挖掘机斗齿失效原因的分析

挖掘机斗齿是挖掘机上的重要部件，也是易损件，是由齿座和齿尖组成的组合斗齿，二者靠销轴连接。由于斗齿磨损失效部分是齿尖，只要更换具尖即可。一台露天挖掘机斗齿在使用过程中由于严重磨损而早期失效，针对该批斗齿，分析了斗齿表面的失效形式和失效原因，并提出了改进措施。
　　【1】失效形式
　　斗齿在不同的工作条件下服役受到不同程度的磨损和冲击而发生不同程度、不同形式的失效。该斗齿在正常工作条件下仅使用3天（大约36h左右）便失效，无论从经济角度还是从使用角度，都不合乎要求。从该批失效件的宏观照片可见，斗齿前工作表面有较明显的犁沟状划痕，尖部有少量的塑性变形，没有裂纹，前工作面（与地面接触的面）最薄，约4mm，后工作面约为8mm。
　　【2】分析与讨论
　　（1）受力分析 斗齿工作面与被挖掘物相接触，在一个完整的挖掘过程中不同的工作阶段其受力情况不同。齿尖部位首先接触物料表面时，由于速度较快，斗齿尖部分受到较强烈的冲击。若斗齿的屈服强度低，将会在尖部产生塑性变形。随着挖掘深度的加大，斗齿受力情况会有所改变。当斗齿切割物料时，斗齿与物料发生相对运动，在表面产生很大的正挤压力，从而在斗齿工作面和物料之间产生较大的摩擦力。如果物料为较硬的岩石块、混凝土等，摩擦力将是很大的。这个过程反复作用的结果在斗齿工作面产生不同程度的表面磨损，进而产生深度较大的犁沟。前工作面的正压力明显大于后工作面，前工作面磨损严重，可以判断出正压力和摩擦力是斗齿失效的主要外部力学因素，在失效产生的过程中起主要作用。
　　（2）工艺分析 分别从前、后工作面各取两个试样，磨平进行硬度测试。发现同一块试样上硬度差别很大，初步判断是材质不均匀。将试样进行磨制、抛光、腐蚀，发现每件试样上都存在明显界线，只是界线部位不同。从宏观看，周围呈浅灰色，中间部分颜色较暗，说明该件很可能是镶铸件，从表面上看，被包围起来的部分也应该是镶块。在HRS-150数显洛氏硬度计和MHV-2000数显显微硬度计上对界线两侧分别进行硬度测试，发现差别明显（见表1）。通过以上分析证实该斗齿是镶块结构。其中封闭部分是镶块，周围部分是基体。二者的成分接近，以Cr、Mn、Si等元素进行合金化，其主要合金成分（质量分数，%）为0.38C、0.91Cr、0.83Mn、0.92Si。金属材料的力学性能取决于材料的成分及热处理工艺。成分相近而硬度存在差异，说明斗齿在铸造后没有经过热处理即投入使用。后面的组织观察也证明了这一点。
　　（3）组织分析 金相观察表明，基体主要是黑色细片状组织，镶块组织由白色块状和黑色细片两部分组成，且远离截面区域白色块状组织较多，进一步的显微硬度试验证明，白色块状组织为铁素体，黑色细片状组织为屈氏体或屈氏体和珠光体的混合组织。镶块中大块铁素体的形成与焊接热影响区中部分相变区的形成类似。受铸造过程中金属液热作用，该区域处于奥氏体和铁素体两相区，在该区域铁素体充分长大，其组织形态保持到室温。由于斗齿壁比较薄，且镶块体积较大，镶块中心部分温度低，没有形成大块铁素体。
　　（4）性能分析 通过在MLD-10磨损试验机上的磨损试验表明，基体和镶块在小冲击磨粒磨损试验条件下的耐磨性均比淬火45钢好。同时基体和镶块的耐磨性存在差异，基体比镶块耐磨。基体和镶块两侧的成分接近，可见斗齿中镶块主要是起到冷铁的作用。在铸造过程中细化基体晶粒，提高其强度和耐磨性。由于镶块受铸造热的影响产生类似焊接热影响区的组织，没有起到增强耐磨性的作用。若在铸造后进行适当的热处理以改善基体及镶块的组织，将明显提高斗齿的耐磨性和使用寿命。
　　【3】结论
　　（1）该斗齿材料为低合金耐磨钢，用于斗齿是比较合适的。但由于没有经过必要的热处理，斗齿组织不均匀，镶块没有发挥应有的作用，斗齿的整体耐磨性差，导致早期失效。
　　（2）建议铸造成型后，对铸件进行适当的正火，以改善组织和性能，提高使用寿命。对铸件进行合理的热处理后，在相同的工况条件下，斗齿的使用寿命提高了近2倍。