雷鵬飛，豐新宇，張金山

(1. 太原理工大學(xué)，山西太原 030024；2. 太原重工股份有限公司，山西太原 030024 )

大型礦用挖掘機(jī)履帶板材料性能研究

雷鵬飛2，豐新宇2，張金山1

(1. 太原理工大學(xué)，山西太原 030024；2. 太原重工股份有限公司，山西太原 030024 )

傳統(tǒng)材料通過(guò)常規(guī)工藝制造的大型挖掘機(jī)履帶板組織及性能難以滿足要求。本次研究對(duì)履帶板材料ZG110Mn13Mo1進(jìn)行了成分調(diào)整，提高了履帶板的淬透性及韌性。調(diào)整了履帶板水韌處理奧氏體化保溫時(shí)間及出爐后入水前的時(shí)間，極大地減少了組織中的網(wǎng)狀碳化物，大幅降低發(fā)生脆性斷裂的可能性。改進(jìn)后的履帶板性能顯著提高，耐磨性與進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)。

大型礦用挖掘機(jī)履帶板；ZG110Mn13Mo1；成分調(diào)整；熱處理工藝；韌性

0 前言

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)外各大礦山企業(yè)為降低運(yùn)行成本爭(zhēng)取生存空間，紛紛尋求進(jìn)口設(shè)備部件國(guó)產(chǎn)化。大型礦用挖掘機(jī)在我國(guó)各大露天礦山均有分布。履帶板作為其行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，國(guó)產(chǎn)化市場(chǎng)前景廣闊[1]。然而此類履帶板質(zhì)量大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，在既定結(jié)構(gòu)條件下，生產(chǎn)過(guò)程中需合理設(shè)計(jì)合金成分并嚴(yán)格控制工藝細(xì)節(jié)以保證其組織及性能的有效調(diào)控。

我單位前期試制了一批某型履帶板交付用戶試用，據(jù)用戶反饋，個(gè)別履帶板未達(dá)使用壽命即發(fā)生開(kāi)裂。試制履帶板所用材質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)的ZG110Mn13Mo1，該型履帶板構(gòu)造如圖1所示，開(kāi)裂部位為單銷耳。金相分析及力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示（詳見(jiàn)下文試驗(yàn)結(jié)果與分析），其組織中存在大量網(wǎng)狀碳化物，沖擊韌性值偏低。

圖1 履帶板模型

現(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況，從成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝兩方面對(duì)履帶板材料性能進(jìn)行了研究。對(duì)ZG110Mn13Mo1進(jìn)行了成分調(diào)整，并調(diào)整了履帶板水韌處理奧氏體化保溫時(shí)間及出爐后入水前的時(shí)間。采用光學(xué)金相顯微鏡對(duì)不同工藝下的組織進(jìn)行觀測(cè)，檢測(cè)了不同工藝下的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方案

(1)成分設(shè)計(jì)。加入適量Cr元素以提高奧氏體的穩(wěn)定性，提高奧氏體錳鋼的屈服強(qiáng)度和鋼的淬透性[2]。此外，履帶板所用材質(zhì)為高錳鋼，影響其韌性的一個(gè)因素是錳碳比，較高的錳碳比有利于提高其韌性[3]。

前期試制履帶板所用ZG110Mn13Mo1具體成分如表1。

表1 ZG110Mn13Mo1化學(xué)成分 w%

調(diào)整成分后的鋼（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)鋼）成分如表2。

表2 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分 w%

(2)熱處理工藝。前期試制的履帶板熱處理工藝如圖2所示，根據(jù)高錳鋼熱處理的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，1 080 ℃保溫時(shí)間為3.5 h。然而，對(duì)開(kāi)裂履帶板的分析顯示（見(jiàn)下文試驗(yàn)結(jié)果與分析），3.5 h的保溫時(shí)間不足以熔解鑄態(tài)組織中的網(wǎng)狀碳化物。

圖2 試制履帶板的熱處理工藝

高錳鋼鑄件水韌處理保溫時(shí)間有下列經(jīng)驗(yàn)公式可循[4]：

式中，τ為保溫時(shí)間(h);δ為壁厚(mm)；C、Si分別為鋼中碳、硅含量(%)。

現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合實(shí)際情況[5,6]，制定保溫時(shí)間為5 h。

前期試制中，履帶板保溫出爐后入水前時(shí)間要求為≤90 s。為盡可能避免碳化物析出，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)將該段時(shí)間調(diào)整至60 s以內(nèi)。

(3)取樣位置。以下金相分析及力學(xué)性能測(cè)試所用試樣均取自履帶板本體單銷耳心部。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ZG110Mn13Mo1組織與性能

ZG110Mn13Mo1在前期熱處理工藝條件下的金相組織如圖3所示。其特征為沿奧氏體晶界分布的碳化物，構(gòu)成網(wǎng)狀。晶粒內(nèi)部也有部分碳化物分布。

圖3 ZG 110Mn13Mo1在原熱處理工藝下的組織

其力學(xué)性能如表3所示?？梢?jiàn)其韌性較差。

表3 ZG110Mn13Mo1在原熱處理工藝下的力學(xué)性能

履帶板在服役過(guò)程中承受大能量沖擊載荷，網(wǎng)狀碳化物組織極易發(fā)生大范圍脆性斷裂，這是前期試制履帶板提前失效的原因。

2.2 試驗(yàn)鋼組織與性能

在ZG110Mn13Mo1基礎(chǔ)上調(diào)整成分后的鋼材金相組織如圖4所示?？梢?jiàn)奧氏體晶界處網(wǎng)狀碳化物及晶粒內(nèi)部碳化物均有所減少。

圖4 試驗(yàn)鋼在原熱處理工藝下的組織

其力學(xué)性能如表4所示。可見(jiàn)其韌性有所提高。成分調(diào)整提高了奧氏體穩(wěn)定性，且提高了淬透性，所以碳化物數(shù)量下降，改善了韌性。

表4 試驗(yàn)鋼在原熱處理工藝下的力學(xué)性能

2.3 調(diào)整水韌工藝后的試驗(yàn)鋼組織與性能

延長(zhǎng)保溫時(shí)間，并盡可能縮短出爐后入水前時(shí)間，得到的試驗(yàn)鋼金相組織如圖5所示?？梢?jiàn)網(wǎng)狀碳化物基本消除。

圖5 調(diào)整熱處理工藝后試驗(yàn)鋼的組織

其力學(xué)性能如表5所示。可見(jiàn)其韌性顯著提高。在前文所述成分調(diào)整的作用基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可使鑄態(tài)組織中的碳化物充分熔入奧氏體，而縮短出爐后入水前時(shí)間則可盡量避免碳化物再次析出。這樣，組織中影響韌性的網(wǎng)狀碳化物基本得以消除，從而改善了其性能。

表5 調(diào)整熱處理工藝后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

調(diào)整成分及工藝后生產(chǎn)的履帶板已交付客戶使用，據(jù)客戶反饋，目前未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，且在同樣服役時(shí)間內(nèi)，磨損量與進(jìn)口原廠履帶板相當(dāng)，較前期試制產(chǎn)品有較大的改善。

3 結(jié)論

1) 對(duì)ZG110Mn13Mo1成分進(jìn)行調(diào)整，提高錳碳比，加入Cr元素，可以提高大型礦用挖掘機(jī)履帶板的淬透性及韌性。

2) 延長(zhǎng)保溫時(shí)間，并盡可能縮短出爐后入水前時(shí)間，可使履帶板鑄態(tài)組織中的碳化物充分熔入奧氏體，避免碳化物再次析出，從而消除網(wǎng)狀碳化物，大幅降低了履帶板因此發(fā)生脆性斷裂的可能性。

[1] 張玉梅.全球礦業(yè)經(jīng)濟(jì)下行趨勢(shì)下礦業(yè)企業(yè)應(yīng)對(duì)策略[J].中國(guó)礦業(yè), 2014, 23: 44-46.

[2] 李保元,張國(guó)賞,魏世忠,等. 合金化及熱處理工藝對(duì)高錳鋼性能的影響[J].湖南農(nóng)機(jī),2014,41(7): 49-55.

[3] S. E. Kondratyuk, B. B. Vinokur, G. G. Lutsenko, et al. Ratio Mn:C and impact toughness of high manganese steel. Metal Science and Heat Treatment[J], 1986, 28(4): 251-255.

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Performance study on crawler shoe material of large mining excavators

LEI PengFei2, FENG XinYu2, ZHANG JinShan1
( 1. Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China; 2. Taiyuan Heavy Industry, Taiyuan 030024, Shanxi,China)

The microstructure and performance of crawler shoes manufactured from traditional materials and treated through conventional procedures cannot meet the requirements. In this study, the chemical composition of the traditional material ZG110Mn13Mo1 was modifi ed, therefore the hardenability and impact toughness of the crawler shoes were improved. The austenitizing holding time was extended and the interval before quenching was shortened, as a result, the carbide network was reduced signifi cantly and the risk of brittle fracture was minimized. The performance of the updated crawler shoes was improved, and the wear resistance reached the same level as the imported products.

electric rope shovel；crawler shoe；ZG110Mn13Mo1；chemical composition modifi cation；heat treatment；impact toughness

TG162.9；

A；

1006-9658（2017）02-0014-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.005

2016-09-08

稿件編號(hào):1609-1512

雷鵬飛（1984—），男， 碩士研究生,從事耐磨件及耐熱件研發(fā)制造、鑄造生產(chǎn)技術(shù)工作.