大型礦用挖掘機履帶板材料性能研究

雷鵬飛，豐新宇，張金山

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

傳統(tǒng)材料通過常規(guī)工藝制造的大型挖掘機履帶板組織及性能難以滿足要求。本次研究對履帶板材料ZG110Mn13Mo1進行了成分調整，提高了履帶板的淬透性及韌性。調整了履帶板水韌處理奧氏體化保溫時間及出爐后入水前的時間，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。改進后的履帶板性能顯著提高，耐磨性與進口產(chǎn)品相當。

大型礦用挖掘機履帶板；ZG110Mn13Mo1；成分調整；熱處理工藝；韌性

0 前言

當前經(jīng)濟形勢下，國內外各大礦山企業(yè)為降低運行成本爭取生存空間，紛紛尋求進口設備部件國產(chǎn)化。大型礦用挖掘機在我國各大露天礦山均有分布。履帶板作為其行走機構的關鍵部件，國產(chǎn)化市場前景廣闊[1]。然而此類履帶板質量大且結構復雜，制造難度大，在既定結構條件下，生產(chǎn)過程中需合理設計合金成分并嚴格控制工藝細節(jié)以保證其組織及性能的有效調控。

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，個別履帶板未達使用壽命即發(fā)生開裂。試制履帶板所用材質為標準的ZG110Mn13Mo1，該型履帶板構造如圖1所示，開裂部位為單銷耳。金相分析及力學性能測試結果顯示（詳見下文試驗結果與分析），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)實際情況，從成分設計和熱處理工藝兩方面對履帶板材料性能進行了研究。對ZG110Mn13Mo1進行了成分調整，并調整了履帶板水韌處理奧氏體化保溫時間及出爐后入水前的時間。采用光學金相顯微鏡對不同工藝下的組織進行觀測，檢測了不同工藝下的力學性能。

1 試驗方案

(1)成分設計。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度和鋼的淬透性[2]。此外，履帶板所用材質為高錳鋼，影響其韌性的一個因素是錳碳比，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化學成分 w%

調整成分后的鋼（以下簡稱試驗鋼）成分如表2。

表2 試驗鋼化學成分 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，1 080 ℃保溫時間為3.5 h。然而，對開裂履帶板的分析顯示（見下文試驗結果與分析），3.5 h的保溫時間不足以熔解鑄態(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間有下列經(jīng)驗公式可循[4]：

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

現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗公式，結合實際情況[5,6]，制定保溫時間為5 h。

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

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

2 試驗結果與分析

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，構成網(wǎng)狀。晶粒內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

其力學性能如表3所示?？梢娖漤g性較差。

表3 ZG110Mn13Mo1在原熱處理工藝下的力學性能

履帶板在服役過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 試驗鋼組織與性能

在ZG110Mn13Mo1基礎上調整成分后的鋼材金相組織如圖4所示。可見奧氏體晶界處網(wǎng)狀碳化物及晶粒內部碳化物均有所減少。

圖4 試驗鋼在原熱處理工藝下的組織

其力學性能如表4所示?？梢娖漤g性有所提高。成分調整提高了奧氏體穩(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 試驗鋼在原熱處理工藝下的力學性能

2.3 調整水韌工藝后的試驗鋼組織與性能

延長保溫時間，并盡可能縮短出爐后入水前時間，得到的試驗鋼金相組織如圖5所示?？梢娋W(wǎng)狀碳化物基本消除。

圖5 調整熱處理工藝后試驗鋼的組織

其力學性能如表5所示?？梢娖漤g性顯著提高。在前文所述成分調整的作用基礎上，延長保溫時間，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 調整熱處理工藝后試驗鋼的力學性能

調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)開裂現(xiàn)象，且在同樣服役時間內，磨損量與進口原廠履帶板相當，較前期試制產(chǎn)品有較大的改善。

3 結論

1) 對ZG110Mn13Mo1成分進行調整，提高錳碳比，加入Cr元素，可以提高大型礦用挖掘機履帶板的淬透性及韌性。

2) 延長保溫時間，并盡可能縮短出爐后入水前時間，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)濟下行趨勢下礦業(yè)企業(yè)應對策略[J].中國礦業(yè), 2014, 23: 44-46.

[2] 李保元,張國賞,魏世忠,等. 合金化及熱處理工藝對高錳鋼性能的影響[J].湖南農(nóng)機,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.

[4] 陳希杰.高錳鋼 [M],北京:機械工業(yè)出版社,1989:2.

[5] 孫建昌. 高錳鋼挖機鑄件的生產(chǎn)與品質改進[J]. 鑄造設備與工藝,2012, 4: 41-44.

[6] 林盛. 58m3礦用挖掘機履帶板的開發(fā)[J]. 鑄造設備與工藝, 2013, 4: 47-54.

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: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)技術工作.