案例解析：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。

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、失效形式

挖掘機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，挖掘機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。

二、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，斗齒與物料發生相對運動，在表面產生很大的正擠壓力，從而在挖掘機斗齒工作面和物料之間產生較大的摩擦力。如果物料為較硬的巖石塊、混凝土等，摩擦力將是很大的。這個過程反復作用的結果在斗齒工作面產生不同程度的表面磨損，進而產生深度較大的犁溝。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挖掘機斗齒失效的主要外部力學因素，在失效產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。發現同一塊試樣上硬度差別很大，初步判斷是材質不均勻。將試樣進行磨制、拋光、腐蝕，發現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該是鑲塊。在HRS-150數顯洛氏硬度計和MHV-2000數顯顯微硬度計上對界線兩側分別進行硬度測試，發現差別明顯（見表1）。通過以上分析證實該斗齒是鑲塊結構。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（質量分數，%）為0.38C、0.91Cr、0.83Mn、0.92Si。金屬材料的力學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中部分相變區的形成類似。受鑄造過程中金屬液熱作用，該區域處于奧氏體和鐵素體兩相區，在該區域鐵素體充分長大，其組織形態保持到室溫。由于挖掘機斗齒壁比較薄，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生類似焊接熱影響區的組織，沒有起到增強耐磨性的作用。若在鑄造后進行適當的熱處理以改善基體及鑲塊的組織，將明顯提高挖掘機斗齒的耐磨性和使用壽命。

三、結論

（1）該斗齒材料為低合金耐磨鋼，用于斗齒是比較合適的。但由于沒有經過必要的熱處理，挖掘機斗齒組織不均勻，鑲塊沒有發揮應有的作用，斗齒的整體耐磨性差，導致早期失效。

（2）建議鑄造成型后，對鑄件進行適當的正火，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倍創新的技術理念、高產能的輸出比，逐步成為鑄造行業的領航者！