CKE2500履帶板微觀組織和力學性能研究

許明飛

（三一科技研究本院，浙江 湖州 313028）

0 引言

工程機械履帶板受力情況復雜，其不僅與沙石、泥土、鋼板等直接接觸，還要承受擠壓、彎曲、沖擊等多種應力作用，加上材質、鑄造和熱處理的一些缺陷，使其成為履帶起重機上消耗量最多、備件最多的零件［1］。頻繁更換履帶板既影響客戶對產品質量的信心，同時又大量增加機器的維護成本。因此，如何改善履帶板材料的強韌配合，使履帶板具有優異的耐磨性、抗沖擊性和較高的屈服強度，即延長履帶板的使用壽命進而降低機器維護成本是一個非常重要的課題。

履帶板用鋼有高錳鋼、中錳鋼和低合金高強度鋼［2-4］。隨著起重機噸位的增加，高錳鋼和中錳鋼已很難滿足使用要求，而低合金高強度鋼成為履帶起重機履帶板主流材料。材料性能的好壞直接影響履帶板的使用壽命。眾所周知，神鋼株式會社的前身是日本神戶制鋼所，其工程機械產品具有較好的綜合性能，這與其材料本身的優勢密切相關。本文通過系統研究神鋼CKE2500履帶板材料成分、微觀組織和力學性能，建立組織-性能關系圖，并量化其各性能指標，以其為標桿來指導我們開發高性能的履帶板材料。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用材料為神鋼CKE2500履帶板和我司SCC2500履帶板用材料 ZG34Cr2Ni2Mo鋼，圖 1為CKE2500履帶板外形照片。

圖1 CKE2500履帶板外形照片

1.2 試驗方法

采用小型鉆床制備屑狀試樣后利用碳硫儀測量材料中金屬及非金屬元素含量。利用鋸床在銷耳處（見圖1）取樣制備金相分析樣品。采用金相顯微鏡分析材料腐蝕后顯微組織，在觀察組織前，樣品依次用400#、800#和1000#金相砂紙對樣品進行磨光，隨后拋光、腐蝕，腐蝕劑為3%～5%硝酸酒精溶液。利用拉伸試驗機測量材料的抗拉強度、屈服強度和伸長率（按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》制備拉伸樣品）。利用沖擊試驗機測量樣品的抗沖擊性能，溫度為-40℃。利用數顯式洛氏硬度計和布氏硬度計測量樣品硬度。

2 結果分析與討論

2.1 成分分析

表1為神鋼履帶板和我公司履帶板材料所含主要元素和含量對比。神鋼履帶板材料為低碳鋼，三一公司履帶板材料為中碳鋼，查閱國內外材料標準，未發現與神鋼履帶板成分及含量完全相符的材料，可見此材料配方為自主研發。

表1 神鋼和三一履帶板材料所含元素質量分數 %

從表1可以看出，神鋼履帶板主加元素為Si、Mn、Cr、Ni、Mo，這可以顯著提高鋼的淬透性；神鋼履帶板含碳量低于我公司履帶板含碳量，一般而言，含碳量低，材料的沖擊韌度高，但淬硬性不高，從而使硬度低，耐磨性差；反之，則淬硬性高，而沖擊韌度低，易產生裂紋和脆斷現象。Si和Mn元素可固溶強化鐵素體基體［5］，提高材料強度；Al作為輔加元素，含量較少，可起到脫氧作用，同時少量Al的存在可形成 AlN，可細化晶粒，提高硬度［6］，補償神鋼履帶板材料的耐磨損性能。神鋼履帶板中Cr和Ni含量顯著低于我公司履帶板，這表明神鋼履帶板原材料成本低于我公司履帶板，同時鑄件枝晶偏析程度也小于我公司履帶板，可降低熱處理工藝難度和成本。神鋼履帶板材料中雜質元素S、P含量非常低，顯著降低調質后材料晶界處的雜質偏聚濃度，減少第二類回火脆性，提高材料韌性。

根據經驗公式（1）分別計算了神鋼和我公司履帶板材料的Ms（馬氏體轉變開始溫度）。神鋼履帶板材料Ms為404℃，我司履帶板材料Ms為339℃（各元素取中值）。計算結果表明，神鋼履帶板獲得板條狀馬氏體能力高于我司履帶板，板條狀馬氏體具有優良的強韌配合。

2.2 顯微組織分析

圖2為神鋼履帶板和我公司履帶板銷耳處心部金相組織。從圖中可以看出，兩者金相組織均為回火索氏體組織，可推斷兩者熱處理工藝均為調質處理，但神鋼履帶板中鐵素體仍保持著原板條馬氏體位相，而我公司履帶板金相組織中鐵素體這種位相關系已消失殆盡，可推斷淬火后，我公司履帶板獲得組織為板條馬氏體和針狀馬氏體混合物。值得注意的是，神鋼履帶板心部組織細小均勻，析出的碳化物顆粒小于我公司履帶板心部組織中析出的碳化物顆粒。這表明，盡管兩者熱處理工藝均為調質處理（淬火+高溫回火，獲得回火索氏體組織），但熱處理精細化程度不同，即淬火溫度和回火溫度存在差異，根據組織分析，神鋼履帶板淬火后回火溫度低于三一公司履帶板材料回火溫度。理論上，神鋼履帶板這種組織使得其比三一公司履帶板具有較高的沖擊韌性和硬度（通過細晶強化、彌散強化和位錯強化來實現）。

圖2 銷耳孔心部金相組織 500×

2.3 力學性能分析

2.3.1 硬度

圖3為神鋼履帶板銷耳處心部組織在載荷為1 471 N下測量的6次硬度值（HRC）。從圖3可以看出，神鋼履帶板硬度比較均勻，約25.5HRC（測量數據均差在±1HRC），未出現軟點，這表明神鋼履帶板材料成分設計合理，可完全淬透，神鋼履帶板（銷耳處）心部組織硬度在回火索氏體硬度范圍之內，這和材料金相組織分析相一致。

圖3 神鋼履帶板材料（銷耳孔處）心部硬度

表2 神鋼履帶板和我司履帶板基體硬度 HBW

表2列出了神鋼履帶板和我司履帶板基體硬度，從表中可以看出，神鋼履帶板基體硬度比三一履帶板基體硬度高13～64HBW，從材料成分上看，神鋼履帶板含碳量較低，淬火后淬硬硬度低于我司履帶板硬度，但高溫回火后神鋼履帶板基體硬度反而高于我司履帶板硬度。經分析，主要有以下兩個原因：1）神鋼履帶板材料添加了少量Al元素，少量Al與N形成 AlN，細化晶粒，提高了硬度［6］，Mn 元素含量較高，可固溶強化鐵素體，在一定程度上可補償硬度；2）從金相組織上可推斷神鋼回火溫度低于我司履帶板，使得析出的碳化物顆粒細小，鐵素體仍保留原位錯型（板條）馬氏體位相，強化了基體。

2.3.2 抗拉強度

圖4為神鋼履帶板拉伸試樣載荷-位移曲線，圖5為試樣拉伸后實物照片。從圖4可以看出，神鋼履帶板載荷-位移曲線上沒有類似低碳鋼的“鋸齒形”屈服平臺，但有“頸縮”特征，這從試樣拉伸實物照片也得到證實，如圖5所示。這表明神鋼履帶板材料有較好的塑性，這是由其較低的碳含量和調質處理后的組織決定的。表3列出了神鋼履帶板和三一公司履帶板拉伸性能對比，從表3可以看出，神鋼履帶板抗拉強度和屈服強度分別比三一公司履帶板高2%和23%，屈服強度的提高得益于神鋼履帶板精細的熱處理水平和合理的成分設計。

圖4 神鋼履帶板拉伸試樣載荷-位移曲線

圖5 拉伸后實物照片

表3 神鋼履帶板和我司履帶板拉伸性能對比

2.3.3 抗沖擊強度

圖6為神鋼履帶板在-40℃下待沖擊的實物照片和取樣位置。表4列出了神鋼履帶板和三一公司履帶板材料在-40℃下的沖擊功。從表4可以看出，神鋼履帶板材料在-40℃下沖擊功是三一履帶板的材料近2.3倍，神鋼履帶板材料其較高的沖擊韌度與其含碳量較低、雜質元素S、P含量低和調質后均勻、細小的微觀組織相一致。履帶板的銷耳孔在服役過程中，主要和銷軸共同作用來承受強烈剪切、沖擊、彎曲和扭轉力作用，同時承受摩擦。因此，銷耳孔應具有高的抗剪、抗屈服和抗斷裂韌度，同時要有較好的抗沖擊、抗疲勞和抗磨損綜合力學性能。三一公司履帶板較低的沖擊功是導致其在服役過程中銷耳孔經常斷裂的主要原因，如圖7所示。

2.4 摩擦磨損性能分析

一般而言，對于同一類材料而言（彈性模量基本沒有差異），其硬度越高，其耐磨損性能越好［7］。神鋼履帶板較高的基體硬度促使其耐磨損性能不低于三一公司履帶板耐磨損性能。

圖6 神鋼履帶板在-40℃下待沖擊的實物照片和取樣位置

圖7 三一公司履帶板銷耳處發生斷裂

表4 神鋼履帶板和三一公司履帶板材料在-40℃下的沖擊功Akv J

3結語

1）神鋼履帶板調質后，獲得回火索氏體組織，即在保持原板條馬氏體位相的鐵素體基體上析出小而均的粒狀滲碳體；2）神鋼履帶板調質后，材料具有優良的力學性能，其中抗拉強度為930 MPa，屈服強度為864 MPa，延伸率為14%，-40℃下沖擊功為61.2J；3）神鋼履帶板優良的力學性能與其合理的化學成分設計和熱處理工藝 (得到優良的微觀組織)是相一致的；4）熱處理工藝和材料成分設計良好配合對提高履帶板材料性能和降低履帶板生產綜合成本具有重要作用。

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