低合金高强度耐磨履带板铸造工艺研究

雷鹏飞，高俊峰

（太原重型机械集团有限公司特铸分公司，山西太原 030024）

随着国内露天矿山生产规模的日益扩大，挖掘机、推土机等矿用设备的需求量也随之增加，其配、备件市场空间也越来越大，尤其是一些易磨、易损件。该产品履带板作为液压挖掘机行走装置的重要部分，不仅要承受挖掘机上百吨的自重载荷，其与驱动轮的啮合剪切力以及高低起伏的路面形成的复杂应力，使得挖掘机履带板常因强度不够而产生变形、磨损，甚至报废，影响铸件使用寿命，延长矿场采掘工时，增加了矿山的生产成本。因此如何生产出低成本、高品质的履带板产品，成了摆在我们面前的关键问题。

1 技术难点与关键点

选用低合金高强度耐磨钢材质生产的履带板具有初始强度高，耐磨性能好的优点，其合金含量低则降低了生产成本，在处理砂土、小块岩石等非强烈冲击碰撞工况条件下，使用效果佳。履带板毛坯如图1所示，该履带板的生产制造存在以下难点：

1）铸件结构复杂，薄壁、弧面、凹槽较多，铸造工艺性差，易出现粘砂、砂眼、变形、裂纹等缺陷，同时产品一致性较难保证；

图1 履带板毛坯

2）材质综合机械性能要求高，抗拉强度、屈服强度要求均在1100 MPa以上，且对塑性、韧性、硬度指标要求较高；

3）探伤要求严格：试制件100%进行UT、MT探伤，批量生产100%进行磁粉探伤（MT）；

4）铸造尺寸公差要求较严格，执行JB/T 5939-91 CT11级精度，允许偏差在±4 mm内，直线度不大于8 mm/m；

5）热处理时圆弧薄边易变形，需做工装支垫；

6）装配精度要求高，装配部位为多个相切的圆弧，在不机加工的条件下保证圆弧接触面是面接触；

7）根据其使用工况条件及性能指标，应选择低合金高强度钢，而利用此类钢种生产履带板在我分公司还属首次。

2 铸造工艺设计

2.1 浇注系统及冒口设计

该履带板材质选用公司自行研发的TZBL-1材料，根据其材质及结构特点，采用开放式浇注系统，在铸件单侧分布两道内水口，内水口呈扁平式，同时在远离浇道的一侧放置3道 30 mm的出气孔，保证铸件在浇注时充型顺畅。根据现场跟踪，钢液充型比较平稳，铸件毛坯未发现渣、气孔及冷隔缺陷。

在铸件热节处同时也是筋板十字交汇处放置了2个 180 mm的缩颈保温发热冒口，铸件收得率在60%以上。在保证铸件质量的情况下，提高了收得率，缩颈冒口的使用降低了冒口的后续处理难度。浇注系统布置示意如图2.

图2 履带板浇注系统示意图

2.2 主要工艺参数的选取

2.2.1 铸造收缩率

铸件要求的铸造尺寸公差为JB/T 5939-91 CT11级精度，对于以树脂自硬砂造型工艺生产的铸件来说，属于公差等级要求较高的。另一方面，在装配时圆弧面的配合要求面接触，因此缩尺的合理选取将对铸件尺寸精度起到直接作用。根据铸件结构特点及公司生产使用原辅材料情况，结合公司该种材质的特点，选取长、宽方向缩尺为2.0%～2.2%，高度方向缩尺为1.8%～2.0%.

2.2.2 起模斜度

该履带板属于薄壁较多的平板类铸件，为避免砂型在起模时出现破损、变形，木模的起模斜度选取±0.5，同时在模型的拐角、凹槽处覆盖适量的特种砂来保证起模效果及砂型的完整、光滑，从而确保铸件表面质量要求。

2.2.3 浇注温度

根据铸件壁薄、凹槽较多的结构特点，选取浇注温度时考虑防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷，适当提高浇注温度，但浇注温度太高，铸件又会产生缩孔、缩松、粘砂等缺陷，最终选择将浇注温度控制在1560℃～1580℃.

2.3 铸造工艺数值模拟

该履带板结构比较复杂，薄壁、圆弧面多，铸造工艺性较差，为尽可能地避免铸造缺陷的产生，对铸造工艺进行了CAE数值模拟，图3为履带板铸造工艺模拟末期的结果照片。

图3 铸造工艺CAE模拟

在CAE模拟过程中，铸件遵循从下到上、从四周到冒口中心的凝固顺序，冒口为最后凝固区域。铸件上无明显缩孔、缩松等缺陷，缩孔全部留在冒口中。

3 热处理工艺与工装的设计

根据以往的经验，结合履带板的特点，对铸件进行980℃正火+927℃淬火+204℃低温回火热处理。为防止履带板圆弧面在热处理时下垂变形，做了热处理的专用工装，示意图见图4.

履带板的圆弧面与专用工装是充分的面接触，在热处理冷却过程中，二者始终保持合二为一的关系，直到铸件冷却。热处理后铸件圆弧面无明显变形，整链装配效果良好，达到了预期效果。

图4 热处理工装示意图

4 试制结果及使用情况

试制两件后发现在圆弧薄壁的拐角处有裂纹，分析后认为是此处的尖砂阻碍圆弧面的收缩，由于应力太大发生缩裂。于是对工艺进行了改进，在此拐角处增设了割筋。后期生产的产品基本解决了前期的裂纹问题。

批量生产的该履带板产品表面质量优良，尺寸一致性好，性能参数较高，各项力学性能指标全部合格，通过了JB/T5000.14超声波3级探伤，磁粉2级探伤检测。经过跟踪现场使用情况，该批次履带板为同类产品中的优质品。前期已生产了整套该种履带板共100块，现场使用已有半年多，使用效果良好。表1为产品力学性能理论值与实测值的对比。

表1 产品力学性能理论值与实测值的对比

5 结论

低合金高强度铸件以其良好综合力学性能、优良的耐磨性、低廉的合金成本以及较好地弥补了高锰钢在使用中存在的不足，正受到越来越多的重视，低合金钢铸件的需求量也越来越大。本次研究开发的液压挖掘机履带板，尺寸公差、力学性能、无损探伤等均属高标准、高要求，通过CAE模拟及小批量试制，确定了合理的铸造工艺及热处理工艺、工装，最终得到了满足要求的高质量铸件。

［1］王文清.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］柳百成，黄天佑.铸造成形手册上［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［3］崔忠圻.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［4］牟成海.大型铸钢件的数值模拟与工艺优化［D］.重庆：重庆大学，2007.