域鐵素體充分長大,其組織形態(tài)保持到室溫。由于斗齒壁比較薄,且鑲塊體積較大,鑲塊中心部分溫度低,沒有形成大塊鐵素體。
(4)性能分析通過在MLD-10磨損試驗機上的磨損試驗表明,基體和鑲塊在小沖擊磨粒磨損試驗條件下的耐磨性均比淬火45鋼好。同時基體和鑲塊的耐磨性存在差異,基體比鑲塊耐磨。基體和鑲塊兩側(cè)的成分接近,可見斗齒中鑲塊主要是起到冷鐵的作用。在鑄造過程中細化基體晶粒,提高其強度和耐磨性。由于鑲塊受鑄造熱的影響產(chǎn)生類似焊接熱影響區(qū)的組織,沒有起到增強耐磨性的作用。若在鑄造后進行適當?shù)臒崽幚硪愿纳苹w及鑲塊的組織,將明顯提高斗齒的耐磨性和使用壽命。
3結(jié)論
(1)該斗齒材料為低合金耐磨鋼,用于斗齒是比較合適的。但由于沒有經(jīng)過必要的熱處理,斗齒組織不均勻,鑲塊沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用,斗齒的整體耐磨性差,導(dǎo)致早期失效。
(2)建議鑄造成型后,對鑄件進行適當?shù)恼?,以改善組織和性能,提高使用壽命。對鑄件進行合理的熱處理后,在相同的工況條件下,斗齒的使用壽命提高了近2倍。
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