挖掘機(jī)鏟斗用低合金耐磨鋼性能優(yōu)化

摘要：為了解決挖掘機(jī)鏟斗的強(qiáng)度和耐磨蝕問題，基于室內(nèi)試驗(yàn)和JMatPo模擬軟件分析，對(duì)3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨鋼進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：鋼材A的抗拉屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度最大，鋼材B次之，鋼材C最?。坏摬腃的延伸率最大，鋼材A和鋼材B的延伸率相近，且數(shù)值較小；鋼材A的沖擊吸收功最大，鋼材B次之，鋼材C最小；鋼材C的耐磨性能最差，鋼材B次之，鋼材A最好；隨著距表面距離的增加，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均表現(xiàn)為反“S”曲線型；隨著合金元素Cr和Mo的含量增加，鋼材強(qiáng)度和硬度均不斷增加；確定使用的鋼材A中，金屬元素Cr和Mo的含量分別為0.70%和0.016%為最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：低合金鋼；耐磨性能；室內(nèi)試驗(yàn)；挖掘機(jī)鏟斗；仿真分析

0 引言

挖掘機(jī)作為土木工程行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的工程機(jī)械設(shè)備之一，在土石方的挖掘和運(yùn)移中發(fā)揮了巨大的作用[1]。挖掘機(jī)在挖取物料時(shí)，與硬質(zhì)礦物質(zhì)發(fā)生摩擦碰撞，導(dǎo)致金屬構(gòu)件發(fā)生磨損，進(jìn)而構(gòu)件失效，頻繁更換和焊接磨損構(gòu)件，影響工程進(jìn)度并增大時(shí)間成本。

挖掘機(jī)金屬磨損作為僅次于腐蝕和疲勞破壞的危害，使得業(yè)界對(duì)于耐磨鋼材的需求不斷增加，然而國內(nèi)的耐磨鋼板的綜合平直和性能穩(wěn)定性還有待提高，不利于工程機(jī)械設(shè)備在全球市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，因此，研究高強(qiáng)低合金耐磨鋼材成為目前研究的熱點(diǎn)之一[2-3]。

挖掘機(jī)的主要工效構(gòu)件為鏟斗，在直接接觸巖土體的過程中，往往會(huì)導(dǎo)致刃板磨損?；诖耍芯烤哂泻辖鸷康?、良好的硬度和韌性相配合的低合金鋼，是保證鏟斗抵抗沖擊、提高耐磨效果的有效手段之一[4]。

本文研究基于室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨鋼進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析其抗拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和耐磨性能力學(xué)性能，并基于JMatPo模擬軟件，分析不同合金元素Cr和Mo組合對(duì)低合金耐磨性能的影響。研究成果可應(yīng)用于挖掘機(jī)鏟斗用低合金鋼耐磨鋼材的研發(fā)和機(jī)械設(shè)備制造，對(duì)于提高挖掘機(jī)鏟斗的使用性能具有一定積極作用。

1 鏟斗用低合金鋼耐磨鋼力學(xué)性能試驗(yàn)

低合金高強(qiáng)耐磨鋼是一種具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能和冷成型性能，以及較低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度的鋼種，其主要生產(chǎn)過程經(jīng)過預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄、冷卻、軋鋼、熱處理和矯直過程。

1.1 試驗(yàn)材料選取

經(jīng)過調(diào)研，試驗(yàn)選用中國寶武武鋼集團(tuán)生產(chǎn)的3種挖掘機(jī)鏟斗用低合金高強(qiáng)度耐磨鋼進(jìn)行試驗(yàn)，材料的厚度均為45mm，3種鋼材的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

在室內(nèi)對(duì)3種不同的低合金耐磨鋼進(jìn)行抗拉試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和磨粒磨損試驗(yàn)。

1.2.1 抗拉試驗(yàn)

抗拉試驗(yàn)將鋼材加工成12.5mm×3.0mm×135mm的標(biāo)準(zhǔn)矩形試驗(yàn)，每組試驗(yàn)測(cè)試3次，采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試時(shí)間的應(yīng)變和拉力，試驗(yàn)時(shí)拉伸速度取位1mm/min，每組試驗(yàn)按3次的測(cè)量結(jié)果取平均值。

1.2.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)將鋼材加工成10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)V型夏比沖擊試樣，采用ZBC 2302-1型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試件，在-20℃液氮試驗(yàn)桶中冷卻20min后的沖擊吸收功，每組試驗(yàn)測(cè)試3次，按3次的測(cè)量結(jié)果取平均值。

1.2.3 磨粒磨損試驗(yàn)

磨粒磨損試驗(yàn)將鋼材加工成57mm×25.5mm×6mm的矩形板，粗糙度為6.3μm，并在MLG-130型干式橡膠磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，磨損面為鋼板表面。橡膠輪的轉(zhuǎn)速為200r/min，磨料為40～80目石英砂。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 拉伸試驗(yàn)

圖1為3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的拉伸試驗(yàn)參數(shù)（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率）的對(duì)比。從圖1中可以看出，3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨剛度的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸了均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，鋼材A的抗拉屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度最大，鋼材B次之，鋼材C最小。但鋼材C的延伸率最大，達(dá)到110.4%，鋼材A和鋼材B的延伸率相近，且數(shù)值較小，約為11%。

1.3.2 沖擊試驗(yàn)

圖2為3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖2中可以看出，與低合金高強(qiáng)耐磨鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果類似，鋼材A的沖擊吸收功最大，平均值達(dá)到34.6J，鋼材B的沖擊吸收功次之，平均值達(dá)到30.6J，鋼材C的沖擊吸收功最小，平均值為14.0J。

1.3.3 磨粒磨損試驗(yàn)

在低合金高強(qiáng)耐磨鋼磨粒磨損試驗(yàn)中，進(jìn)行了2種不同加載工況，分別進(jìn)行載荷為130N和60N的兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3中可知，在荷載130N作用下，鋼材C的磨損失質(zhì)量最大，達(dá)到6.05g；鋼材B的磨損失質(zhì)量次之，達(dá)到5.03g；鋼材C的磨損失質(zhì)量最小，達(dá)到4.54g。

從圖4中可知，在荷載60N作用下，鋼材C的磨損量減小明顯，鋼材B的磨損量和鋼材A的磨損量變化較小。鋼材C的磨損失質(zhì)量最大，達(dá)到5.36g；鋼材B的磨損失質(zhì)量次之，達(dá)到5.22g；鋼材C的磨損失質(zhì)量最小，達(dá)到4.69g，其組織為細(xì)小均勻馬氏體。

綜合分析可知，鋼材C的耐磨性能最差，鋼材B的耐磨性能次之，鋼材A的耐磨性最好。結(jié)合3種低合金高強(qiáng)耐磨鋼的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果，研究確定的鋼材A為最優(yōu)的耐磨挖掘機(jī)鏟斗材料。

2 不同合金元素組合對(duì)低合金耐磨鋼影響

2.1 金屬元素Cr與Mo的功用

金屬元素Cr和Mo是影響挖掘機(jī)鏟斗用低合金耐磨耐磨性能的重要2種元素，Cr元素能夠提高鋼材的抗腐蝕性，降低摩擦系數(shù)，從而改善耐磨性能因此。在低合金鋼中加入Mo，可以增加其強(qiáng)度、韌性以及耐熱性。Mo元素對(duì)鋼材的耐磨性能有積極的影響，可以增強(qiáng)鋼的抗磨粒磨損能力。

2.2 設(shè)置Cr與Mo元素組合工況

基于以上分析，針對(duì)鋼材A，設(shè)置了3種不同的合金元素Cr和Mo組合，金屬元素Cr的增量為0.15%，金屬元素Mo的增量為0.003，其余元素含量保持不變，如表2所示。

2.3 分析軟件選擇

運(yùn)用JMatPro模擬軟件分析3種工況的淬透性能。JMatPro模擬軟件集成了大量的合金平衡相、等溫轉(zhuǎn)變曲線、合金熱處理等數(shù)據(jù)，可以對(duì)金屬材料的多種性能金你給模擬，以縮短試驗(yàn)時(shí)間和改進(jìn)金屬制造工藝。

2.4 不同工況淬透性能分析

圖5至圖7為3種不同工況的淬透性能的計(jì)算結(jié)果。從圖5至圖7可以看出，3種不同工況鋼材的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律。隨著距表面距離的增加，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均表現(xiàn)為反“S”曲線型。

其中：工況A的拉伸強(qiáng)度范圍為646～1120MPa，屈服強(qiáng)度為891～1374MPa，硬度為26～44HRC；工況B的拉伸強(qiáng)度范圍為710～1232MPa，屈服強(qiáng)度為980～1152MPa，硬度為29～49HRC；工況C的拉伸強(qiáng)度范圍為746～1293MPa，屈服強(qiáng)度為1029～1587MPa，硬度為30～51HRC。

綜上所述，隨著合金元素Cr和Mo的含量增加，鋼材的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均不斷增加，因此，可以確定使用的鋼材A中，金屬元素Cr和Mo的含量分別為0.70%和0.016%為最優(yōu)。

4 結(jié)束語

挖掘機(jī)的主要工效構(gòu)件為鏟斗，在直接接觸巖土體的過程中，往往會(huì)導(dǎo)致刃板磨損?；诖?，研究具有合金含量低、良好的硬度和韌性相配合的低合金鋼，是保證鏟斗抵抗沖擊、提高耐磨效果的有效手段之一

本文對(duì)3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨鋼進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析其抗拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和耐磨性能力學(xué)性能，并基于JMatPo模擬軟件，分析不同合金元素Cr和Mo組合對(duì)低合金耐磨性能的影響，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨剛度的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。鋼材A的抗拉屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度最大，鋼材B次之，鋼材C最小。但鋼材C的延伸率最大，鋼材A和鋼材B的延伸率相近，且數(shù)值較小。

與低合金高強(qiáng)耐磨鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果類似，3種不同低合金高強(qiáng)度耐磨鋼種中，鋼材A的沖擊吸收功最大，鋼材B的沖擊吸收功次之，鋼材C的沖擊吸收功最小。鋼材C的耐磨性能最差，鋼材B的耐磨性能次之，鋼材A的耐磨性最好。

隨著距表面距離的增加，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均表現(xiàn)為反“S”曲線型。隨著合金元素Cr和Mo的含量增加，鋼材的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均不斷增加。確定使用的鋼材A中，金屬元素Cr和Mo的含量分別為0.70%和0.016%為最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王榮，高浩，魏德強(qiáng).挖掘機(jī)斗齒用新型低合金耐磨鋼熱處理工藝參數(shù)的研究[J].熱加工工藝，2017，46（6）：205-209.

[2] 魏心寬，龔志華，徐文龍，等.熱處理工藝對(duì)挖掘機(jī)鏟斗用鋼組織和力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理，2015（4）：94-97.

[3] 郭紅，劉英，李衛(wèi).挖掘機(jī)斗齒的磨損機(jī)制與選材研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014，28（7）：99-103.

[4] 楊寶國.錳及熱處理參數(shù)對(duì)中碳低合金耐磨鋼組織與性能的影響[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2014（2）：42-45.