提高高錳鋼履帶板使用壽命的研究

謝袁飛　曾曉華　易文質(zhì)

[摘要]對(duì)車(chē)輛履帶板高錳鋼的失效形式進(jìn)行分析研究后，在不改變履帶板用鋼及技術(shù)要求條件下，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用多元微量合金化成分的優(yōu)選，采用非常規(guī)變質(zhì)處理的新工藝，使履帶板的使用壽命由原來(lái)的3200km提高到7000km以上，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[關(guān)鍵詞]高錳鋼 合金鋼 變質(zhì)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：O59文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0520097－01

我國(guó)車(chē)輛履帶板的使用壽命低，有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，車(chē)輛履帶板的使用壽命約為3200km的車(chē)輛行程。本課題組從履帶板的失效分析與研究入手針對(duì)其性能要求，在不改變履帶板用鋼和技術(shù)要求條件下，通過(guò)多元微量合金化成分的優(yōu)選，采用了非常規(guī)變質(zhì)處理工藝，進(jìn)行了熱處理工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、車(chē)輛履帶板用鋼及熱處理

履帶板的傳統(tǒng)用鋼是ZGMn13高錳鋼，其化學(xué)成分；質(zhì)量分?jǐn)?shù)%為1.00～1.40C，11.50～14.50Mn，0.5～0.8Si，≤0.045S，≤0.08P。這種奧氏體鋼硬度約為180～220HBS，具有很強(qiáng)的加工硬化能力，當(dāng)它在受到劇烈沖擊或特大

壓力作用時(shí)，表面層將迅速發(fā)生加工硬化，使硬度達(dá)到450～550HBS，獲得高的耐磨性，其心部則仍維持原有狀態(tài)。高錳鋼履帶板傳統(tǒng)的熱處理方法是水韌處理，即加熱溫度為1050℃～1080℃，水（≤40℃）冷。

二、履帶板的失效形式及強(qiáng)韌化的途徑

履帶板的失效形式主要有：（1）履帶板在高載荷作用下，應(yīng)力幅值較高，加之復(fù)雜的交變沖擊載荷的作用，使得板內(nèi)裂紋的尖端產(chǎn)生加工硬化，KIc值下降，而發(fā)生準(zhǔn)脆性斷裂。（2）鑄件表面存在的氣孔、渣眼、砂眼等缺陷以及水韌處理的微裂紋將成為疲勞裂紋源，是產(chǎn)生低應(yīng)力準(zhǔn)脆性斷裂的基礎(chǔ)。（3）在惡劣的偶然性大沖擊作用下，其應(yīng)力幅值大于σs，在高應(yīng)力區(qū)域裂紋源的KIc值降低導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展而斷裂。（4）因強(qiáng)度不足，產(chǎn)生塑性變形，銷(xiāo)孔拉長(zhǎng)使整個(gè)履帶增長(zhǎng)而失效。或銷(xiāo)孔磨損失效。

履帶板強(qiáng)韌化的途徑：（1）采用多元微量合金化成分的優(yōu)選。（2）采用非常規(guī)變質(zhì)處理的新工藝。（3）對(duì)高錳鋼材料成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)新的成分制訂相應(yīng)的熱處理工藝。

三、非常規(guī)變質(zhì)處理的機(jī)理及工藝

變質(zhì)處理是鑄造生產(chǎn)改善材質(zhì)性能的最常用的和最簡(jiǎn)便的與最有效的方法。高錳鋼的常規(guī)變質(zhì)處理，往往是向鋼中加入一次變質(zhì)劑，以期獲得所需的性能。本研究根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)家的條件與現(xiàn)有鐵合金的品種，選用了多元變質(zhì)劑：Ti、Al、Ca、RE（即鈦鐵、硅鐵稀土、硅鈣合金）和多次分級(jí)變質(zhì)處理的方法，其變質(zhì)工藝如表1所示。

從工藝方案可知Al、Ca、RE都有脫氧的作用。高錳鋼中的MnO和FeO的存在使其韌性降低。而稀土元素的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，稀土氧化物的生成自由能為最低，它在鋼液中首先形成稀土氧化物，因此，稀土是一種很強(qiáng)的脫氧劑，其脫氧能力僅次于鈣，而強(qiáng)于鋁。同時(shí)稀土硫化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能要比MnS、FeS等低得多，因而它也是一種脫硫劑。據(jù)測(cè)定，加稀土后的高錳鋼S含量下降20-30%。殘存在鋼液中的稀土硫化物，是熱力學(xué)上極為穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物，充當(dāng)結(jié)晶核心，從而有細(xì)化晶粒的作用。Ti與鋼中的氮形成TiN均勻地分布在奧氏體晶粒內(nèi)部，TiN的熔點(diǎn)很高，起結(jié)晶核心作用，細(xì)化晶粒，使鋼強(qiáng)韌化。

由表1可知：非常規(guī)變質(zhì)處理的實(shí)質(zhì)，就是采用不同的變質(zhì)劑在不同的時(shí)間內(nèi)，從爐內(nèi)到爐外加入鋼水之中，進(jìn)行的分級(jí)多次變質(zhì)處理。其結(jié)果達(dá)到了細(xì)化晶粒，改變夾雜物形態(tài)與分布，以及凈化鋼水的目的。變質(zhì)元素還有利于脫氧。

四、試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

調(diào)整后的新型ZGMn13高錳鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

本研究是在不改變高錳鋼ZGMn13成分的基本組元下，選用多元微量的添加元素Cr、Mo、Ti、Al、Ca、RE等，其中Cr、Mo為強(qiáng)化元素，使鋼固溶強(qiáng)化，而Ti、Ca、RE則為變質(zhì)元素。值得說(shuō)明的是：P的實(shí)際含量范圍在0.

064%～0.074%，在普通高錳鋼中的P含量為≤0.08%，國(guó)標(biāo)GB/T5680－1985中ZGMn13-3的P含量為≤0.08%，對(duì)比之下，P含量基本相同，但前者具有比后者顯著高的塑性和韌性。其原因與冶煉工藝的改善加強(qiáng)了脫氧變質(zhì)處理的因素有著重要的作用。爐前試棒脫氧狀況的彎曲試驗(yàn)情況對(duì)比如圖1和圖2。

由圖1和圖2對(duì)比可知：研制的新型ZGMn13鋼具較好的塑性和韌性。鋼中夾雜物會(huì)嚴(yán)重地影響鋼的性能，特別是塑性和韌性，由于試驗(yàn)的新型高錳鋼強(qiáng)化了變質(zhì)處理，使夾雜物的形態(tài)、數(shù)量、大小及分布有了較大的改變，通過(guò)金相分析可知，在普通高錳鋼中夾雜物呈多邊形，沿晶界呈網(wǎng)狀

分布，而新型高錳鋼中的夾雜物呈球狀，散亂分布，因而使得新型高錳鋼具有較好的塑性和韌性。

新型高錳鋼履帶板裝車(chē)壽命考核結(jié)果，證明具有優(yōu)異的抗斷裂性能，抗磨性能及抗蝕性能。在使用中無(wú)斷裂現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)7000km車(chē)輛行程的考驗(yàn)仍在繼續(xù)使用，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)語(yǔ)

1．本研究確定了新型履帶板ZGMn13的化學(xué)成分如表2所示。

2．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，使夾雜物由普通高錳鋼的網(wǎng)狀變?yōu)榱畈⑸y分布。

3．低溫等溫預(yù)處理和高溫水韌處理規(guī)范的優(yōu)化，有利于制定出鑄件最佳的熱處理工藝。

4．非常規(guī)變質(zhì)處理新工藝，能賦予履帶板ZGMn13必要的性能。實(shí)踐證明（裝車(chē)壽命考核）：經(jīng)新工藝處理的履帶板，使用中無(wú)斷裂現(xiàn)象，使用壽命由原來(lái)的3200km車(chē)輛行程，提高到7000km車(chē)輛行程，仍在正常使用。

基金項(xiàng)目：中國(guó)人民解放軍總參謀部（1991）參裝字第398號(hào)文件批準(zhǔn)《提高坦克履帶使用壽命研究》課題為全軍“八五”期間重點(diǎn)科研項(xiàng)目；2007年湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目07JJ5067。

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作者簡(jiǎn)介：

謝袁飛，女，湖南資興人，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造教學(xué)與科研，金屬材料及熱處理教學(xué)與科研，發(fā)表論文20余篇，1996年獲中國(guó)人民解放軍科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。