大型矿用挖掘机履带板材料性能研究

雷鹏飞，丰新宇，张金山

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

大型矿用挖掘机履带板材料性能研究

雷鹏飞2，丰新宇2，张金山1

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

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ZG110Mn13Mo1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。

大型矿用挖掘机履带板；ZG110Mn13Mo1；成分调整；热处理工艺；韧性

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[1]。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工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ZG110Mn13Mo1，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

现根据实际情况，从成分设计和热处理工艺两方面对履带板材料性能进行了研究。对ZG110Mn13Mo1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，检测了不同工艺下的力学性能。

1 试验方案

(1)成分设计。加入适量Cr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[2]。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ZG110Mn13Mo1具体成分如表1。

表1 ZG110Mn13Mo1化学成分 w%

调整成分后的钢（以下简称试验钢）成分如表2。

表2 试验钢化学成分 w%

(2)热处理工艺。前期试制的履带板热处理工艺如图2所示，根据高锰钢热处理的常规经验，1 080 ℃保温时间为3.5 h。然而，对开裂履带板的分析显示（见下文试验结果与分析），3.5 h的保温时间不足以熔解铸态组织中的网状碳化物。

图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]：

式中，τ为保温时间(h);δ为壁厚(mm)；C、Si分别为钢中碳、硅含量(%)。

现根据经验公式，结合实际情况[5,6]，制定保温时间为5 h。

前期试制中，履带板保温出炉后入水前时间要求为≤90 s。为尽可能避免碳化物析出，经反复试验，现将该段时间调整至60 s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

2.1 ZG110Mn13Mo1组织与性能

ZG110Mn13Mo1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。

图3 ZG 110Mn13Mo1在原热处理工艺下的组织

其力学性能如表3所示。可见其韧性较差。

表3 ZG110Mn13Mo1在原热处理工艺下的力学性能

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ZG110Mn13Mo1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 试验钢在原热处理工艺下的组织

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 试验钢在原热处理工艺下的力学性能

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5 调整热处理工艺后试验钢的组织

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入奥氏体，而缩短出炉后入水前时间则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 调整热处理工艺后试验钢的力学性能

调整成分及工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ZG110Mn13Mo1成分进行调整，提高锰碳比，加入Cr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入奥氏体，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。

[1] 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, 2014, 23: 44-46.

[2] 李保元,张国赏,魏世忠,等. 合金化及热处理工艺对高锰钢性能的影响[J].湖南农机,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] 陈希杰.高锰钢 [M],北京:机械工业出版社,1989:2.

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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

稿件编号:1609-1512

雷鹏飞（1984—），男， 硕士研究生,从事耐磨件及耐热件研发制造、铸造生产技术工作.