大型矿用挖掘机履带板材料性能研究.pdf

试验研究T e s t & R e s e a r c h 大型矿用挖掘机履带板材料性能研究 雷鹏飞2 ， ( 1 太原理工大学，山西太原0 3 0 0 2 4 ： 丰新宇2 ，张金山1 2 太原重工股份有限公司，山西太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要：传统材料通过常规工艺制造的大型挖掘机履带板组织及性能难以满足要求。本次研究对履带板 材料Z G l10 M n l3 M o l进行了成分调整，提高了履带板的淬透性及韧性。调整了履带板水韧处理奥氏体化保 温时间及出炉后入水前的时间，极大地减少了组织中的网状碳化物，大幅降低发生脆性断裂的可能性。改进 后的履带板性能显著提高，耐磨性与进口产品相当。 关键词：大型矿用挖掘机履带板；Z G ll0 M n l3 M o l；成分调整；热处理工艺；韧性 中图分类号：T G l6 2 9 ；文献标识码：A ；文章编号：1 0 0 6 9 6 5 8 ( 2 0 17 ) 0 2 0 0 1 4 0 3 D O I ：l0 3 9 6 9 j is s n 10 0 6 9 6 5 8 2 0 17 0 2 0 0 5 0 前言 当前经济形势下，国内外各大矿山企业为降低 运行成本争取生存空间，纷纷寻求进口设备部件国 产化。大型矿用挖掘机在我国各大露天矿山均有 分布。履带板作为其行走机构的关键部件，国产化 市场前景广阔 。然而此类履带板质量大且结构复 杂，制造难度大，在既定结构条件下，生产过程中需 合理设计合金成分并严格控制T 艺细节以保证其 组织及性能的有效调控。 我单位前期试制了一批某型履带板交付 用户试用，据用户反馈，个别履带板未达使用寿 命即发生开裂。试制履带板所用材质为标准的 Z G ll0 M n l3 M 0 1 ，该型履带板构造如图1 所示，开 裂部位为单销耳。金相分析及力学性能测试结果 显示( 详见下文试验结果与分析) ，其组织中存在大 量网状碳化物，冲击韧性值偏低。 图1 履带板模型 收稿日期：2 0 1 6 0 9 0 8 稿件编号：1 6 0 9 1 5 1 2 作者简介：雷鹏飞( 1 9 8 4 一) ，男，硕上研究生，从事耐磨件及耐热件 研发制造、铸造生产技术I ：作 现根据实际情况，从成分设计和热处理T 艺两方面对履带板材料性能进行了研究。对 Z G ll0 M n l3 M o l进行了成分调整，并调整了履带板 水韧处理奥氏体化保温时间及出炉后入水前的时 间。采用光学金相显微镜对不同工艺下的组织进 行观测，检测了不同T 艺下的力学性能。 1 试验方案 ( 1 ) 成分设计。加入适量c r 元素以提高奥氏体 的稳定性，提高奥氏体锰钢的屈服强度和钢的淬透 性口】。此外，履带板所用材质为高锰钢，影响其韧性 的一个因素是锰碳比，较高的锰碳比有利于提高其 韧性【3 】。 前期试制履带板所用z G ll0 M n l3 M o l具体成 分如表l。 表1 Z C , 11 0 M n l3 M 0 1 化学成分w CM nPSS iC rM n O 7 5 - 1 3 51 1 0 0 1 4 0 0 O 0 6 0 O 0 4 00 3 0 - 0 9 0 0 9 0 1 2 0 调整成分后的钢( 以下简称试验钢) 成分如表 表2 试验钢化学成分 w CM nPSS i( ：rM o 1 O O I 2 01 2 0 0 1 4 ( ) ( ) O 0 4 0 0 0 3 00 3 0 1 o o0 2 0 0 8 00 8 0 1 2 0 ( 2 ) 热处理T 艺。前期试制的履带板热处理 1 4o F M T 中国铸造装备与技术2 2 0 17 1 _ 岍删蛳_ 圈 T e s t & R e s e a r c h 试验研究 工艺如图2 所示，根据高锰钢热处理的常规经验， l 0 8 0 保温m 1 “ 日3 为3 5h 。然而，对开裂履带板的 分析显示( 见下文试验结果与分析) ，3 5h 的保温时 间不足以熔解铸态组织中的网状碳化物。 网2 试制履带板的热处理工艺 高锰钢铸件水韧处理保温时间有下列经验公 式可循 4 0 f = o 0 1 6 万 1 2 7 ( C + S i) 式中，丁为保温时间( h ) ；6 为壁厚( m m ) ；C 、 S i分别为钢中碳、硅含量( ) 。 现根据经验公式，结合实际情况M ，制定保温 时间为5h 。 前期试制中，履带板保温出炉后入水前时间要 求为 9 0S 。为尽可能避免碳化物析出，经反复试 验，现将该段时问调整至6 0S 以内。 ( 3 ) 取样位置。以下金相分析及力学性能测试 所用试样均取自履带板本体单销耳心部。 2 试验结果与分析 2 1Z G ll0 M n l3 M o l组织与性能 Z G l1 0 M n l3 M o l在前期热处理工艺条件下的 金相组织如图3 所示。其特征为沿奥氏体晶界分 布的碳化物，构成网状。晶粒内部也有部分碳化物 分布。 其力学性能如表3 所示。可见其韧性较差。 表3Z G l1 0 M n l3 M o l在原热处理工艺下的力学性能 R ，【M P a R 。，M P a A ，Z | 冲击韧性( J e m 2 )I 硬度H B W 4 0 44 9 61 0 5 9 02 2 6 72 1 0 履带板在服役过程中承受大能量冲击载荷，网 状碳化物组织极易发生大范围脆性断裂，这是前期 试制履带板提前失效的原因。 2 2 试验钢组织与性能 在Z G ll0 M n l3 M o l基础上调整成分后的钢材 金相组织如图4 所示。可见奥氏体晶界处网状碳 化物及晶粒内部碳化物均有所减少。 图4 试验钢在原热处理I ：艺下的组织 其力学性能如表4 所示。可见其韧性有所提高。 成分调整提高了奥氏体稳定性，且提高了淬透性， 所以碳化物数量下降，改善了韧性。 表4 试验钢在原热处理T ：艺下的力学性能 R ，I M P aR 。M P a A z | 冲击韧性( J c m ! )硬度H B W 4 2 15 4 81 4 52 1 03 8 6 72 0 4 2 3 调整水韧工艺后的试验钢组织与性能 延长保温时间，并尽可能缩短出炉后入水前时 间，得到的试验钢金相组织如图5 所示。可见网状 碳化物基本消除。 图3Z G l1 0 M n l3 M 。1 在原热处理T 艺下的组织 图5 调整热处理T 艺后试验钢的组织 中国铸造装备与技术2 2 0 17o F M T 1 5 试验研究T e s t & R e s e a r c h 其力学性能如表5 所示。可见其韧性显著提 高。在前文所述成分调整的作用基础上，延长保温 时间，可使铸态组织中的碳化物充分熔人奥氏体， 而缩短出炉后入水前m t I H 1 贝, 0 可尽量避免碳化物再 次析出? 这样，组织中影响韧性的网状碳化物基本 得以消除，从而改善了其性能。 表5 调整热处理I ：艺后试验钢的力学性能 R ，】M P aR ，。M P a A Z | 冲击韧性( J c m 2 )硬度H B W 4 3 55 6 82 1 02 0 01 1 4 6 72 0 7 调整成分及T 艺后生产的履带板已交付客户 使用，据客户反馈，目前未发现开裂现象，且在同样 服役时间内，磨损量与进口原厂履带板相当，较前 期试制产品有较大的改善。 3 结论 1 ) 对Z G l1 0 M n l3 M o l成分进行调整，提高锰 碳比，加入C r 元素，可以提高大型矿用挖掘机履带 板的淬透性及韧性。 2 ) 延长保温时间，并尽可能缩短出炉后入水前 时间，可使履带板铸态组织中的碳化物充分熔人奥 氏体，避免碳化物再次析出，从而消除网状碳化物， 大幅降低了履带板因此发生脆性断裂的可能性。 【2J 3 1 【4J 【5 l 【6 】 参考文献 张玉梅全球矿业经济下行趋势下矿业企业应对策略 J 中国 矿业，2 0 1 4 ，2 3 ：4 4 4 6 李保元，张国赏，魏世忠等合金化及热处理T 艺对高锰钢 性能的影响m 湖南农机2 0 1 4 4 l( 7 ) ：4 9 5 5 S E K o n d r a t y u k B B V in o k u r G G L u t s e n k o e ta 1 R a t io M n ：Ca n dim p a c tt o u g h n e s so fh ig hm a n g a n e s es t e e lM e t a l S c ie n c ea n dH e a tT r e a t m e n t J 19 8 6 2 8 f 4 l：2 51 - 2 5 5 陈希杰高锰钢 M 北京：机械I ：业m 版社1 9 8 9 ：2 孙建昌高锰钢挖机铸件的生广“j 品质改进 J 铸造设备与T 艺，2 0 1 2 ，4 ：4 1 4 4 林盛5 8 m 3 矿用挖掘机艟讲 板的J f ：发m 铸造设备与【：艺， 2 0 1 3 4 ：4 7 5 4 P e r f o r m a n c es t u d yo nc r a w le rs h o em a t e r ia lo fla r g em in in ge x c a v a t o r s L E IP e n g F e i2 ，F E N GX in Y u 2 ，Z H A N GJ in S h a n ( 1 T a iy u a nU n iv e r s it yo fT e c h n o lo g y , T a iy u a n0 3 0 0 2 4 ，S h a n x i，C h in a ； 2 T a iy u a nH e a v yI n d u s t r y ，T a iy u a n0 3 0 0 2 4 ，S h a n x i，C h in a ) A b s t r a c t ：T h em ic r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fc r a w le rs h o e sm a n u f a c t u r e df r o mt r a d it io n a lm a t e r ia lsa n d t r e a t e dt h r o u g hc o n v e n t io n a l p r o c e d u r e sc a n n o tm e e tt h er e q u ir e m e n t s I nt h iss t u d y , t h ec h e m ic a lc o m p o s it io no f t h et r a d it io n a lm a t e r ia lZ G ll0 M n l3 M O lw a sm o d if ie d t h e r e f o r et h eh a r d e n a b ilit ya n dim p a c tt o u g h n e s so ft h e c r a w le rs h o e sw e r eim p r o v e d T h ea u s t e n it iz in gh o ld in gt im ew a se x t e n d e da n dt h ein t e r v a lb e f o r eq u e n c h in gw a s s h o r t e n e d ，a sar e s u lt ，t h ec a r b id en e t w o r kw a sr e d u c e ds ig n if ic a n t lya n dt h er is ko fb r it t lef r a c t u r ew a sm in im iz e d T h ep e r f o r m a n c eo ft h eu p d a t e dc r a w le rs h o e sw a sim p r o v e d a n dt h ew e a rr e s is t a n c er e a c h e dt h es a m ele v e la st h e im p o r t e dp r o d u c t s K e y w o r d s ：e le c t r icr o p es h o v e l；c r a w le rs h o e ；Z G l1 0 M n l3 M 0 1 ；c h e m ic a lc o m p o s it io nm o d if ic a t io n ；h e a t t r e a t m e n t ；im p a c tt o u g h n e s s 业界资讯I n f o r m a t io n 洛铜标准荣获2 0 1 6 年有色金属标准委员会技术标准优秀奖 由中铝洛阳铜业有限公司负责起草的铜及铜合金材料室温拉伸试验方法国家标准荣获了2 0 1 6 年全 国有色金属标准委员会技术标准优秀奖一等奖。 中铝洛铜根据全国有色金属标准委员会关于国家标准制