NM400低合金高強(qiáng)耐磨板在推土機(jī)鏟刀上的應(yīng)用

張民 李德明 孫世超 王彩鳳

1. 概述

推土機(jī)在工程施工中主要靠整機(jī)牽引力用鏟刀來(lái)完成鏟土、運(yùn)土（100m以內(nèi)）、填土、平土、松土以及其他作業(yè)。

鏟刀是推土機(jī)最主要的工作裝置（見圖1），由弧形板、后壁板、刀架板、液壓缸支座等零部件焊接組成。按使用材料可分為標(biāo)準(zhǔn)型、加強(qiáng)型、巖石型等；按使用工況可分為濕地型、環(huán)衛(wèi)型、沙漠型及推煤型等。

圖1 鏟刀

2. 工況結(jié)構(gòu)

由于推土機(jī)鏟刀工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，承受負(fù)荷大，所以鏟刀使用材料和焊接質(zhì)量直接影響到鏟刀的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命。2004年公司進(jìn)行重大工藝創(chuàng)新，把鏟刀原有的重力焊接改為CO2氣體保護(hù)焊，確保了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。但鏟刀在施工過(guò)程中磨損一直是一個(gè)持續(xù)研究的課題，尤其在巖石工況弧形板的磨損相當(dāng)嚴(yán)重，使用的材料由最初的Q345，調(diào)整為HQ60、Q46OC、HQ100等高強(qiáng)鋼，始終沒(méi)有解決磨損的問(wèn)題。隨著礦山開采難度的增加，大功率推土機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，公司積極進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，精心挑選低合金高強(qiáng)度耐磨鋼板NM400作為弧形板材料進(jìn)行工藝試驗(yàn)，確保鏟刀的高可靠性，以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，主要適用于礦山、水利等大型工程的土石方的作業(yè)。

表1 NM400化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. NM400焊接性分析

試驗(yàn)鋼材為某知名鋼廠生產(chǎn)的NM400鋼板，板厚12mm，交貨狀態(tài)為淬火+回火 。根據(jù)GB/T24186—2009標(biāo)準(zhǔn)與鋼廠提供的鋼材成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

NM400為低合金耐磨高強(qiáng)鋼，其碳當(dāng)量CE= 0.465%，冷裂敏感指數(shù)Pcm=0.261%，具有一定程度的冷裂傾向及焊接消除應(yīng)力裂紋，淬硬傾向明顯，特別注意冷卻速度，并進(jìn)行后熱處理，有利于提高焊接接頭的綜合性能。

NM400鋼再熱裂紋傾向不明顯，采用多層多道焊接方法，控制層間溫度，宜采用小熱輸入焊接。

4. 焊接工藝試驗(yàn)

根據(jù)鏟刀結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)，焊接材料采用φ1.2mm，ER50—G實(shí)芯焊絲和CO2氣體保護(hù)焊，焊后放置48h后檢查表面裂紋、斷面裂紋和根部裂紋。焊接環(huán)境條件為25℃，相對(duì)濕度29%，焊接參數(shù)如表3所示。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)實(shí)際，本次試驗(yàn)沒(méi)有采取預(yù)熱措施，直接采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行，采用平板12mm厚的NM400與Q460C鋼板進(jìn)行對(duì)焊接頭試驗(yàn)，試板尺寸為400mm×200mm×12mm，焊接方向?yàn)槠叫熊堉品较颍鐖D2所示。根據(jù)GB/T 985.1－2008，采用單邊V形坡口，清除坡口表面及附近（兩側(cè)20mm范圍）水、銹、油污和其他雜質(zhì)。

考慮到NM400具有冷裂敏感性傾向，為了更好地驗(yàn)證其焊接性，試驗(yàn)均為兩套，一套焊后采取150~200℃的后熱處理，保溫時(shí)間≥2h的緩冷措施，另一套不做任何焊后處理，進(jìn)行對(duì)比。

5. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）接頭檢測(cè) 焊后進(jìn)行外觀檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)表面焊接缺陷及裂紋，試件外觀如圖3所示。試板采用UT檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)為Ⅰ級(jí)焊縫，滿足取樣加工要求。

（2）力學(xué)性能檢測(cè) 考慮NM400的碳當(dāng)量、板厚、焊接應(yīng)力和熱輸入問(wèn)題，因?yàn)殇摬囊状阌玻附永淞鸭y傾向變大，所以試驗(yàn)制作采用線切割取樣，提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。取樣方法、數(shù)量及位置完全按照NB/T47014－2011進(jìn)行；試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 2651—2008，拉伸試樣采用10mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，焊縫位于試樣中心，拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228—2002規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行，具體結(jié)果如表4所示。

沖擊試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2650－2008 焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法，試樣縱軸垂直于焊縫軸線，缺口軸線垂直于母材表面，焊縫區(qū)試樣的缺口軸線位于焊縫中心線上，熱影響區(qū)試樣的缺口軸線至試樣軸線與熔合線交點(diǎn)的距離大于零，具體結(jié)果如表5所示。

表2 NM400力學(xué)性能

表3 焊接參數(shù)

圖2 工藝試驗(yàn)試板參數(shù)

圖3 試板焊縫外觀

（3）金相檢測(cè) 第一，母材及焊縫組織。從圖4a、4b可以看出，母材組織為典型的板條狀馬氏體。本次焊接由于沒(méi)有采取預(yù)熱措施，熔池冷卻速度快，焊縫形成晶粒細(xì)小的鐵素體及貝氏體組織，如圖4c、4d所示。其中，從圖4c可以看出，由于該試件焊后采取了150~200℃的后熱處理措施，焊縫中除了產(chǎn)生分布均勻的針狀鐵素體組織外，還形成了下貝氏體組織，該組織的形成使焊縫具有較高的強(qiáng)韌性。

第二，熱影響區(qū)組織。熱影響區(qū)雖然是母材部分，但受熱循環(huán)的影響產(chǎn)生了粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，使它發(fā)生了與母材原始組織性能不同的變化，使其性能遠(yuǎn)不如母材甚至焊縫，是焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)。

從圖5可以看出，熱影響區(qū)主要是由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)組成。圖5a、5b是焊態(tài)正火區(qū)，其組織接近于平衡組織，正火區(qū)組織是由晶粒細(xì)小均勻的鐵素體組織及貝氏體構(gòu)成，正火區(qū)也稱為細(xì)晶區(qū)，原始組織在熱循環(huán)的高溫影響下全部奧氏體化，但還沒(méi)有達(dá)到奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大的溫度，在中等速冷卻的條件下形成晶粒細(xì)小均勻的鐵素體和貝氏體組織，相當(dāng)于熱處理的正火組織，保持了該區(qū)良好的力學(xué)性能。圖5c、5d為粗晶區(qū)，可以看出，粗晶區(qū)是由粗大的回火馬氏體和回火索氏體組成，索貝氏體的形成有利于熱影響區(qū)韌性的增強(qiáng)。從圖5c可看出，在奧氏體與馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，在晶內(nèi)產(chǎn)生了分布均勻的索氏體組織，有益于改善粗晶區(qū)的力學(xué)性能，特別有利于提高組織韌性。但從圖5d可看出，由于沒(méi)有焊后回火熱處理，在其影響下，產(chǎn)生的馬氏體組織含量比較多，回火索氏體組織的含量比較少，使粗晶區(qū)的硬度、強(qiáng)度上升，但韌性下降明顯。

（4）試驗(yàn)分析 經(jīng)過(guò)上述對(duì)焊工藝試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，得知NM400具有較大的淬硬性，在焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)有冷裂紋和韌性下降的傾向，所以要注意冷卻速度對(duì)焊接接頭的組織和韌性的影響。在選用焊接焊材時(shí)，采用低強(qiáng)匹配的原則。當(dāng)母材的厚度＜12mm時(shí)，焊前可以不預(yù)熱，焊接過(guò)程中控制好層間溫度，最好≥150℃，焊后可不熱處理，如果對(duì)韌性有特別要求時(shí)，焊后進(jìn)行150~200℃的后熱處理，采取緩冷保溫措施，從而提高熱影響區(qū)的韌性，并結(jié)合焊縫的成形系數(shù)對(duì)比，焊接工藝推薦為第二種焊接參數(shù)能夠獲得較好的力學(xué)性能。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 母材、焊縫金相組織

6. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)公司SD32鏟刀前弧形板NM400高強(qiáng)耐磨板的材質(zhì)切換，按照第二種焊接參數(shù)進(jìn)行小批量生產(chǎn)和售后產(chǎn)品的實(shí)地跟蹤，與原材質(zhì)鏟刀進(jìn)行對(duì)比分析，其磨損情況明顯低于原材質(zhì)鏟刀，成果顯著，并在其他大馬力推土機(jī)產(chǎn)品中進(jìn)行了推廣，提高了工作裝置的質(zhì)量，降低了綜合成本。

圖5 熱影響區(qū)金相組織

[1] 李德明，王彩鳳，孫世超．Q460C高強(qiáng)鋼實(shí)芯焊絲工藝試驗(yàn)及優(yōu)化推廣[J]．叉車技術(shù)，2014（3）：21-23.

[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編．焊接手冊(cè) 第三版[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：10.