矿用电铲低温材料选择

周 航，姚龙刚

（天津赛瑞机器设备有限公司，天津 300301）

矿用电铲低温材料选择

周 航，姚龙刚

（天津赛瑞机器设备有限公司，天津 300301）

通过分析和对比几种电铲结构常用材料的主要成分及性能指标，提出低温条件下电铲用材料除了需要满足必要的强度和刚度条件外，还应该满足“因作业地区最低温度的不同，必须有足够的低温冲击韧度”的要求。

电铲；低温；冲击韧度；断裂

0 引 言

机械式挖掘机又称电铲，是利用齿轮、链条、钢索滑轮组等传动件传递动力的单斗挖掘机，其生产已有百年历史，目前所生产的电铲最大斗容已经超过50 m3[1]。电铲主要用于大型露天矿山的挖掘和装载，作业对象是覆土、砂石和各种爆破后的矿物。具有挖掘力大、生产效率高、适应性强、作业安全及采矿成本低等优点[2]，是露天矿山“爆破-挖掘-运输”开采工艺方式中最重要的设备。

1 电铲常用材料的选择

电铲属于重型矿山设备，质量大，结构复杂，修复难度较大，一旦出现故障，将导致整个矿山生产陷入混乱。电铲的结构件和传动件全部采用铸件、焊接件和锻件制作完成。在进行电铲的设计和制造时，首先要依据“部位不同，受力方式不同，使用的材料也不尽相同”的原则进行材料选取。

1.1 电铲铸件常用材料的选择

高锰钢是一类高锰奥氏体铸钢，它在冲击载荷下产生冷作硬化，在经历强烈冲击后，表面硬度极大地提高到500 HBW左右，而心部仍然保持韧性的奥氏体，所以具有高抗冲击磨损性能的同时，还能承受强有力的冲击载荷而不破裂[3]。电铲的履带板、铲斗、斗齿、护套等零部件直接与被挖掘对象，如工作面、覆土、砂石、矿物等直接接触，相互之间会产生强烈的冲击和摩擦，所以一般选用具有较好的耐冲击和耐磨擦性能的ZGMn13制作。

电铲的回转支撑大齿轮、轴承座、减速机箱体及部分齿轮，甚至部分型号的履带架等零部件，尺寸较大，结构复杂，考虑到制造成本和焊接工艺等多种因素影响，材料通常选用一般工程结构铸钢，如ZG310-570。

1.2 电铲焊接件常用材料的选择

电铲的履带架、底座、回转平台、动臂、斗杆、铲斗等部件，选用焊接性能良好的低合金结构钢焊接制成。其采用的多腔体的箱型梁结构，具有工艺性好、自质量小、结构强度大、可靠性高等优点，完全可以承受电铲自身重量、工作载荷和作业时的收到的强烈冲击。通常情况下，这些箱型部件的盖板、腹板、底板选用Q345B钢板，其余内部的筋板、隔板选用Q235B钢板。

2 工况条件对电铲选用材料的影响

电铲的工况条件十分恶劣，除承受交变载荷、冲击载荷等复杂载荷交互作用外，在广大北方寒冷地区，还需经受低温环境下作业的考验。早期电铲的结构件及传动件，无论是采用铸造结构还是焊接结构，选材原则仅仅局限于满足强度和刚度要求，而对材料低温冲击韧度等其它方面性能考虑的比较少。

在我国内蒙古呼伦贝尔、新疆准东等高寒地区的露天矿山，每年12月份至来年2月份，最低温度在-35℃以下时，电铲在使用中陆续出现结构件开焊、断裂，传动齿轮断齿等现象。当电铲发生此类断裂事故时，断裂部位的实际应力水平往往远远低于设计时的屈服应力，断裂处不会出现明显的塑性变形，产生的是低应力脆断。这种低应力脆断，都是瞬时发生在焊接结构和大型截面部件及零件中，事先毫无预兆，很难被提前发现，一旦发生，却往往会造成突发性灾难。

不断出现的设备损坏和停机维修事故，给矿山安全和正常生产带来极大了影响。因此，要提高电铲的可靠性，避免出现结构件开焊、断裂现象，就必须考虑电铲所使用的材料性能，特别是低温性能。

3 材料成分对低温韧性的影响

钢是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁碳合金的统称。在实际生产中，往往根据用途的不同，钢含有不同的合金元素，比如：锰、镍、钼、铬等等，我们通常将其与铁合称为钢铁。为了保证其具有一定的韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的分类标准多种多样，根据成分不同，可分为碳素钢和合金钢；按成形方法不同，可分为锻钢、铸钢、热轧钢、冷拉钢等；根据性能和用途不同，又可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。

在钢铁中加入各种合金元素，能够改变它的使用性能和工艺性能，得到更优良的或特殊的性能，可以获得较高的强度与韧性配合，同时还具有良好的低温韧性。钼元素可以有效地控制钢的回火脆性，减少缓冷脆化，使铸件性能更加稳定、安全可靠。镍元素最有利于提高金属的耐寒性能，可以大幅度增强其抗低温冲击的能力。因此，对于涉及安全的零部件，要求在低温和冲击下有优良韧性而不脆断，可适当加入1%左右的Ni[4]。随着合金元素含量和淬透性的增高，适当降低含碳量，可以提高钢的锰碳比，增加韧性，降低脆性转变温度，进而降低材料开裂的危险性。

钢中的杂质元素，尤其是硫、磷等非金属夹杂物对材料的低温冲击韧性影响最大。钢中硫元素以MnS夹杂物的形式存在，进行热轧时，沿轧制方向伸长呈条状，钢的横向性能随之下降，同时还割裂了机体组织，大大降低了断裂韧性[5]。钢中磷元素以Fe2P夹杂物的形式存在，能使钢的塑性及韧性明显下降，特别是在低温下更为严重。因此，磷是急剧增加钢材冷脆性的重要元素之一。在某电铲专用Ni-Cr-Mo型合金铸钢里，磷的含量从0.034%增至0.09%时，其冷脆转变温度迅速升至0℃左右，升幅十分明显。同时，磷元素还易于偏聚在晶界附近，降低晶界的表面能，产生严重的回火倾向，要严格控制含量[5]。Ni-Cr-Mo钢在两种不同磷含量下的低温冲击曲线如图1所示。

图1 Ni-Cr-Mo钢在两种不同磷含量下的低温冲击曲线

4 热处理对材料低温性能的影响

钢材的高强度和低温韧性是相互矛盾的[6]。通过调整锰、铬、镍、钼等合金元素的配比，再进一步通过适当的正火、淬火、回火等热处理手段，组织更加弥散，可以基本解决强度和低温韧性之间的矛盾，使材料同时满足强度和低温韧性的双方面要求。图2是某电铲专用高锰钢在2种热处理方式下的低温冲击曲线。

5 按照工况条件合理选择材料

大多数金属材料在低温条件下的物理和力学性能，与常温状态相比，都会产生一定的改变。这些变化中最显著的一点是随着周边温度的逐渐降低，铁素体钢的强度和硬度并不降低，而韧性和塑形则显著下降[7]。因此，在电铲选用材料时，除了考虑满足强度和刚度的要求之外，还要考虑“因作业地区最低温度的不同，必须有足够的低温冲击韧度”的要求。

在北方寒冷地区进行作业的电铲，重要部位和受冲击较大的斗齿、齿条、传动大齿轮等铸件要选取耐低温冲击的高锰钢和合金铸钢。底座、回转平台、动臂等焊接件的盖板、腹板、底板应选用具有较高低温冲击韧度的Q345D或者Q345E钢板；斗杆的盖板、铲斗壁板等局部受力较大部位选用Q690E钢板。这样就能最大限度避免低温条件下，电铲零部件件发生开焊和断裂的现象。电铲常用铸件材料主要化学成分和质量分数钢号见表1，电铲常用铸件材料力学性能见表2，电铲常用焊接件材料力学性能见表3。

图2 高锰钢在2种热处理方式下的低温冲击曲线

表1 电铲常用铸件材料主要化学成分和质量分数钢号

表2 电铲常用铸件材料力学性能

表3 电铲常用焊接件材料力学性能

6 结 语

电铲是矿山主要采掘设备，使用十分频繁，工况条件恶劣。尤其是我国的露天矿山80%以上分布在广袤的北方高纬度寒冷地区。复杂的冲击载荷和低温环境作业是露天矿山电铲的基本特点，其使用的材料除了要满足强度、刚度指标要求外，还应满足低温条件下，特别是－40℃温度下的冲击韧度要求。合理选择材料，既可以满足电铲在不同工况条件下对材料性能的要求，又可以取得较好的经济效益。

［1］闫书文.机械式挖掘机设计［M］.北京：机械工业出版社，1982.

［2］王启广，郭昭华，王正友.机械挖掘机［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000.

［3］吴承建，陈国良，强文江.金属材料学［M］.北京：冶金工业出版社，2000.

［4］陈长民，田德钓，孙修顺，等.大型挖掘机两钢种试验［J］.工程机械，1982（7）：25－30.

［5］魏建平.大型挖掘机结构件用钢的失效分析［J］.科技情报开发与经济，2004，14（7）：271－272.

［6］张光，王洪林.大型电铲如何适应于严寒地区——大型电铲的防寒措施［J］.矿山机械，1984（6）：48－52.

［7］王从曾.材料性能学［M］.北京：北京工业大学出版社，2001．

【责任编辑：陈 毓】

Low temperature materials select for mining excavator

ZHOU Hang,YAO Longang
(Tianjin SERI Machinery Equipment Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

Through analyzing and comparing the composition and performance index of several kinds of mining excavator structure material,the article presents that materials of mining excavator should meet the"because of the operation minimum temperature region is different,there must be sufficient low-temperature impact toughness"requirements,in addition to need to meet the necessary conditions of strength and stiffness.

excavator;low temperature;impact toughness;fracture

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）03－0048－03

2016-11-04

周 航（1979—），男，辽宁阜新人，工程师，硕士，2008年毕业于东北大学机械工程专业，现就职于天津赛瑞机器设备有限公司，主要从事矿山成套装备设计等相关工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.014

周航，姚龙刚.矿用电铲低温材料选择［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：48-50.