履帶鋼硬度偏低原因分析和改進(jìn)

霍喜偉 方金林 袁淑君 劉春偉

( 萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司)

0 前言

目前萊鋼已開發(fā)LW190 ×8．5 mm 和LW190 ×10 mm 兩個規(guī)格挖掘機(jī)用履帶板，并已經(jīng)在多家挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家得到應(yīng)用。由于特殊的工作環(huán)境，工程機(jī)械用履帶鋼的使用，由作業(yè)區(qū)的條件決定。因此，在裝車使用前，必須要對履帶鋼進(jìn)行熱處理，使履帶鋼具有高的強(qiáng)度，良好的韌性和耐磨性［1］。一般要求履帶鋼經(jīng)淬火回火后表面硬度值穩(wěn)定在40HRC 以上，才能滿足特殊環(huán)境下履帶鋼具有耐磨性的使用要求。

1 問題提出

根據(jù)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(jīng)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(jī)械長期惡劣環(huán)境下的使用，嚴(yán)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(fā)現(xiàn)，硬度值比較偏低的，是馬氏體層深度不夠，即出現(xiàn)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(nèi)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(jìn)一步變薄甚至某些部位可能被銑掉，測硬度點(diǎn)時，金剛石錐頭能夠輕易穿透馬氏體層，導(dǎo)致硬度偏低甚至打不出硬度。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，引起馬氏體層不足的本質(zhì)因素主要是鋼中化學(xué)成分Cr 元素和Ti 元素含量偏低和后續(xù)熱處理工藝的不合理。因此，優(yōu)化鋼中化學(xué)成分和改進(jìn)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(xué)成分Cr 元素和Ti 元素含量控制偏低

鋼中化學(xué)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(zhuǎn)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(shí)際生產(chǎn)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(dǎo)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(shè)計不相同，那么后續(xù)熱處理時淬火、回火溫度也可能需要做出相應(yīng)調(diào)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(shí)際處理工件時，應(yīng)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(qiáng)碳化物形成元素，當(dāng)它們?nèi)苋牍倘荏w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(xì)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(guān)［4］。

2．2．2 加熱方式不合理

該履帶板生產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)措施

3．1 提高鋼中Cr 元素和Ti 元素含量

根據(jù)現(xiàn)有鋼中Cr 元素和Ti 元素含量，綜合考慮生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)原則，適當(dāng)提高了鋼中Cr 元素和Ti 元素含量，成分調(diào)整前后對比見表1。

表1 履帶鋼25MnB 化學(xué)成分調(diào)整前后對比

3．2 改進(jìn)熱處理工藝

3．2．1 優(yōu)化淬火和回火溫度

根據(jù)改進(jìn)后的化學(xué)成分，分別按照880 ℃、870 ℃、860 ℃、855 ℃進(jìn)行淬火和260 ℃、240 ℃、220 ℃、210 ℃進(jìn)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(jù)試驗結(jié)果，采用855 ℃淬火+210 ℃回火工藝制度有利于硬度值的整體穩(wěn)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(jìn)

按照前面分析，可將履帶板在熱處理爐內(nèi)兩片扣在一起加熱方式改進(jìn)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(jìn)后履帶鋼加熱疊放方式

3．2．3 淬火方式改進(jìn)

將兩片一起入水冷卻方式改進(jìn)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(jìn)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?；鼗瘃R氏體，從而保證履帶鋼獲得均勻穩(wěn)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(jìn)效果

調(diào)整化學(xué)成分后，生產(chǎn)了5 爐LW190 ×8．5 mm規(guī)格履帶鋼，結(jié)合用戶改進(jìn)熱處理工藝等措施，履帶鋼表面硬度整體得到穩(wěn)定提升。

4．2．1 工藝改進(jìn)后的淬火硬度

選取5 爐60 片履帶板，檢測188 個硬度值點(diǎn)，平均值44．9 HRC，僅有2 點(diǎn)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(jìn)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(jìn)前后的淬火硬度值分布分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 改進(jìn)前淬火硬度值分布

圖8 改進(jìn)后淬火硬度值分布

4．2．2 工藝改進(jìn)后的回火硬度

選取之前經(jīng)淬火后60 片履帶板，經(jīng)回火后，檢測硬度點(diǎn)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(jīng)淬火后未回火之前，硬度值平均低了2HRC 左右。測硬度結(jié)果表明，回火后硬度小于40 HRC 的比例只有4．3%，較改進(jìn)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(jìn)前后回火硬度值分布分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 改進(jìn)前回火硬度值分布率

圖10 改進(jìn)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(shí)施，淬火、回火后硬度值提升效果明顯，除個別點(diǎn)硬度值稍低，存在偶然因素外，回火后硬度值基本穩(wěn)定提升在40 HRC 以上，滿足了用戶的使用要求。

5 結(jié)束語

通過提高履帶鋼中合金元素Cr、Ti 的含量和改進(jìn)熱處理工藝以及加熱和冷卻方式的改進(jìn)，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(wěn)定達(dá)到了40 HRC 以上，更好地滿足了特殊環(huán)境下對鋼耐磨性的要求。

［1］劉明，唐歷，盧向陽，等．35MnTiB 推土機(jī)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(yīng)用技術(shù)［M］． 北京: 力學(xué)工業(yè)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(chǔ)性能的影響［D］． 昆明:昆明理工大學(xué)，2007．