CKE2500履带板微观组织和力学性能研究

许明飞

（三一科技研究本院，浙江 湖州 313028）

0 引言

工程机械履带板受力情况复杂，其不仅与沙石、泥土、钢板等直接接触，还要承受挤压、弯曲、冲击等多种应力作用，加上材质、铸造和热处理的一些缺陷，使其成为履带起重机上消耗量最多、备件最多的零件［1］。频繁更换履带板既影响客户对产品质量的信心，同时又大量增加机器的维护成本。因此，如何改善履带板材料的强韧配合，使履带板具有优异的耐磨性、抗冲击性和较高的屈服强度，即延长履带板的使用寿命进而降低机器维护成本是一个非常重要的课题。

履带板用钢有高锰钢、中锰钢和低合金高强度钢［2-4］。随着起重机吨位的增加，高锰钢和中锰钢已很难满足使用要求，而低合金高强度钢成为履带起重机履带板主流材料。材料性能的好坏直接影响履带板的使用寿命。众所周知，神钢株式会社的前身是日本神户制钢所，其工程机械产品具有较好的综合性能，这与其材料本身的优势密切相关。本文通过系统研究神钢CKE2500履带板材料成分、微观组织和力学性能，建立组织-性能关系图，并量化其各性能指标，以其为标杆来指导我们开发高性能的履带板材料。

1 实验部分

1.1 试验材料

试验所用材料为神钢CKE2500履带板和我司SCC2500履带板用材料 ZG34Cr2Ni2Mo钢，图 1为CKE2500履带板外形照片。

图1 CKE2500履带板外形照片

1.2 试验方法

采用小型钻床制备屑状试样后利用碳硫仪测量材料中金属及非金属元素含量。利用锯床在销耳处（见图1）取样制备金相分析样品。采用金相显微镜分析材料腐蚀后显微组织，在观察组织前，样品依次用400#、800#和1000#金相砂纸对样品进行磨光，随后抛光、腐蚀，腐蚀剂为3%～5%硝酸酒精溶液。利用拉伸试验机测量材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率（按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸样品）。利用冲击试验机测量样品的抗冲击性能，温度为-40℃。利用数显式洛氏硬度计和布氏硬度计测量样品硬度。

2 结果分析与讨论

2.1 成分分析

表1为神钢履带板和我公司履带板材料所含主要元素和含量对比。神钢履带板材料为低碳钢，三一公司履带板材料为中碳钢，查阅国内外材料标准，未发现与神钢履带板成分及含量完全相符的材料，可见此材料配方为自主研发。

表1 神钢和三一履带板材料所含元素质量分数 %

从表1可以看出，神钢履带板主加元素为Si、Mn、Cr、Ni、Mo，这可以显著提高钢的淬透性；神钢履带板含碳量低于我公司履带板含碳量，一般而言，含碳量低，材料的冲击韧度高，但淬硬性不高，从而使硬度低，耐磨性差；反之，则淬硬性高，而冲击韧度低，易产生裂纹和脆断现象。Si和Mn元素可固溶强化铁素体基体［5］，提高材料强度；Al作为辅加元素，含量较少，可起到脱氧作用，同时少量Al的存在可形成 AlN，可细化晶粒，提高硬度［6］，补偿神钢履带板材料的耐磨损性能。神钢履带板中Cr和Ni含量显著低于我公司履带板，这表明神钢履带板原材料成本低于我公司履带板，同时铸件枝晶偏析程度也小于我公司履带板，可降低热处理工艺难度和成本。神钢履带板材料中杂质元素S、P含量非常低，显著降低调质后材料晶界处的杂质偏聚浓度，减少第二类回火脆性，提高材料韧性。

根据经验公式（1）分别计算了神钢和我公司履带板材料的Ms（马氏体转变开始温度）。神钢履带板材料Ms为404℃，我司履带板材料Ms为339℃（各元素取中值）。计算结果表明，神钢履带板获得板条状马氏体能力高于我司履带板，板条状马氏体具有优良的强韧配合。

2.2 显微组织分析

图2为神钢履带板和我公司履带板销耳处心部金相组织。从图中可以看出，两者金相组织均为回火索氏体组织，可推断两者热处理工艺均为调质处理，但神钢履带板中铁素体仍保持着原板条马氏体位相，而我公司履带板金相组织中铁素体这种位相关系已消失殆尽，可推断淬火后，我公司履带板获得组织为板条马氏体和针状马氏体混合物。值得注意的是，神钢履带板心部组织细小均匀，析出的碳化物颗粒小于我公司履带板心部组织中析出的碳化物颗粒。这表明，尽管两者热处理工艺均为调质处理（淬火+高温回火，获得回火索氏体组织），但热处理精细化程度不同，即淬火温度和回火温度存在差异，根据组织分析，神钢履带板淬火后回火温度低于三一公司履带板材料回火温度。理论上，神钢履带板这种组织使得其比三一公司履带板具有较高的冲击韧性和硬度（通过细晶强化、弥散强化和位错强化来实现）。

图2 销耳孔心部金相组织 500×

2.3 力学性能分析

2.3.1 硬度

图3为神钢履带板销耳处心部组织在载荷为1 471 N下测量的6次硬度值（HRC）。从图3可以看出，神钢履带板硬度比较均匀，约25.5HRC（测量数据均差在±1HRC），未出现软点，这表明神钢履带板材料成分设计合理，可完全淬透，神钢履带板（销耳处）心部组织硬度在回火索氏体硬度范围之内，这和材料金相组织分析相一致。

图3 神钢履带板材料（销耳孔处）心部硬度

表2 神钢履带板和我司履带板基体硬度 HBW

表2列出了神钢履带板和我司履带板基体硬度，从表中可以看出，神钢履带板基体硬度比三一履带板基体硬度高13～64HBW，从材料成分上看，神钢履带板含碳量较低，淬火后淬硬硬度低于我司履带板硬度，但高温回火后神钢履带板基体硬度反而高于我司履带板硬度。经分析，主要有以下两个原因：1）神钢履带板材料添加了少量Al元素，少量Al与N形成 AlN，细化晶粒，提高了硬度［6］，Mn 元素含量较高，可固溶强化铁素体，在一定程度上可补偿硬度；2）从金相组织上可推断神钢回火温度低于我司履带板，使得析出的碳化物颗粒细小，铁素体仍保留原位错型（板条）马氏体位相，强化了基体。

2.3.2 抗拉强度

图4为神钢履带板拉伸试样载荷-位移曲线，图5为试样拉伸后实物照片。从图4可以看出，神钢履带板载荷-位移曲线上没有类似低碳钢的“锯齿形”屈服平台，但有“颈缩”特征，这从试样拉伸实物照片也得到证实，如图5所示。这表明神钢履带板材料有较好的塑性，这是由其较低的碳含量和调质处理后的组织决定的。表3列出了神钢履带板和三一公司履带板拉伸性能对比，从表3可以看出，神钢履带板抗拉强度和屈服强度分别比三一公司履带板高2%和23%，屈服强度的提高得益于神钢履带板精细的热处理水平和合理的成分设计。

图4 神钢履带板拉伸试样载荷-位移曲线

图5 拉伸后实物照片

表3 神钢履带板和我司履带板拉伸性能对比

2.3.3 抗冲击强度

图6为神钢履带板在-40℃下待冲击的实物照片和取样位置。表4列出了神钢履带板和三一公司履带板材料在-40℃下的冲击功。从表4可以看出，神钢履带板材料在-40℃下冲击功是三一履带板的材料近2.3倍，神钢履带板材料其较高的冲击韧度与其含碳量较低、杂质元素S、P含量低和调质后均匀、细小的微观组织相一致。履带板的销耳孔在服役过程中，主要和销轴共同作用来承受强烈剪切、冲击、弯曲和扭转力作用，同时承受摩擦。因此，销耳孔应具有高的抗剪、抗屈服和抗断裂韧度，同时要有较好的抗冲击、抗疲劳和抗磨损综合力学性能。三一公司履带板较低的冲击功是导致其在服役过程中销耳孔经常断裂的主要原因，如图7所示。

2.4 摩擦磨损性能分析

一般而言，对于同一类材料而言（弹性模量基本没有差异），其硬度越高，其耐磨损性能越好［7］。神钢履带板较高的基体硬度促使其耐磨损性能不低于三一公司履带板耐磨损性能。

图6 神钢履带板在-40℃下待冲击的实物照片和取样位置

图7 三一公司履带板销耳处发生断裂

表4 神钢履带板和三一公司履带板材料在-40℃下的冲击功Akv J

3结语

1）神钢履带板调质后，获得回火索氏体组织，即在保持原板条马氏体位相的铁素体基体上析出小而均的粒状渗碳体；2）神钢履带板调质后，材料具有优良的力学性能，其中抗拉强度为930 MPa，屈服强度为864 MPa，延伸率为14%，-40℃下冲击功为61.2J；3）神钢履带板优良的力学性能与其合理的化学成分设计和热处理工艺 (得到优良的微观组织)是相一致的；4）热处理工艺和材料成分设计良好配合对提高履带板材料性能和降低履带板生产综合成本具有重要作用。

［1］ 田洪杰，高顺德，肖华.履带板受力情况分析［J］.机械设计与制造，2011，32（4）：226-227.

［2］ 孟亚清.高锰钢履带板断裂原因分析［J］.机械管理开发，2004，14（6）：13-15.

［3］ 韩文政，张平，张翼良，等.中锰铸钢坦克履带板服役条件时的强化特性研究［J］.兵器材料科学与工程，2000，23（4）：3-6.

［4］ 陈国香，肖军民.履带板用新型中碳Cr-Mn-Si-Mo-RE低合金铸钢［J］.特殊钢，2001，22（6）：36-38.

［5］ 戴起勋.金属材料学［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［6］ 李会玲，张哲平，汪凤华.Al在钢中脱氧定氮作用浅析［J］.天津冶金，2008（5）：51-53.

［7］ 夏立芳.金属热处理工艺学［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.