挖掘机铲斗用低合金耐磨钢性能优化

摘要：为了解决挖掘机铲斗的强度和耐磨蚀问题，基于室内试验和JMatPo模拟软件分析，对3种不同低合金高强度耐磨钢进行室内试验。研究结果表明：钢材A的抗拉屈服强度、抗拉强度最大，钢材B次之，钢材C最小；但钢材C的延伸率最大，钢材A和钢材B的延伸率相近，且数值较小；钢材A的冲击吸收功最大，钢材B次之，钢材C最小；钢材C的耐磨性能最差，钢材B次之，钢材A最好；随着距表面距离的增加，拉伸强度、屈服强度和硬度均表现为反“S”曲线型；随着合金元素Cr和Mo的含量增加，钢材强度和硬度均不断增加；确定使用的钢材A中，金属元素Cr和Mo的含量分别为0.70%和0.016%为最优。

关键词：低合金钢；耐磨性能；室内试验；挖掘机铲斗；仿真分析

0 引言

挖掘机作为土木工程行业应用最为广泛的工程机械设备之一，在土石方的挖掘和运移中发挥了巨大的作用[1]。挖掘机在挖取物料时，与硬质矿物质发生摩擦碰撞，导致金属构件发生磨损，进而构件失效，频繁更换和焊接磨损构件，影响工程进度并增大时间成本。

挖掘机金属磨损作为仅次于腐蚀和疲劳破坏的危害，使得业界对于耐磨钢材的需求不断增加，然而国内的耐磨钢板的综合平直和性能稳定性还有待提高，不利于工程机械设备在全球市场上的竞争力，因此，研究高强低合金耐磨钢材成为目前研究的热点之一[2-3]。

挖掘机的主要工效构件为铲斗，在直接接触岩土体的过程中，往往会导致刃板磨损。基于此，研究具有合金含量低、良好的硬度和韧性相配合的低合金钢，是保证铲斗抵抗冲击、提高耐磨效果的有效手段之一[4]。

本文研究基于室内试验，对3种不同低合金高强度耐磨钢进行室内试验，分析其抗拉强度、冲击强度和耐磨性能力学性能，并基于JMatPo模拟软件，分析不同合金元素Cr和Mo组合对低合金耐磨性能的影响。研究成果可应用于挖掘机铲斗用低合金钢耐磨钢材的研发和机械设备制造，对于提高挖掘机铲斗的使用性能具有一定积极作用。

1 铲斗用低合金钢耐磨钢力学性能试验

低合金高强耐磨钢是一种具有高强度、高韧性、良好的焊接性能和冷成型性能，以及较低的冷脆转变温度的钢种，其主要生产过程经过预处理、转炉、精炼、连铸、冷却、轧钢、热处理和矫直过程。

1.1 试验材料选取

经过调研，试验选用中国宝武武钢集团生产的3种挖掘机铲斗用低合金高强度耐磨钢进行试验，材料的厚度均为45mm，3种钢材的化学成分如表1所示。

1.2 试验方法

在室内对3种不同的低合金耐磨钢进行抗拉试验、冲击试验和磨粒磨损试验。

1.2.1 抗拉试验

抗拉试验将钢材加工成12.5mm×3.0mm×135mm的标准矩形试验，每组试验测试3次，采用CMT5105型微机控制电子万能试验机测试时间的应变和拉力，试验时拉伸速度取位1mm/min，每组试验按3次的测量结果取平均值。

1.2.2 冲击试验

冲击试验将钢材加工成10mm×10mm×55mm的标准V型夏比冲击试样，采用ZBC 2302-1型冲击试验机测量试件，在-20℃液氮试验桶中冷却20min后的冲击吸收功，每组试验测试3次，按3次的测量结果取平均值。

1.2.3 磨粒磨损试验

磨粒磨损试验将钢材加工成57mm×25.5mm×6mm的矩形板，粗糙度为6.3μm，并在MLG-130型干式橡胶磨粒磨损试验机上进行试验，磨损面为钢板表面。橡胶轮的转速为200r/min，磨料为40～80目石英砂。

1.3 实验结果分析

1.3.1 拉伸试验

图1为3种不同低合金高强度耐磨钢的拉伸试验参数（屈服强度、抗拉强度、延伸率）的对比。从图1中可以看出，3种不同低合金高强度耐磨刚度的屈服强度、抗拉强度和延伸了均呈现相同的变化规律，钢材A的抗拉屈服强度、抗拉强度最大，钢材B次之，钢材C最小。但钢材C的延伸率最大，达到110.4%，钢材A和钢材B的延伸率相近，且数值较小，约为11%。

1.3.2 冲击试验

图2为3种不同低合金高强度耐磨钢的冲击试验结果对比。从图2中可以看出，与低合金高强耐磨钢的拉伸试验结果类似，钢材A的冲击吸收功最大，平均值达到34.6J，钢材B的冲击吸收功次之，平均值达到30.6J，钢材C的冲击吸收功最小，平均值为14.0J。

1.3.3 磨粒磨损试验

在低合金高强耐磨钢磨粒磨损试验中，进行了2种不同加载工况，分别进行载荷为130N和60N的两组试验，试验结果如图3和图4所示。

从图3中可知，在荷载130N作用下，钢材C的磨损失质量最大，达到6.05g；钢材B的磨损失质量次之，达到5.03g；钢材C的磨损失质量最小，达到4.54g。

从图4中可知，在荷载60N作用下，钢材C的磨损量减小明显，钢材B的磨损量和钢材A的磨损量变化较小。钢材C的磨损失质量最大，达到5.36g；钢材B的磨损失质量次之，达到5.22g；钢材C的磨损失质量最小，达到4.69g，其组织为细小均匀马氏体。

综合分析可知，钢材C的耐磨性能最差，钢材B的耐磨性能次之，钢材A的耐磨性最好。结合3种低合金高强耐磨钢的抗拉强度试验和冲击试验结果，研究确定的钢材A为最优的耐磨挖掘机铲斗材料。

2 不同合金元素组合对低合金耐磨钢影响

2.1 金属元素Cr与Mo的功用

金属元素Cr和Mo是影响挖掘机铲斗用低合金耐磨耐磨性能的重要2种元素，Cr元素能够提高钢材的抗腐蚀性，降低摩擦系数，从而改善耐磨性能因此。在低合金钢中加入Mo，可以增加其强度、韧性以及耐热性。Mo元素对钢材的耐磨性能有积极的影响，可以增强钢的抗磨粒磨损能力。

2.2 设置Cr与Mo元素组合工况

基于以上分析，针对钢材A，设置了3种不同的合金元素Cr和Mo组合，金属元素Cr的增量为0.15%，金属元素Mo的增量为0.003，其余元素含量保持不变，如表2所示。

2.3 分析软件选择

运用JMatPro模拟软件分析3种工况的淬透性能。JMatPro模拟软件集成了大量的合金平衡相、等温转变曲线、合金热处理等数据，可以对金属材料的多种性能金你给模拟，以缩短试验时间和改进金属制造工艺。

2.4 不同工况淬透性能分析

图5至图7为3种不同工况的淬透性能的计算结果。从图5至图7可以看出，3种不同工况钢材的拉伸强度、屈服强度和硬度表现为一致的变化规律。随着距表面距离的增加，拉伸强度、屈服强度和硬度均表现为反“S”曲线型。

其中：工况A的拉伸强度范围为646～1120MPa，屈服强度为891～1374MPa，硬度为26～44HRC；工况B的拉伸强度范围为710～1232MPa，屈服强度为980～1152MPa，硬度为29～49HRC；工况C的拉伸强度范围为746～1293MPa，屈服强度为1029～1587MPa，硬度为30～51HRC。

综上所述，随着合金元素Cr和Mo的含量增加，钢材的拉伸强度、屈服强度和硬度均不断增加，因此，可以确定使用的钢材A中，金属元素Cr和Mo的含量分别为0.70%和0.016%为最优。

4 结束语

挖掘机的主要工效构件为铲斗，在直接接触岩土体的过程中，往往会导致刃板磨损。基于此，研究具有合金含量低、良好的硬度和韧性相配合的低合金钢，是保证铲斗抵抗冲击、提高耐磨效果的有效手段之一

本文对3种不同低合金高强度耐磨钢进行室内试验，分析其抗拉强度、冲击强度和耐磨性能力学性能，并基于JMatPo模拟软件，分析不同合金元素Cr和Mo组合对低合金耐磨性能的影响，得到以下几个结论：

3种不同低合金高强度耐磨刚度的屈服强度、抗拉强度和延伸均呈现相同的变化规律。钢材A的抗拉屈服强度、抗拉强度最大，钢材B次之，钢材C最小。但钢材C的延伸率最大，钢材A和钢材B的延伸率相近，且数值较小。

与低合金高强耐磨钢的拉伸试验结果类似，3种不同低合金高强度耐磨钢种中，钢材A的冲击吸收功最大，钢材B的冲击吸收功次之，钢材C的冲击吸收功最小。钢材C的耐磨性能最差，钢材B的耐磨性能次之，钢材A的耐磨性最好。

随着距表面距离的增加，拉伸强度、屈服强度和硬度均表现为反“S”曲线型。随着合金元素Cr和Mo的含量增加，钢材的拉伸强度、屈服强度和硬度均不断增加。确定使用的钢材A中，金属元素Cr和Mo的含量分别为0.70%和0.016%为最优。

参考文献

[1] 王荣，高浩，魏德强.挖掘机斗齿用新型低合金耐磨钢热处理工艺参数的研究[J].热加工工艺，2017，46（6）：205-209.

[2] 魏心宽，龚志华，徐文龙，等.热处理工艺对挖掘机铲斗用钢组织和力学性能的影响[J].金属热处理，2015（4）：94-97.

[3] 郭红，刘英，李卫.挖掘机斗齿的磨损机制与选材研究[J].材料导报，2014，28（7）：99-103.

[4] 杨宝国.锰及热处理参数对中碳低合金耐磨钢组织与性能的影响[J].中国铸造装备与技术，2014（2）：42-45.