提高高锰钢履带板使用寿命的研究

谢袁飞　曾晓华　易文质

[摘要]对车辆履带板高锰钢的失效形式进行分析研究后，在不改变履带板用钢及技术要求条件下，对热处理工艺进行优化设计，采用多元微量合金化成分的优选，采用非常规变质处理的新工艺，使履带板的使用寿命由原来的3200km提高到7000km以上，取得明显的经济效益。

[关键词]高锰钢 合金钢 变质处理

中图分类号：O59文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0520097－01

我国车辆履带板的使用寿命低，有关统计结果表明，车辆履带板的使用寿命约为3200km的车辆行程。本课题组从履带板的失效分析与研究入手针对其性能要求，在不改变履带板用钢和技术要求条件下，通过多元微量合金化成分的优选，采用了非常规变质处理工艺，进行了热处理工艺的优化设计。

一、车辆履带板用钢及热处理

履带板的传统用钢是ZGMn13高锰钢，其化学成分；质量分数%为1.00～1.40C，11.50～14.50Mn，0.5～0.8Si，≤0.045S，≤0.08P。这种奥氏体钢硬度约为180～220HBS，具有很强的加工硬化能力，当它在受到剧烈冲击或特大

压力作用时，表面层将迅速发生加工硬化，使硬度达到450～550HBS，获得高的耐磨性，其心部则仍维持原有状态。高锰钢履带板传统的热处理方法是水韧处理，即加热温度为1050℃～1080℃，水（≤40℃）冷。

二、履带板的失效形式及强韧化的途径

履带板的失效形式主要有：（1）履带板在高载荷作用下，应力幅值较高，加之复杂的交变冲击载荷的作用，使得板内裂纹的尖端产生加工硬化，KIc值下降，而发生准脆性断裂。（2）铸件表面存在的气孔、渣眼、砂眼等缺陷以及水韧处理的微裂纹将成为疲劳裂纹源，是产生低应力准脆性断裂的基础。（3）在恶劣的偶然性大冲击作用下，其应力幅值大于σs，在高应力区域裂纹源的KIc值降低导致裂纹迅速扩展而断裂。（4）因强度不足，产生塑性变形，销孔拉长使整个履带增长而失效。或销孔磨损失效。

履带板强韧化的途径：（1）采用多元微量合金化成分的优选。（2）采用非常规变质处理的新工艺。（3）对高锰钢材料成分进行优化设计，并根据新的成分制订相应的热处理工艺。

三、非常规变质处理的机理及工艺

变质处理是铸造生产改善材质性能的最常用的和最简便的与最有效的方法。高锰钢的常规变质处理，往往是向钢中加入一次变质剂，以期获得所需的性能。本研究根据生产厂家的条件与现有铁合金的品种，选用了多元变质剂：Ti、Al、Ca、RE（即钛铁、硅铁稀土、硅钙合金）和多次分级变质处理的方法，其变质工艺如表1所示。

从工艺方案可知Al、Ca、RE都有脱氧的作用。高锰钢中的MnO和FeO的存在使其韧性降低。而稀土元素的化学活泼性很强，稀土氧化物的生成自由能为最低，它在钢液中首先形成稀土氧化物，因此，稀土是一种很强的脱氧剂，其脱氧能力仅次于钙，而强于铝。同时稀土硫化物的标准生成自由能要比MnS、FeS等低得多，因而它也是一种脱硫剂。据测定，加稀土后的高锰钢S含量下降20-30%。残存在钢液中的稀土硫化物，是热力学上极为稳定的高熔点化合物，充当结晶核心，从而有细化晶粒的作用。Ti与钢中的氮形成TiN均匀地分布在奥氏体晶粒内部，TiN的熔点很高，起结晶核心作用，细化晶粒，使钢强韧化。

由表1可知：非常规变质处理的实质，就是采用不同的变质剂在不同的时间内，从炉内到炉外加入钢水之中，进行的分级多次变质处理。其结果达到了细化晶粒，改变夹杂物形态与分布，以及净化钢水的目的。变质元素还有利于脱氧。

四、试验结果及分析讨论

调整后的新型ZGMn13高锰钢的化学成分见表2。

本研究是在不改变高锰钢ZGMn13成分的基本组元下，选用多元微量的添加元素Cr、Mo、Ti、Al、Ca、RE等，其中Cr、Mo为强化元素，使钢固溶强化，而Ti、Ca、RE则为变质元素。值得说明的是：P的实际含量范围在0.

064%～0.074%，在普通高锰钢中的P含量为≤0.08%，国标GB/T5680－1985中ZGMn13-3的P含量为≤0.08%，对比之下，P含量基本相同，但前者具有比后者显著高的塑性和韧性。其原因与冶炼工艺的改善加强了脱氧变质处理的因素有着重要的作用。炉前试棒脱氧状况的弯曲试验情况对比如图1和图2。

由图1和图2对比可知：研制的新型ZGMn13钢具较好的塑性和韧性。钢中夹杂物会严重地影响钢的性能，特别是塑性和韧性，由于试验的新型高锰钢强化了变质处理，使夹杂物的形态、数量、大小及分布有了较大的改变，通过金相分析可知，在普通高锰钢中夹杂物呈多边形，沿晶界呈网状

分布，而新型高锰钢中的夹杂物呈球状，散乱分布，因而使得新型高锰钢具有较好的塑性和韧性。

新型高锰钢履带板装车寿命考核结果，证明具有优异的抗断裂性能，抗磨性能及抗蚀性能。在使用中无断裂现象，经过7000km车辆行程的考验仍在继续使用，有显著的经济效益。

五、结语

1．本研究确定了新型履带板ZGMn13的化学成分如表2所示。

2．非常规变质处理极大地细化了晶粒与改善了夹杂物的形态和分布，使夹杂物由普通高锰钢的网状变为粒状并散乱分布。

3．低温等温预处理和高温水韧处理规范的优化，有利于制定出铸件最佳的热处理工艺。

4．非常规变质处理新工艺，能赋予履带板ZGMn13必要的性能。实践证明（装车寿命考核）：经新工艺处理的履带板，使用中无断裂现象，使用寿命由原来的3200km车辆行程，提高到7000km车辆行程，仍在正常使用。

基金项目：中国人民解放军总参谋部（1991）参装字第398号文件批准《提高坦克履带使用寿命研究》课题为全军“八五”期间重点科研项目；2007年湖南省自然科学基金资助项目07JJ5067。

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作者简介：

谢袁飞，女，湖南资兴人，副教授，主要从事机械设计制造教学与科研，金属材料及热处理教学与科研，发表论文20余篇，1996年获中国人民解放军科学技术进步奖二等奖。