謝袁飛 曾曉華 易文質(zhì)
[摘要]對(duì)車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
中圖分類號(hào):O59文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0520097-01
我國車輛履帶板的使用壽命低,有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,車輛履帶板的使用壽命約為3200km的車輛行程。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,銷孔拉長使整個(gè)履帶增長而失效。或銷孔磨損失效。
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。在使用中無斷裂現(xiàn)象,經(jīng)過7000km車輛行程的考驗(yàn)仍在繼續(xù)使用,有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
五、結(jié)語
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⑸y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(裝車壽命考核):經(jīng)新工藝處理的履帶板,使用中無斷裂現(xiàn)象,使用壽命由原來的3200km車輛行程,提高到7000km車輛行程,仍在正常使用。
基金項(xiàng)目:中國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年獲中國人民解放軍科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。