摘要：為了解決挖掘機鏟斗的強度和耐磨蝕問題，基于室內試驗和JMatPo模擬軟件分析，對3種不同低合金高強度耐磨鋼進行室內試驗。研究結果表明：鋼材A的抗拉屈服強度、抗拉強度最大，鋼材B次之，鋼材C最??；但鋼材C的延伸率最大，鋼材A和鋼材B的延伸率相近，且數(shù)值較??；鋼材A的沖擊吸收功最大，鋼材B次之，鋼材C最?。讳摬腃的耐磨性能最差，鋼材B次之，鋼材A最好；隨著距表面距離的增加，拉伸強度、屈服強度和硬度均表現(xiàn)為反“S”曲線型；隨著合金元素Cr和Mo的含量增加，鋼材強度和硬度均不斷增加；確定使用的鋼材A中，金屬元素Cr和Mo的含量分別為0.70%和0.016%為最優(yōu)。

關鍵詞：低合金鋼；耐磨性能；室內試驗；挖掘機鏟斗；仿真分析

0 引言

挖掘機作為土木工程行業(yè)應用最為廣泛的工程機械設備之一，在土石方的挖掘和運移中發(fā)揮了巨大的作用[1]。挖掘機在挖取物料時，與硬質礦物質發(fā)生摩擦碰撞，導致金屬構件發(fā)生磨損，進而構件失效，頻繁更換和焊接磨損構件，影響工程進度并增大時間成本。

挖掘機金屬磨損作為僅次于腐蝕和疲勞破壞的危害，使得業(yè)界對于耐磨鋼材的需求不斷增加，然而國內的耐磨鋼板的綜合平直和性能穩(wěn)定性還有待提高，不利于工程機械設備在全球市場上的競爭力，因此，研究高強低合金耐磨鋼材成為目前研究的熱點之一[2-3]。

挖掘機的主要工效構件為鏟斗，在直接接觸巖土體的過程中，往往會導致刃板磨損?；诖耍芯烤哂泻辖鸷康?、良好的硬度和韌性相配合的低合金鋼，是保證鏟斗抵抗沖擊、提高耐磨效果的有效手段之一[4]。

本文研究基于室內試驗，對3種不同低合金高強度耐磨鋼進行室內試驗，分析其抗拉強度、沖擊強度和耐磨性能力學性能，并基于JMatPo模擬軟件，分析不同合金元素Cr和Mo組合對低合金耐磨性能的影響。研究成果可應用于挖掘機鏟斗用低合金鋼耐磨鋼材的研發(fā)和機械設備制造，對于提高挖掘機鏟斗的使用性能具有一定積極作用。

1 鏟斗用低合金鋼耐磨鋼力學性能試驗

低合金高強耐磨鋼是一種具有高強度、高韌性、良好的焊接性能和冷成型性能，以及較低的冷脆轉變溫度的鋼種，其主要生產(chǎn)過程經(jīng)過預處理、轉爐、精煉、連鑄、冷卻、軋鋼、熱處理和矯直過程。

1.1 試驗材料選取

經(jīng)過調研，試驗選用中國寶武武鋼集團生產(chǎn)的3種挖掘機鏟斗用低合金高強度耐磨鋼進行試驗，材料的厚度均為45mm，3種鋼材的化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

在室內對3種不同的低合金耐磨鋼進行抗拉試驗、沖擊試驗和磨粒磨損試驗。

1.2.1 抗拉試驗

抗拉試驗將鋼材加工成12.5mm×3.0mm×135mm的標準矩形試驗，每組試驗測試3次，采用CMT5105型微機控制電子萬能試驗機測試時間的應變和拉力，試驗時拉伸速度取位1mm/min，每組試驗按3次的測量結果取平均值。

1.2.2 沖擊試驗

沖擊試驗將鋼材加工成10mm×10mm×55mm的標準V型夏比沖擊試樣，采用ZBC 2302-1型沖擊試驗機測量試件，在-20℃液氮試驗桶中冷卻20min后的沖擊吸收功，每組試驗測試3次，按3次的測量結果取平均值。

1.2.3 磨粒磨損試驗

磨粒磨損試驗將鋼材加工成57mm×25.5mm×6mm的矩形板，粗糙度為6.3μm，并在MLG-130型干式橡膠磨粒磨損試驗機上進行試驗，磨損面為鋼板表面。橡膠輪的轉速為200r/min，磨料為40～80目石英砂。

1.3 實驗結果分析

1.3.1 拉伸試驗

圖1為3種不同低合金高強度耐磨鋼的拉伸試驗參數(shù)（屈服強度、抗拉強度、延伸率）的對比。從圖1中可以看出，3種不同低合金高強度耐磨剛度的屈服強度、抗拉強度和延伸了均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，鋼材A的抗拉屈服強度、抗拉強度最大，鋼材B次之，鋼材C最小。但鋼材C的延伸率最大，達到110.4%，鋼材A和鋼材B的延伸率相近，且數(shù)值較小，約為11%。

1.3.2 沖擊試驗

圖2為3種不同低合金高強度耐磨鋼的沖擊試驗結果對比。從圖2中可以看出，與低合金高強耐磨鋼的拉伸試驗結果類似，鋼材A的沖擊吸收功最大，平均值達到34.6J，鋼材B的沖擊吸收功次之，平均值達到30.6J，鋼材C的沖擊吸收功最小，平均值為14.0J。

1.3.3 磨粒磨損試驗

在低合金高強耐磨鋼磨粒磨損試驗中，進行了2種不同加載工況，分別進行載荷為130N和60N的兩組試驗，試驗結果如圖3和圖4所示。

從圖3中可知，在荷載130N作用下，鋼材C的磨損失質量最大，達到6.05g；鋼材B的磨損失質量次之，達到5.03g；鋼材C的磨損失質量最小，達到4.54g。

從圖4中可知，在荷載60N作用下，鋼材C的磨損量減小明顯，鋼材B的磨損量和鋼材A的磨損量變化較小。鋼材C的磨損失質量最大，達到5.36g；鋼材B的磨損失質量次之，達到5.22g；鋼材C的磨損失質量最小，達到4.69g，其組織為細小均勻馬氏體。

綜合分析可知，鋼材C的耐磨性能最差，鋼材B的耐磨性能次之，鋼材A的耐磨性最好。結合3種低合金高強耐磨鋼的抗拉強度試驗和沖擊試驗結果，研究確定的鋼材A為最優(yōu)的耐磨挖掘機鏟斗材料。

2 不同合金元素組合對低合金耐磨鋼影響

2.1 金屬元素Cr與Mo的功用

金屬元素Cr和Mo是影響挖掘機鏟斗用低合金耐磨耐磨性能的重要2種元素，Cr元素能夠提高鋼材的抗腐蝕性，降低摩擦系數(shù)，從而改善耐磨性能因此。在低合金鋼中加入Mo，可以增加其強度、韌性以及耐熱性。Mo元素對鋼材的耐磨性能有積極的影響，可以增強鋼的抗磨粒磨損能力。

2.2 設置Cr與Mo元素組合工況

基于以上分析，針對鋼材A，設置了3種不同的合金元素Cr和Mo組合，金屬元素Cr的增量為0.15%，金屬元素Mo的增量為0.003，其余元素含量保持不變，如表2所示。

2.3 分析軟件選擇

運用JMatPro模擬軟件分析3種工況的淬透性能。JMatPro模擬軟件集成了大量的合金平衡相、等溫轉變曲線、合金熱處理等數(shù)據(jù)，可以對金屬材料的多種性能金你給模擬，以縮短試驗時間和改進金屬制造工藝。

2.4 不同工況淬透性能分析

圖5至圖7為3種不同工況的淬透性能的計算結果。從圖5至圖7可以看出，3種不同工況鋼材的拉伸強度、屈服強度和硬度表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律。隨著距表面距離的增加，拉伸強度、屈服強度和硬度均表現(xiàn)為反“S”曲線型。

其中：工況A的拉伸強度范圍為646～1120MPa，屈服強度為891～1374MPa，硬度為26～44HRC；工況B的拉伸強度范圍為710～1232MPa，屈服強度為980～1152MPa，硬度為29～49HRC；工況C的拉伸強度范圍為746～1293MPa，屈服強度為1029～1587MPa，硬度為30～51HRC。

綜上所述，隨著合金元素Cr和Mo的含量增加，鋼材的拉伸強度、屈服強度和硬度均不斷增加，因此，可以確定使用的鋼材A中，金屬元素Cr和Mo的含量分別為0.70%和0.016%為最優(yōu)。

4 結束語

挖掘機的主要工效構件為鏟斗，在直接接觸巖土體的過程中，往往會導致刃板磨損?；诖?，研究具有合金含量低、良好的硬度和韌性相配合的低合金鋼，是保證鏟斗抵抗沖擊、提高耐磨效果的有效手段之一

本文對3種不同低合金高強度耐磨鋼進行室內試驗，分析其抗拉強度、沖擊強度和耐磨性能力學性能，并基于JMatPo模擬軟件，分析不同合金元素Cr和Mo組合對低合金耐磨性能的影響，得到以下幾個結論：

3種不同低合金高強度耐磨剛度的屈服強度、抗拉強度和延伸均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。鋼材A的抗拉屈服強度、抗拉強度最大，鋼材B次之，鋼材C最小。但鋼材C的延伸率最大，鋼材A和鋼材B的延伸率相近，且數(shù)值較小。

與低合金高強耐磨鋼的拉伸試驗結果類似，3種不同低合金高強度耐磨鋼種中，鋼材A的沖擊吸收功最大，鋼材B的沖擊吸收功次之，鋼材C的沖擊吸收功最小。鋼材C的耐磨性能最差，鋼材B的耐磨性能次之，鋼材A的耐磨性最好。

隨著距表面距離的增加，拉伸強度、屈服強度和硬度均表現(xiàn)為反“S”曲線型。隨著合金元素Cr和Mo的含量增加，鋼材的拉伸強度、屈服強度和硬度均不斷增加。確定使用的鋼材A中，金屬元素Cr和Mo的含量分別為0.70%和0.016%為最優(yōu)。

參考文獻

[1] 王榮，高浩，魏德強.挖掘機斗齒用新型低合金耐磨鋼熱處理工藝參數(shù)的研究[J].熱加工工藝，2017，46（6）：205-209.

[2] 魏心寬，龔志華，徐文龍，等.熱處理工藝對挖掘機鏟斗用鋼組織和力學性能的影響[J].金屬熱處理，2015（4）：94-97.

[3] 郭紅，劉英，李衛(wèi).挖掘機斗齒的磨損機制與選材研究[J].材料導報，2014，28（7）：99-103.

[4] 楊寶國.錳及熱處理參數(shù)對中碳低合金耐磨鋼組織與性能的影響[J].中國鑄造裝備與技術，2014（2）：42-45.