挖掘機鑄件支座斷裂故障分析

程盼 張海燕

摘 要：某型號挖掘機在使用過程中多次出現動臂前支座鑄件斷裂。為查明原因，對故障件進行切割取樣分析。對斷口形貌進行宏觀分析并在光學顯微鏡下觀察，發現故障為典型疲勞斷裂，裂紋起源于鑄造缺陷處。對鑄件力學性能進行分析，發現強度和斷面收縮率不達標。在斷口附近取金相樣，分析表明金相組織和晶粒度不合格，晶粒較大且存在殘留魏氏組織。最終認定鑄件重要受力部位晶粒度不合格且存在魏氏組織導致機械性能下降是根本原因，鑄件存在縮松缺陷是引起開裂的直接原因。

關鍵詞：挖掘機;鑄件;斷裂

動臂是挖掘機的重要組成部件，其與斗桿、鏟斗一起組成挖掘機的工作裝置（如圖1），直接執行挖掘機的作業動作，并承受來自作業對象的各種復雜載荷。在作業過程中根據工況的不同，動臂主要承受來自斗桿、動臂油缸、斗桿油缸的循環載荷和沖擊載荷，其中以斗桿對動臂的載荷最大、沖擊最明顯。前支座作為動臂與斗桿鉸接的部件，直接承受來自斗桿的載荷，極易發生故障，某型號挖掘機在市場上多次開裂，時間從3000到8000小時不等，使用工況包括裝車、破碎等。經初步了解，幾起故障的模式高度一致，均發生在前支座銷孔處，鑄件支座沿銷孔徑向開裂，部分故障件已完全斷裂。為明確開裂原因，選擇其中一間故障件返件進行解剖分析。

1 斷口宏觀分析

通過線切割方式切取兩個斷口面，位置如圖2，獲得上、下部兩個斷口，采用目視、光學顯微鏡分析的方式分別對兩個斷口進行檢查。

1.1 上部斷口

對上部斷口進行宏觀分析，如圖3，目視觀察斷面呈現顯著的疲勞擴展特征，疲勞弧線的收斂處即為起裂源，位于支座銷軸孔內側棱邊位置。裂紋從起裂源開始，向縱深擴展，形成形態規則的弧線形擴展區，開裂面積擴展至總面積約三分之二時，直接斷裂，形成外觀粗糙的瞬斷區。

在光學顯微鏡下觀察斷口起裂源區域，如圖4，起裂源處存在明顯鑄造縮松缺陷，此處位于軸孔內側，屬于重要承載區域，在整機工作過程中會受到斗桿通過銷軸傳遞過來的循環拉力，拉力在動臂支座上產生交變應力。由于縮松缺陷的存在，在交變應力的作用下，裂紋在此處產生并持續擴展至發生瞬斷。

從動臂的整個生產過程分析，鑄件由供應商生產，其生產工藝為：造型—>熔煉—>澆鑄—>熱處理（正火）—>粗加工孔及端面—>檢驗，動臂生產工藝為：拼搭—>焊接—>機加工—>拋丸—>油漆，其中機加工會對支座孔進行精鏜和刮端面。此處缺陷產生于鑄造過程中，在動臂整體進行精加工（精鏜軸座孔、刮端面）之前，此缺陷位于鑄件內部，在動臂機加工完成后暴露于孔的內表面。

1.2 下部斷口

下部斷口整體宏觀形貌類似于上部斷口瞬斷區，如圖5，整個斷面非常粗糙，屬于超出強度極限的瞬間斷裂。

從反饋的全部故障件信息來看，部分為上下兩部分都已完全斷裂，部分為上部完全斷裂，下部部分斷裂。

綜合以上信息，確定整個斷裂過程為上部斷口先開裂，之后全部載荷由下部斷口承受，超出其正常承載能力，導致斷裂。

2 金相分析

前支座與動臂板材焊接，需要具有良好的焊接性能，碳當量不能過高，同時又要承受較大的疲勞載荷，對強度和疲勞性能都有較高的要求。因此選擇了SCW550H這種鑄鋼，其碳含量為0.16～0.21%，并添加了Si、Mn、Mo、Ni等合金元素。

作為亞共析鋼，在正火狀態下，其正常金相組織應為珠光體+鐵素體，晶粒度應高于6級，不得有魏氏體、殘余鑄態組織等不正常的組織。

從斷口附近切割取樣，進行金相組織分析，在金相顯微鏡下分別放大100倍（如圖6）和500倍（如圖7），發現除珠光體和鐵素體，部分區域還有魏氏組織，同時存在組織不均勻現象。分析其晶粒度，在5級左右。

鑄件中的魏氏組織及粗大的晶粒，是鑄造過程中由于溫度、冷卻速度、鑄件尺寸等一系列因素導致的，是鑄件中的一種常見鑄態組織，但在熱處理過程中是應該要消除魏氏組織并細化晶粒的。如果熱處理時溫度過高，或冷卻速度過快，會導致無法有效消除魏氏組織。粗大晶粒和魏氏組織的存在導致了鑄件機械性能顯著下降。

3 化學成分和機械性能分析

經切樣檢驗，其成分合格，機械性能標準及故障件實測值如表1，其強度和斷面收縮率均不符合標準。

4 結論與措施

鑄件開裂的主要原因在于：

1）前支座鑄件存在縮松、裂紋等缺陷。

縮松位于軸孔孔邊，形成應力集中的薄弱點，該部位又屬關鍵受力部位，在交變載荷作用下裂紋逐漸擴展，并最終導致斷裂。

2）鑄件軸孔部位晶粒粗大且存在殘留魏氏組織。

晶粒粗大并伴隨有魏氏組織導致強度、塑性和沖擊韌度降低。在外力作用下易產生裂紋，其根本原因在于鑄件軸孔處厚度尺寸過大、正火時加熱溫度偏差、保溫時間不夠或冷卻速度過快。

針對以上原因，對鑄造和熱處理過程采用如下改進措施：

1）對于晶粒和魏氏組織，由于在大壁厚的鑄件中很難避免其出現，主要依靠熱處理消除，消除的效果與溫度控制、鑄件壁厚等強相關，為避免其在軸孔這種主要受力部位出現，對工藝流程進行調整，先鉆軸孔再進行熱處理，使軸孔周圍組織得到改善，晶粒細化。同時加強對熱處理過程的質量管控，保證產品質量。

2）對于軸孔周邊缺陷，在軸孔和端面粗加工后，用超聲探傷檢驗鑄件探查鑄件內部缺陷，用著色探傷的方法探查內孔表面缺陷和微裂紋，減少不合格品流通幾率。

參考文獻：

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