采煤斗齿冲击值低原因检测分析

（贵州省机电研究设计院，贵州贵阳 550002）

斗齿是采煤机上的重要部件，是由齿座和齿尖组成的组合斗齿，二者靠销轴连接。斗齿一般装在采煤机挖斗的前端，在工作时直接与岩石、矿石等物料接触。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，斗齿要承受冲击作用。在采煤时，由于长时间承受较大的冲击，斗齿表面产生不同程度的磨损。斗齿冲击值低时，在工作中容易出现断齿，造成产品早期失效。某公司采煤斗齿产品冲击值低，为了查找其原因抽取其中一件进行检测分析。

1 试验与分析

对冲击值偏低的斗齿进行解剖，进行化学成分分析、力学性能检测及金相试验，根据测试结果对产品质量进行评价。

1.1 解剖方案

采煤斗齿尖端来样时已经被切割掉且断面发蓝，如图1 所示，去掉烧伤区域后在剩余部位取样，如图1b）所示，在紧靠齿尖处中间十字体部分并排取力学冲击试样3 根，依次命名为1 号（一侧）、2 号（中间）、3 号（另一侧）。另取横截面试样两块，做金相及化学成分检测。

图1 斗齿形貌

1.2 化学成分

委托方未明确材质，按盲样测试化学成分，结果见表1.

表1 采煤斗齿化学成分检测结果（质量分数，%）

试验结果表明，材质匹配ZWC-ZG30CrMnSi Mo，ZWC-ZG30CrMnSiMo 化学成份范围要求：ω（C）0.25%～0.35%，ω（Mn）0.6%～1.6%，ω（Si）0.5%～1.8%，ω（Cr）0.5%～1.8%，ω（Mo）0.2%～0.8% .

1.3 力学性能

1.3.1 硬度

采煤斗齿横截面HRC 硬度测试结果及位置如图2 所示。

试验结果表明，大部分位置硬度值位于（49.1～52.1）HRC 之间。依据挖掘机铸造斗齿产品技术条件T/CFA 02010204.7-2018，要求齿尖硬度≥46HRC，本斗齿符合采煤斗齿对硬度的要求，但中心硬度反常偏高，为58.3HRC.

图2 斗齿横截面HRC 硬度检测值

1.3.2 冲击试验

在常温20 ℃下对试样进行KV2冲击试验，1号、2 号、3 号试验结果分别为15.8 J、17.3 J、14.8 J.

冲击值最低的位置在斗齿齿尖十字体一侧边位置。依据挖掘机铸造斗齿产品技术条件T/CFA 02010204.7-2018，要求冲击值≥12 J 属合格。但是，客户指定要求冲击值≥18 J，则属不合格。

1.4 金相分析

1.4.1 试样酸浸后形态

试样酸浸后形态如图3 所示，试样表面呈现粗大的铸态晶花纹，其上有较多的细小疏松孔洞。中心呈现偏析，尤其是硬度试片检验面，偏析斑点区域尺寸达4 mm.

1.4.2 微观组织分析

选取3 号冲击试样，进行微观组织检验，微观形貌如图4 所示。抛光状态下，可观察到大颗粒的外来夹渣及孔洞，见图4 a）；有碎点状硫化物、氧化物夹杂，未发现大量聚集及大尺寸的内生夹杂，见图4 b）.

经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，晶粒度7.0 级，组织分布不均匀，呈沿晶网状及条带状偏析，见图4 c）；组织为回火马氏体，马氏体呈针状和板条状混合，属典型中碳马氏体特征，见图4 d）.

图3 低倍下试样酸浸后形态

图4 3 号试样显微组织

1.4.3 微观断口试验

选取冲击值最低的3 号试样进行微观断口分析。

微观断口形态及能谱如图5 所示，可以看出冲击断口在较低倍数下即可观察到，微观断口形貌为韧窝，如图5a）、5b）；其上密集分布有大量疏松、气孔、夹杂物，如图5c）、5d）、5f）、5g）.韧窝分区特征明显，局部区域呈浅韧窝状，局部区域呈深韧窝状；疏松、气孔区域能谱检测到含N 元素，如图5e）；夹杂物能谱分析主要为氧化铝和硫化锰类，如图5h）与图5k）.

2.冲击值偏低原因讨论

2.1 材质方面

材质化学成分符合ZWC-ZG30CrMnSiMo，为低合金耐磨钢，用于斗齿是比较合适的。

图5 3 号试样微观断口形貌及能谱图

试块中心位置硬度异常偏高，达58HRC 以上，酸浸试片显示其为中心偏析缺陷。形成原因系钢液在凝固过程中，中心部位冷却较慢而造成的成分偏析。如果冲击试样恰好选自中心偏析区域，将出现冲击值异常现象。

在夹杂物常规检验中，并未发现有聚集的、大量超尺寸的内生夹杂物存在，仅发现碎小的夹杂物，说明材料纯净度较为良好。但是，在冲击断口上，微观检验发现密集分布的氧化铝及硫化锰类夹杂。冲击断口上韧窝底部可以暴露出断面附近更多的夹杂，说明材料纯净度较差。少量的小颗粒夹杂对冲击性能影响通常不大，但是当数量较多时将显著降低冲击韧性，直接导致冲击值偏低。

较大的疏松孔洞同样破坏基体连续性，在孔洞边缘能谱显示含氮元素。氮含量高的钢长时间放置后，由于氮化物析出会引起金属晶格扭曲而产生很大的内应力，从而恶化了钢的塑性和冲击韧性，使钢变脆。钢中氮的来源主要来自铁水、炉膛的炉气和与钢水接触的空气。一般情况下，应降低钢中氮含量。

2.2 热处理方面

材料微观组织为回火马氏体，属淬火+低温回火组织，晶粒度合格。微观组织分布不均匀，呈沿晶界网状及条带状偏析，其原因可能由马氏体回火不充分引起，也不排除成分方面存在偏析，需要均匀化处理。

硬度检验，技术条件要求硬度≥46HRC 即可，实际检验硬度主要分布在49HRC～52HRC.一般来说，硬度越高，耐磨性越好的材料，其冲击韧性越差。适当降低硬度，在50HRC 以下，可以提高冲击韧性。

3 结论

采煤斗齿硬度值偏高是引起冲击韧性值偏低的主要原因；原材料方面夹杂物、疏松孔洞偏多，是造成冲击值低的又一因素。实际生产过程建议：

1）提高采煤斗齿回火温度，适当降低硬度；

2）优化冶炼工艺，尽量减少铸件夹杂、疏松孔洞缺陷；

3）对采煤斗齿做氧、氮、氢气体含量检测。材料可能存在氮含量偏高现象，建议在熔炼过程中控制氮含量。