摘要：挖掘機鏟斗軸套銷軸普遍用結構鋼45#及普通合金鋼40Cr制造，使用不耐磨。采取20CrMnTi鋼滲碳淬火工藝容易剝落而失效；都使用壽命短。在材質的選擇上采取等溫淬火球墨鑄鐵即ADI（Austempered Ductile Iron）制作，經大量實驗取得突破進展，使用壽命成倍提高，ADI軸套及銷軸制造成功，已投入市場。
　　關鍵詞：挖掘機鏟斗、軸套、銷軸、ADI
　　前言：挖掘機動臂有多處銷軸，其中挖斗與動臂連接的4根銷軸磨損嚴重，盡管有密封件，但作業條件惡劣，軸套仍然磨損嚴重。軸套銷軸（以下簡稱軸套）與斗齒歸于一類，同為“易損件”。斗齒由耐磨鋼做成，更換比較方便，而軸套由結構鋼制作，易損不易更換。軸套需要加注潤滑脂強制潤滑，才能延緩軸套壽命。但是，作業現場有泥洼、水逆、冰冷，潤滑再好也會失效。例如一臺神鋼260挖掘機挖沙作業，軸套使用20天（480小時）出現磨損曠動，40天（960小時）就必須大修更換（4件軸8件套），軸套使用壽命短，更換頻繁，維修費用高。軸套應該是“耐磨件”，不是“易損件” ，不應該用碳素鋼或普通合金鋼的結構鋼，而應該用耐磨鋼鐵材料。挖掘機載荷不穩定，軸套作業環境惡劣，潤滑不能保持清潔，必須是耐磨件，以改善軸套耐磨性為使命，采用最先進的材料及工藝，打造質量品牌和服務品牌，解決挖掘機軸套與銷軸使用壽命的實際問題，獲得扎扎實實的社會效益和經濟效益。
　　1、軸套材料的選擇
　　傳統設計軸套采用結構鋼材質，45#鋼40Cr合金鋼，高頻淬火，獲得0.5~1.0mm馬氏體耐磨層，見圖1。20#碳素鋼、20CrMnTi合金鋼，滲碳淬火處理，表層獲得馬氏體滲碳體耐磨層。馬氏體滲碳體硬度高，同屬脆性組織，殘余內應力大，受磨料擠壓，表面容易碎裂剝落，即使有密封有潤滑，也不足于阻止磨粒磨損。發動機曲軸、減速機齒輪軸之所以耐磨，是因為發動機、減速機都是密封的、強制潤滑的封閉結構，而挖掘機銷軸根本做不到，這就是結構鋼銷軸不耐磨原因。問題的解決，必須著眼材料選型，而非潤滑，給軸套內壁設計儲油槽、儲油孔的做法，是治標不治本。

圖1  45#鋼淬火軸套馬氏體組織（400×）

　　既然現有軸套不夠耐磨，是結構鋼熱處理之后的組織脆性引起的，就應該研究什么樣的組織適應磨料磨損？從改變材料組織入手，選取正確的耐磨材料制作軸套。
　　金屬耐磨材料品種繁多，呈現耐磨屬性的組織，一般不是馬氏體滲碳體，而是富碳奧氏體、針狀鐵素體，例如球磨機的磨球、襯板，破碎機錘頭、破碎壁，鐵路道岔、坦克履帶板等等，具體材料名稱有：ADI奧鐵球鐵、高錳鋼、貝氏體鋼。富碳奧氏體在強沖擊條件下表層位錯硬化，外硬內韌，最適合沖擊磨損。奧鐵體硬度高內應力低，與磨粒接觸不易破損，抵抗形成新生磨粒。這兩種組織集中體現在ADI（Austempered Ductile Iron）等溫淬火球墨鑄鐵材料中，是富碳奧氏體、針狀鐵素體、球狀石墨顯微組織，又稱奧鐵球鐵，見圖2。ADI更具特征的是球狀石墨，由于呈現球狀，

　　圖2 ADI軸套  富碳奧氏體+針狀鐵素體+石墨組織（400×）

　　不會像灰鐵的片狀石墨割裂基體，降低強度，恰恰相反，ADI等溫球墨鑄鐵抗拉強度能夠達到1600MPa，遠遠高于40Cr合金鋼。同時，石墨又是天然絕佳的潤滑劑，伴隨銷軸與軸套的擺動磨損，表層石墨脫落成為石墨粉，作為潤滑劑分布在軸套摩擦面上，形成自潤滑。球狀石墨凹坑內，儲存潤滑脂，不需要軸套內壁開設儲油槽儲油坑，由此增加了接觸面積，降低比壓，減緩摩擦。實驗表明，ADI摩擦系數是45#淬火鋼普通摩擦副的1/5~1/7，說明耐磨性提高顯著。見圖3.

　　圖3  ADI、45#淬火鋼摩擦系數實驗結果

　　1998年中車戚墅堰機車通過技術鑒定，ADI材料用于制作內燃機車制動軸套，耐磨壽命是A3、45#、20Cr、20CrMnTi軸套的3~5倍，1.2萬輛內燃機車每年可節約零件費3000萬元^〔1〕。常州輕工職業技術學院黃之德等人研究，添加Cu、Ni合金，ADI等溫球墨鑄鐵具有較高的強度和塑性，能夠提高風鎬的使用壽命，具有良好的經濟型^〔2〕。蘭州工業學院李寶棟等人研究，ADI等溫球墨鑄鐵摩擦系數，隨著載荷和溫度的升高而下降，當環境溫度高于300°C，時，由于塑性變形而被擠出的石墨在摩擦界面上能起到很好的潤滑作用，使摩擦表面比較光滑，摩擦系數下降，摩擦率減小^〔3〕。
　　2、ADI試制及裝機使用效果
　　為做成強韌耐磨的軸套，給ADI等溫淬火球墨鑄鐵生產制定了一整套工藝流程，通過調整溫度參數、時間參數，能夠實現不同硬度指標、韌性指標，以滿足不同工況的需要。國家標準《等溫淬火球墨鑄鐵件》GB/T24733-2009頒布了五種牌號，軸套工藝設計確定執行QTD1050-6牌號，產品取樣實測值σb=1247MPa、1127MPa，1091MPa。河南焦作固德聯合機械制造有限公司生產的混凝土泵彎管，實測σb=1600MPa，超出國家標準，此牌號剛剛被列為團體標準^〔4〕。對比40Cr合金鋼調質處理σs=780MPa，45#鋼正火處理σs=355MPa，按材料力學計算，由此得出結論，銷軸原為實心，用ADI可以做成中空結構，校核安全系數依然夠大，不會斷裂。軸套見圖4，ADI中空銷軸見圖5，圖6。

      
　　圖4.ADI軸套                                                       圖5.ADI中空銷軸                                               圖6.ADI中空銷軸

　　究竟ADI軸套在挖掘機鏟斗上表現如何，需要裝機試驗得到結果。今年7月份，經與山東省榮成市挖掘機學校聯系，該校自有15臺大型挖掘機，并與大型砼業洗沙廠合作，每天兩班制挖沙作業，見圖7。挖掘機挖斗從流動的水中挖沙回轉堆高，水沙能快速地把潤滑脂乳化并沖刷掉，沙石無時不在軸套之間磨蝕，磨損至極，無與倫比。從市場上采購的45#鋼軸套不超過40天必須更換，每次產生維修費1500~3000元。為此用戶遍尋耐磨軸套，幾年過去沒有結果。

                                                             圖7.260挖掘機配裝ADI軸套挖沙作業        圖8.測量ADI軸套磨損量神鋼
　　在劉校長的支持下，產學研結合，選擇嚴酷的作業條件，裝機實驗得以順利進行。45#鋼軸套在該沙場作業潤滑無效、沙粒磨損極其嚴重的環境，成為檢驗ADI軸套耐磨性的絕佳場所。選取神鋼260挖掘機作為試驗機，從2020年8月15日起，至11月17日ADI軸套試驗數據，測量軸套磨損量見圖8，試驗數據見表1，

　　表1. ADI軸套、銷軸河沙作業試驗數據

　　按試驗號2，ADI軸套使用566小時，平均內徑磨損量0.25mm。設計確定5mm內徑磨損量作為更換指標，可使用11320小時。（按每年9個月工程量，每月300作業小時，預計軸套使用壽命4年）
　　按試驗號3，ADI銷軸使用1001小時，平均直徑磨損量1.6mm。設計確定5mm直徑磨損量作為更換指標，可使用3128小時，挖掘機挖斗軸套水沙作業磨損曲線見圖9.
　　對比劉校長提供的45#鋼軸套、銷軸，20天（480小時）磨損曠動，一旦表面1.0mm耐磨層磨損殆盡，后續磨損加快，40天（960小時）磨損量超過5mm，軸套銷軸一同磨損失效以致更換，耐磨性壽命分別提高3.26倍~11.79倍。見表2.

　　挖掘機鏟斗軸套材質ADI與45#鋼耐磨性對比見表2
　　表2  挖掘機鏟斗軸套材質ADI與45#鋼耐磨性對比

　　由表2可見，ADI軸套運行至失效磨損量5mm的時間為11320小時，而45#鋼軸套為960小時。ADI軸套對45#鋼軸套的耐磨倍率為：
　　11320小時/960小時=11.79倍。ADI銷軸對45#鋼銷軸的耐磨倍率為：
　　3128小時/960小時=3.26倍。
　　當前，配裝45#軸套銷軸的挖掘機生產企業質保期為3000~5000小時，若配套使用ADI軸套銷軸，使用壽命為其3倍以上。
　　3、ADI軸套的社會效益與經濟效益
　　ADI軸套與45#軸套社會效益與經濟效益對比見表3

　　表3.ADI軸套與45#軸套社會效益與經濟效益對比

　　從表3可知，我國大型挖掘機2019年保有量180萬臺，鏟斗軸套銷軸采用ADI材質取代45#鋼材質，全年可節省材料費（表中第7項加第10項）33.34億元。
　　長期以來，挖掘機制造廠均采取競價方式配套采購軸套銷軸，促使供貨商采取最簡單的工藝、最低廉材質制作產品，忽略耐磨性。所選擇的材料是《機械手冊》列出的、大型鋼廠規模生產的結構鋼品類，如20#鋼，45#鋼，市場價格4000~5000元，通過高頻淬火、機加工，以工料對半的行規計算成品價格，一般10~15元/公斤，即每噸10000~15000元。相比之下，耐磨鋼產品價格要貴許多。耐磨鋼不是大宗鋼材，屬于特種鋼鐵，只在專業的鋼鐵產品制造企業生產。首道工序是熔煉，廢鋼采購價格3000元，比成品鋼材價格低不了太多。冶煉需要投入電耗、人工、稀有金屬，毛坯成型只有85%~95%的完好率，毛坯再經過升溫、保溫、淬火、回火，一整套熱處理工藝過程。機加工過程需要使用特種刀具，加工到圖紙精度。當前市場上，普通鑄件價格每噸9000~12000元，耐磨鋼鑄件價格12000~16000元，機加工的耐磨鋼成品價格25000~30000元。但是，采取材質ADI生產的軸套銷軸，質保期高達3000~11300小時，是45#鋼軸套銷軸壽命的3倍以上，性價比高，社會效益與經濟效益可觀！
　　結語：公司作為中國鑄協耐磨分會、等溫淬火分會會員企業，豐富的互動交流，充分感知國內外耐磨材料發展飛速。從十二五到十三五規劃綱要，國民經濟由粗放型向集約型轉變，耐磨生產行業從高耗能高耗材，轉向節能節材環保。以球磨機磨球、襯板為例，原有高鉻白口鑄鐵BTMCr20磨球襯板，鑄造生產需要消耗大量Mo、Ni、Cu稀有金屬，近年來近80%的企業轉型生產ADI奧鐵體磨球，節省了稀缺資源，降低了生產成本，同時由于ADI材質輕質化（鋼材比重7.9，ADI比重7.1），ADI磨球裝機使球磨機電耗下降8%，成為礦山、冶金行業的重大技術成果。再舉一例發動機曲軸，隨著國五國六新排放標準的實施，原有鍛鋼曲軸轉為ADI等溫球鐵曲軸，制造成本下降，發動機技術節能環保。
　　建材、電力、礦山是金屬耐磨材料的主消耗產業，每年產生消耗300萬噸，為規范秩序，調控布局，國家《產業調整指導目錄（2019年本）》把高強度、高塑性球墨鑄鐵件列為鼓勵類行業。高錳鋼系列耐磨鋼、貝氏體鋼系列耐磨鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼，作為大型裝備產業的基礎，實行“放管服”政策，充分發揮著產業效能。
　　國家剛剛出臺十四五規劃，引導高質量發展，消除落后產能，減少同質化競爭，將成為經濟發展強音。公司是耐磨鋼軸套的專業生產廠家，企及銷軸這個看似不起眼的配件，竭盡微薄之力，推進技術創新，為挖掘機行業做出貢獻。
　　參考文獻
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　　〔2〕黃之德 王生玖. ADI風鎬缸體鑄件組織與力學性能研究[A].金屬鑄鍛焊技術，2012（11）.101-103
　　〔3〕李寶棟 唐林虎.環境溫度、試驗載荷和滑動速度對等溫淬火球鐵摩擦磨損性能的影響[J].化工技術.2018（6）.700-705
　　〔4〕 王定祥 孫平 李朝霞.等溫淬火工藝實例的探討[C].第十一屆中國耐磨材料與鑄件年會.合肥市：中國鑄造協會耐磨材料與鑄件分會.2020(11).57-60