履帶鋼硬度偏低原因分析和改進

霍喜偉 方金林 袁淑君 劉春偉

( 萊蕪鋼鐵集團有限公司)

0 前言

目前萊鋼已開發LW190 ×8．5 mm 和LW190 ×10 mm 兩個規格挖掘機用履帶板，并已經在多家挖掘機生產廠家得到應用。由于特殊的工作環境，工程機械用履帶鋼的使用，由作業區的條件決定。因此，在裝車使用前，必須要對履帶鋼進行熱處理，使履帶鋼具有高的強度，良好的韌性和耐磨性［1］。一般要求履帶鋼經淬火回火后表面硬度值穩定在40HRC 以上，才能滿足特殊環境下履帶鋼具有耐磨性的使用要求。

1 問題提出

根據使用萊鋼履帶板加工用戶反映，萊鋼履帶板熱處理后表面硬度偏低，經測硬度值，有大量履帶板表面硬度低于40 HRC。履帶鋼硬度值的偏低無法滿足工程機械長期惡劣環境下的使用，嚴重影響使用壽命和工作效率。

2 履帶鋼硬度偏低原因分析

履帶鋼硬度高低取決于熱處理后馬氏體層的深度。通過觀察金相組織發現，硬度值比較偏低的，是馬氏體層深度不夠，即出現馬氏體組織層比較薄，硬度值偏低的部位僅有距表面0．5 mm 厚馬氏體組織層，最厚不超過1．5 mm 厚，往內迅速變化到鐵素體+珠光體+貝氏體混合組織(如圖1 所示)。一般測硬度前，需銑削履帶鋼表面1 mm 左右，因此，馬氏體組織層厚度進一步變薄甚至某些部位可能被銑掉，測硬度點時，金剛石錐頭能夠輕易穿透馬氏體層，導致硬度偏低甚至打不出硬度。根據生產實際，引起馬氏體層不足的本質因素主要是鋼中化學成分Cr 元素和Ti 元素含量偏低和后續熱處理工藝的不合理。因此，優化鋼中化學成分和改進熱處理工藝是提高硬度的主要途徑。

圖1 腿部組織 100 ×

2．1 鋼坯化學成分Cr 元素和Ti 元素含量控制偏低

鋼中化學成分是影響鋼淬透性的主要因素之一，其中Cr 元素和B 元素是保證鋼淬透性的主要元素，合適含量的淬透性元素，能使鋼的轉變溫度CCT曲線右移，降低得到馬氏體組織所需要的冷卻速率。而Ti 元素的加入是固定鋼中N 元素，保證鋼中B 元素的有效性，從而保證淬透性。目前實際生產過程中，成分控制按中下限控制，因此鋼中Cr 元素和Ti元素含量的偏低，必然會引起淬透性的不足，導致馬氏體層比較薄，硬度值比較低。

2．2 熱處理工藝不合理

2．2．1 淬火加熱溫度不合理

目前履帶鋼采用加熱880 ℃保溫0．5 h 淬火+260 ℃保溫10 h 回火的熱處理工藝。由于各鋼廠履帶鋼成分設計不相同，那么后續熱處理時淬火、回火溫度也可能需要做出相應調整。眾所周知，碳含量是決定鋼臨界奧氏化溫度的一個重要因素，一般隨著碳含量的增加，奧氏體化溫度相對降低。因此，淬火加熱溫度選擇過高或過低，則影響奧氏體晶粒尺寸大小和奧氏體化程度( 如圖2 所示)［2］。

圖2 碳含量、奧氏體晶粒尺寸對淬火理想臨界直徑的影響

由圖2 可以看出，碳含量不變條件下，加熱溫度越高，奧氏體晶粒尺寸越大，需要的淬火理想臨界尺寸越大，即粗晶粒對淬透性有利，但由于粗晶粒將增加鋼件的變形程度與形成淬火裂紋的傾向，同時也將影響鋼的沖擊韌性，所以在實際處理工件時，應避免采用增大晶粒尺度的辦法來提高淬透性。在某一確定的奧氏體晶粒尺寸條件下，隨鋼中碳量增加，鋼的臨界淬火直徑增大，會增加鋼的淬透性。因此，履帶鋼碳含量的不同，需要選擇合適的淬火加熱溫度。同時，履帶鋼中加入的其它合金元素，如鉻、鈦，有的鋼廠還加入一定的釩或鈮等合金元素，對淬火回火制度的制定都有一定的影響。格羅斯曼指出，這些元素的碳化物在通常淬火溫度下不易溶解，從而成為未溶碳化物殘留鋼中，而碳化物的存在將降低鋼的淬透性。只有這些元素含量較低時，它們在淬火加熱時才能完全溶解［3］，所以這些元素還決定于碳化物的溶解程度，而碳化物的溶解程度主要受淬火加熱制度和加熱時間的影響。因此對于鋼中強碳化物形成元素，當它們溶入固溶體時，能顯著提高鋼的淬透性。但是在通常淬火溫度下，如果含碳量較多時，僅有一部分碳化物溶入奧氏體，另一部分以未溶碳化物的形式存在，因此會減少奧氏體中含碳量起到形核作用細化晶粒而降低鋼的淬透性。兩者的相對大小決定于元素在固溶體和碳化物之間的分配比例，分配比例決定于奧氏體化溫度，也同該合金元素的含量和鋼中其他元素的含量有關［4］。

2．2．2 加熱方式不合理

該履帶板生產廠家采用80 kW 電阻爐加熱，每次加熱18 片，兩片一組，腿與腿扣在一起加熱，出爐淬火依舊采用兩片扣在一起入水冷卻( 如圖3 所示) 。采用該方式加熱，大大降低了履帶板腿部與周圍空氣的接觸，導致腿部受熱不充分和不均勻，致使奧氏體化程度不足，影響了淬透性效果，導致生成馬氏體層不足，引起硬度值偏低。

圖3 履帶鋼加熱方式

2．2．3 淬火方式的不足

淬火采用兩片扣在一起入水冷卻，此方式大大減小了履帶板腿部與周圍水的接觸面積，降低了相變過程中生成馬氏體需要的的冷卻速率，會導致履帶鋼腿部各表面生成的馬氏體層不均勻甚至沒有馬氏體生成。因此，測硬度時，硬度值會偏低。

3 改進措施

3．1 提高鋼中Cr 元素和Ti 元素含量

根據現有鋼中Cr 元素和Ti 元素含量，綜合考慮生產成本和經濟化生產原則，適當提高了鋼中Cr 元素和Ti 元素含量，成分調整前后對比見表1。

表1 履帶鋼25MnB 化學成分調整前后對比

3．2 改進熱處理工藝

3．2．1 優化淬火和回火溫度

根據改進后的化學成分，分別按照880 ℃、870 ℃、860 ℃、855 ℃進行淬火和260 ℃、240 ℃、220 ℃、210 ℃進行回火試驗。硬度變化隨淬火、回火溫度變化如圖4 所示。

根據試驗結果，采用855 ℃淬火+210 ℃回火工藝制度有利于硬度值的整體穩定提升。

圖4 硬度變化隨淬火、回火溫度變化

3．2．2 加熱方式改進

按照前面分析，可將履帶板在熱處理爐內兩片扣在一起加熱方式改進成疊放式加熱方式，如圖5所示。加熱方式改變以后，使得履帶板的加熱均勻性大大提高。

圖5 改進后履帶鋼加熱疊放方式

3．2．3 淬火方式改進

將兩片一起入水冷卻方式改進為逐片入水，提高了履帶板淬火過程中的冷卻速率，特別是腿部的冷卻速率，更加明顯，因而整個截面獲得均勻的馬氏體組織，腿部各個部位的組織如圖6 所示。由圖可知，工藝改進后，履帶板3 條腿橫斷面的不同位置，從邊部到心部都被淬透，組織為正常回火馬氏體，從而保證履帶鋼獲得均勻穩定的硬度值。

圖6 履帶鋼被淬透后不同部位正常回火馬氏體組織

4 改進效果

調整化學成分后，生產了5 爐LW190 ×8．5 mm規格履帶鋼，結合用戶改進熱處理工藝等措施，履帶鋼表面硬度整體得到穩定提升。

4．2．1 工藝改進后的淬火硬度

選取5 爐60 片履帶板，檢測188 個硬度值點，平均值44．9 HRC，僅有2 點硬度低于40 HRC，分別為39 HRC、39． 6 HRC。小于40 HRC 的比例為1．1%，介于40 HRC ～45 HRC 的比例為51．1%，大于45HRC 的比例為47．8%，較改進前硬度值得到大幅提升，綜合硬度合格率提高到98．9%。工藝改進前后的淬火硬度值分布分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 改進前淬火硬度值分布

圖8 改進后淬火硬度值分布

4．2．2 工藝改進后的回火硬度

選取之前經淬火后60 片履帶板，經回火后，檢測硬度點116 個，硬度平均值42．2 HRC，硬度低于40 HRC 共5 個，最小值38．5 HR，比較經淬火后未回火之前，硬度值平均低了2HRC 左右。測硬度結果表明，回火后硬度小于40 HRC 的比例只有4．3%，較改進前硬度值得到大幅提升，綜合硬度合格率提高到95．7%，基本滿足了用戶使用要求。工藝改進前后回火硬度值分布分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 改進前回火硬度值分布率

圖10 改進后回火硬度值分布率

由圖9 、圖10 可以看出，通過綜合措施的實施，淬火、回火后硬度值提升效果明顯，除個別點硬度值稍低，存在偶然因素外，回火后硬度值基本穩定提升在40 HRC 以上，滿足了用戶的使用要求。

5 結束語

通過提高履帶鋼中合金元素Cr、Ti 的含量和改進熱處理工藝以及加熱和冷卻方式的改進，使得履帶板從邊部到心部的組織為均勻的正常回火馬氏體組織，從而硬度值穩定達到了40 HRC 以上，更好地滿足了特殊環境下對鋼耐磨性的要求。

［1］劉明，唐歷，盧向陽，等．35MnTiB 推土機履帶板用鋼的研制［J］．鋼鐵釩鐵，1999，1(5) :20 －25．

［2］吳季恂，周光裕，荀毓閩． 鋼的淬透性應用技術［M］． 北京: 力學工業出版社，1994:133．

［3］M． A． Grossmann:"Elements of Hardenability "Celeveland［D］，ASM，1952．

［4］陳小龍．合金元素對23MnB 履帶鋼基礎性能的影響［D］． 昆明:昆明理工大學，2007．