58m3礦用挖掘機(jī)履帶板的開發(fā)

林 盛

（太原重工特鑄分公司，山西太原 030024）

本項目主要是為國外某礦用55 m3電鏟提供履帶板、履帶銷等配套產(chǎn)品，其中履帶板產(chǎn)品為此項目主要零件，單件重量1.8 t左右，材質(zhì)為ZGMn13Mo，屬易損耐磨鑄件，產(chǎn)品形狀復(fù)雜，內(nèi)腔及外形都極不規(guī)則，在挖掘機(jī)的行進(jìn)機(jī)構(gòu)中占較大比重。本項目采用數(shù)控加工的金屬模型造型，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度，另外，在冶煉高錳鋼材質(zhì)時，運(yùn)用稀土硅鐵合金進(jìn)行變質(zhì)處理，奧氏體晶粒由1級細(xì)化至4～5級，耐磨性提高1倍以上。再經(jīng)時效處理，改善了鋼的力學(xué)性能。

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 技術(shù)特點及難度

鑄件單重為1900 kg，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造工藝性差，易出現(xiàn)粘砂、砂眼、裂紋等缺陷，同時產(chǎn)品一致性較難保證。根據(jù)以往使用經(jīng)驗，對易裂、易斷部位采取工藝優(yōu)化，提高鑄件耐磨性和使用壽命。履帶板組裝后，裝配部位為多個相切的圓弧，非機(jī)加工面需保證圓弧接觸面是面接觸。對以上可能出現(xiàn)問題在原材料采用上采取了預(yù)防措施，從而編制合理的鑄造、熱處理及焊補(bǔ)工藝；

2.2 模型設(shè)計

本項目中履帶板鑄件為主要件。目前生產(chǎn)此類產(chǎn)品多數(shù)使用木模造型，木模制作方便，費(fèi)用低，同時修改和維護(hù)也較為便利，但隨著木模的使用時間加長，模型表面質(zhì)量逐步降低，甚至出現(xiàn)破損，影響到產(chǎn)品的尺寸、配合精度和使用壽命，從而制約著挖掘機(jī)的工作效率。本項目中改用鋁模造型，不僅提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，而且金屬模型在剛度和強(qiáng)度上要優(yōu)于木模，不易形變和磨損，從而能極好地保證產(chǎn)品尺寸精度，另外，金屬模型自身尺寸精度較高，芯頭定位準(zhǔn)確，扣箱、下芯都極為規(guī)矩，澆注后鑄件產(chǎn)生披縫、毛刺等現(xiàn)象較少，避免了由于披縫拉裂本體的可能性。

2.3 澆冒口系統(tǒng)設(shè)計

由于履帶板單件重量為1900 kg，液重達(dá)到了3 t左右，為了保證鋼液平穩(wěn)快速流入鑄型，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)，集中在鑄件一側(cè)分4道形成開放式的內(nèi)澆道引入鑄型，在生產(chǎn)過程中鋼液充型平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)澆注缺陷。

放置冒口時主要集中在鑄件熱節(jié)處，采用1個大的保溫縮頸冒口作為主要補(bǔ)縮，以及2個小的側(cè)冒口作為排渣以及排氣[1]。同時在下箱較大壁厚處放置隨形冷鐵，澆注系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 履帶板澆注系統(tǒng)示意圖

圖2 鑄件金相組織

表1 熱處理爐次的性能指標(biāo)

2.4 熔煉及澆注工藝

2.4.1 使用了精煉爐熔煉，以提高鋼液質(zhì)量

根據(jù)高錳鋼的特性，在熔煉過程中要求“高溫出鋼，低溫澆注”，鋼水在鋼包中鎮(zhèn)靜1 min～2 min，將澆注溫度嚴(yán)格控制在1450℃以下[2]。澆注后，為了更有效地利用冒口中的金屬液對鑄件的補(bǔ)縮，在冒口上覆蓋保溫劑，提高鑄件的工藝出品率。

2.4.2 對鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，提高鑄件耐磨性能。

由于水韌處理時固溶強(qiáng)化的要求，加熱溫度較高，鑄件具有粗大的晶粒組織（相當(dāng)于奧氏體晶粒度1級～0級），這不僅使鋼的強(qiáng)度和硬度降低，導(dǎo)致履帶板的磨損性能降低。為此，在微調(diào)ZGMn13鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，加入了變質(zhì)劑。由于稀土元素良好的性質(zhì)，可降低材質(zhì)中夾雜物的數(shù)量，改善其生成形態(tài)和析出相分布形式，凈化晶界。由圖2b）可以明顯看出，變質(zhì)劑各種成分共同作用，使材質(zhì)的晶粒得到明顯細(xì)化，奧氏體晶粒度4級～5級，提高了鋼的力學(xué)性能[3]，產(chǎn)品使用壽命也得到了顯著改。

從圖2比較可以看出，未加稀土的金相顯示，在晶界處有明顯的網(wǎng)狀碳化物析出，晶粒內(nèi)部有較多的粒狀碳化物。而加稀土變質(zhì)處理過的鑄件內(nèi)部晶界幾乎沒有碳化物析出，晶粒內(nèi)部有少量碳化物，本項目中晶粒度級別都在3級以上，較過去不進(jìn)行變質(zhì)處理的產(chǎn)品，有極大提高。另外力學(xué)性能指標(biāo)值也較高。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

2.5 熱處理強(qiáng)化以及時效處理

圖3 高錳鋼熱處理工藝（改進(jìn)）

圖4 高錳鋼時效工藝

采用新的高錳鋼熱處理工藝，見圖3和圖4，在工藝中增加550℃的保溫階段，這是由于高錳鋼加熱過程中，在約550℃～600℃時會發(fā)生奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，而后隨著溫度的繼續(xù)升高，當(dāng)溫度升高至AC1時，珠光體晶團(tuán)轉(zhuǎn)變成奧氏體，即奧氏體的重結(jié)晶。珠光體轉(zhuǎn)變是在奧氏體晶界上形核，其引領(lǐng)相為滲碳體，在一個奧氏體晶界上形成數(shù)個晶核，則一個奧氏體晶粒就變成了數(shù)個珠光體晶團(tuán)。奧氏體重結(jié)晶時，晶核在滲碳體、鐵素體界面上形成，珠光體分散度越高，奧氏體重結(jié)晶形核愈多，珠光體晶團(tuán)數(shù)量愈多，轉(zhuǎn)變后奧氏體晶粒增多，所以通過控制加熱過程中的珠光體數(shù)量，可達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的，并根據(jù)細(xì)化強(qiáng)化理論使高錳鋼鑄件得到強(qiáng)化。另外，對水韌處理后的高錳鋼進(jìn)行350℃±10℃的時效處理，將固溶后的奧氏體中的碳化物彌散析出，進(jìn)行高錳鋼組織的彌散強(qiáng)化，進(jìn)一步提高基體的強(qiáng)度[4]。

2.6 表面強(qiáng)化處理

履帶板銷孔由于不承受較大壓力和沖擊，銷孔內(nèi)表面不能產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，導(dǎo)致銷孔迅速磨損?，F(xiàn)場使用表明，履帶板報廢并非都因著地工作面磨損而造成，絕大部分是因銷孔優(yōu)先磨損而失效。

對履帶板進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，提高表層原始硬度，在不產(chǎn)生加工硬化的服役條件下，可大幅度提高耐磨性。履帶板銷孔可采用表面強(qiáng)化工藝延長其使用壽命。

2.7 過程控制

通過增加工序及檢測手段來確保產(chǎn)品的質(zhì)量水平，如增加履帶板銷耳拐角處的PT檢查，噴漆前的拋丸除銹及涂裝中增加底漆工序等；以及通過完善過程控制記錄表，來加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的控制，如重新設(shè)計了造型、清鏟檢查記錄表，完善了冶煉澆注記錄表、熱處理過程記錄表等，來進(jìn)一步實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)全過程的控制。使整個過程都能按照工藝要求執(zhí)行，從而避免操作的隨意性，提高了產(chǎn)品的一致性。

3 總結(jié)

1）采用金屬模型和樹脂砂造型，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度和表面光潔度。

2）由于鑄件壁厚差異大，合理設(shè)計補(bǔ)縮冒口和澆注系統(tǒng)可得到無縮孔縮松的鑄件。

3）低溫等溫預(yù)處理工藝和高溫水韌處理工藝的優(yōu)化，水韌處理后獲得單一奧氏體組織，在強(qiáng)烈沖擊力和壓力作用下發(fā)生表層形變硬化和高硬度的馬氏體相變，可提高履帶板的使用壽命。

4）非常規(guī)變質(zhì)處理極大地細(xì)化了晶粒與改善了夾雜物的形態(tài)和分布，提高了ZGMn13Mo履帶板性能。

實踐證明：經(jīng)新工藝處理的履帶板，使用中無斷裂現(xiàn)象，同時，使用壽命延長了1.5倍以上。

［1］魯志武，董必義.耐磨高錳鋼的生產(chǎn)技術(shù)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2011（3）:48-51.

［2］謝敬佩，李衛(wèi)，宋延沛，等.耐磨鑄鋼及熔煉［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］孫建昌.高錳鋼挖機(jī)鑄件的生產(chǎn)與質(zhì)量改進(jìn)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2012（8）:41-44.

［4］吳化，徐珊珊，王淮.變質(zhì)和時效處理對ZGMn13高錳鋼力學(xué)性能的影響［J］.金屬熱處理，2009（9）：78-82.