孫建昌，衛(wèi)心宏

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司鑄鍛件分公司，山西 太原 030024）

大型挖掘機(jī)履帶板作為履帶挖機(jī)行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，在整機(jī)中起著支撐和行進(jìn)的作用，直接與地面、礦石、泥砂、污水及其他礦坑物質(zhì)接觸，同時(shí)需要承載大型挖掘機(jī)整機(jī)的自重及挖掘力，故大型挖掘機(jī)履帶板的使用條件較為嚴(yán)苛，工況較為惡劣[1]。履帶板的質(zhì)量水平及使用壽命關(guān)系著挖掘機(jī)使用效率和工礦企業(yè)的生產(chǎn)能力，當(dāng)履帶板發(fā)生非常態(tài)失效時(shí)，會(huì)造成停工及維修等較大的經(jīng)濟(jì)損失，斷裂是非常態(tài)失效的主要形式之一[2]。本文對(duì)在正常工況下使用時(shí)發(fā)生斷裂的高錳鋼履帶板進(jìn)行了宏觀斷口、化學(xué)成分、射線檢測(cè)、金相組織及能譜分析，找出大型挖掘機(jī)履帶板發(fā)生非常態(tài)失效（斷裂）的原因，為改進(jìn)履帶板的工藝，提升履帶板的質(zhì)量水平，延長履帶板的使用壽命提供理論依據(jù)。

1 檢測(cè)方法及結(jié)果

1.1 斷口觀察

斷裂位置位于履帶板的一銷耳處，斷口沿銷孔呈徑向分布，斷口上呈現(xiàn)明顯的貝殼狀花紋，裂紋源頭位于銷孔內(nèi)壁上，裂紋由銷孔內(nèi)側(cè)向外擴(kuò)展，斷口形貌符合疲勞斷裂的特征，如圖1 所示。

圖1 斷裂位置及斷口形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在裂紋源附近進(jìn)行取樣，采用發(fā)射式直讀光譜進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。斷裂履帶板的材質(zhì)為A 128/A 128M E-1，主要元素檢測(cè)結(jié)果見表1，檢測(cè)結(jié)果顯示鑄件鉬元素較標(biāo)準(zhǔn)成分偏低。

表1 履帶板斷口處存在偏差的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3 射線檢測(cè)

對(duì)斷裂殘樣進(jìn)行X 射線探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)斷裂鑄件內(nèi)部未見夾雜（渣）、氣孔、縮孔、宿松、砂眼等明顯鑄造缺陷，說明鑄件內(nèi)部致密，斷裂不是由于鑄件縮孔、縮松等工藝性缺陷造成的。射線探傷檢測(cè)照片如圖2 所示。

圖2 X 射線照片

1.4 金相檢測(cè)

在斷裂銷耳的裂紋源附近取樣，進(jìn)行金相試驗(yàn)，結(jié)果表明，顯微組織為奧氏體基體上分布大量孿晶，如圖3 所示；基體組織上還存在一定量的形變馬氏體組織和二次晶間裂紋，分別如圖4、圖5 所示；在裂紋中存在著碳化物聚集，如圖6 所示。

圖3 履帶板的顯微組織

圖4 形變馬氏體組織

圖5 二次裂紋

圖6 晶間碳化物

另外，在晶間裂紋中不僅有碳化物聚集，有些還有第二相存在，從形貌上觀察，第二相可能為未溶解磷共晶組織。為了分辨第二相及晶間碳化物的類型采用ESEM/EDS 進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。

1.5 ESEM/EDS 檢測(cè)

如圖7 所示，ESEM 照片顯示組織中存在晶間微裂紋，同時(shí)在三叉晶界處存在第二相和在晶界處存在片狀及球（塊）狀碳化物。第二相和碳化物在高倍下的形貌，如圖8 所示。為了進(jìn)一步分析，對(duì)EDS1、EDS2、EDS3、EDS4 四個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的基體、第二相、片狀碳化物及球（塊）狀碳化物進(jìn)行了EDS 分析。

圖7 晶間微裂紋、第二相及碳化物ESEM 照片

圖8 第二相及碳化物ESEM 照片

基體EDS 分析結(jié)果見圖9，球（塊）狀碳化物EDS 分析見圖10，各位置元素的原子百分比數(shù)值見表2.分析結(jié)果表明EDS1 和EDS2 位置處的碳含量相近，EDS2 位置的磷、錳的含量較高，第二相應(yīng)該為磷共晶組織（Fe+Fe3P），EDS3 位置的碳含量較高，同時(shí)從原子比可以看出也含有錳、鉬元素，因此晶界碳化物應(yīng)為合金滲碳體或特殊碳化物，如（Fe，Mn）3C、Mo2C 等，EDS4 位置的碳含量最高，同時(shí)鉬元素的含量也比EDS3（片狀碳化物）處的含量高，可見鉬元素能抑制片狀碳化物的形成。

圖9 基體EDS1 分析結(jié)果

圖10 球（塊）狀碳化物EDS 分析結(jié)果

表2 EDS 各位置元素含量（原子百分比，%）

2 討論與控制措施

通過以上分析可以判定，此高錳鋼履帶板銷耳發(fā)生非常態(tài)失效的形式為疲勞脆性斷裂[3]，而斷裂的主要原因是因?yàn)楦咤i鋼履帶板軸耳區(qū)域較厚大，一方面在厚大部分產(chǎn)生局部的磷偏析，在三叉晶界處有大量脆性的磷共晶存在，顯著降低鑄件局部的強(qiáng)度和塑性；另一方面在水韌熱處理過程中，因厚大銷耳心部冷卻速度較慢，析出較多碳化物并在晶界局部形成網(wǎng)狀碳化物偏聚，造成鑄件晶界脆化[4]。履帶板在較高沖擊狀態(tài)下（礦石爆破不良、掌子面不平整）使用時(shí)，由銷孔內(nèi)表面應(yīng)力集中處萌生裂紋，在往復(fù)多次的循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，裂紋從源頭向外擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

通過分析，得出質(zhì)量控制措施：

1）嚴(yán)格控制材質(zhì)磷含量，磷共晶中的磷主要是熔煉高錳鋼時(shí)由原材料錳鐵中帶入的，磷在高錳鋼的奧氏體中的溶解度極低，高錳鋼中的磷多以共晶態(tài)在晶界析出，因此控制原材料的磷的帶入量，可以從源頭上減小磷共晶數(shù)量，同時(shí)還可通過微合金化、提高凝固速率、均勻化固溶處理等方式減輕磷共晶危害[5]；

2）加強(qiáng)熱處理過程控制，減少銷耳等厚大部分晶界網(wǎng)狀碳化物的析出，可通過控制鑄件出爐到入水的時(shí)間、控制較低的冷卻水溫度、提高冷卻水的冷卻能力來減輕碳化物在晶界的析出及偏聚[6]；

3）適當(dāng)調(diào)高鉬元素的加入量，不僅可提高鑄件的強(qiáng)度指標(biāo)，還可以抑制片狀碳化物的析出，進(jìn)一步降低晶界網(wǎng)狀碳化物帶來的危害。

3 結(jié)論

1）高錳鋼履帶板銷耳的非常態(tài)斷裂，是由于鑄件晶界脆化而引起的疲勞脆性斷裂；

2）通過分析確定，履帶板銷耳厚大處磷的晶界偏析形成的低熔點(diǎn)的磷共晶和水韌處理冷卻能力不足在晶界形成的網(wǎng)狀碳化物，增加了晶界脆性，是產(chǎn)生脆斷的主要原因；

3）通過控制材質(zhì)的磷元素的含量，提高鉬元素的含量，提高鑄件水韌處理冷卻能力，可減少并預(yù)防高錳鋼履帶板由于晶界脆化而引起的斷裂問題的發(fā)生。