摘要：挖掘机铲斗轴套销轴普遍用结构钢45#及普通合金钢40Cr制造，使用不耐磨。采取20CrMnTi钢渗碳淬火工艺容易剥落而失效；都使用寿命短。在材质的选择上采取等温淬火球墨铸铁即ADI（Austempered Ductile Iron）制作，经大量实验取得突破进展，使用寿命成倍提高，ADI轴套及销轴制造成功，已投入市场。
　　关键词：挖掘机铲斗、轴套、销轴、ADI
　　前言：挖掘机动臂有多处销轴，其中挖斗与动臂连接的4根销轴磨损严重，尽管有密封件，但作业条件恶劣，轴套仍然磨损严重。轴套销轴（以下简称轴套）与斗齿归于一类，同为“易损件”。斗齿由耐磨钢做成，更换比较方便，而轴套由结构钢制作，易损不易更换。轴套需要加注润滑脂强制润滑，才能延缓轴套寿命。但是，作业现场有泥洼、水逆、冰冷，润滑再好也会失效。例如一台神钢260挖掘机挖沙作业，轴套使用20天（480小时）出现磨损旷动，40天（960小时）就必须大修更换（4件轴8件套），轴套使用寿命短，更换频繁，维修费用高。轴套应该是“耐磨件”，不是“易损件” ，不应该用碳素钢或普通合金钢的结构钢，而应该用耐磨钢铁材料。挖掘机载荷不稳定，轴套作业环境恶劣，润滑不能保持清洁，必须是耐磨件，以改善轴套耐磨性为使命，采用最先进的材料及工艺，打造质量品牌和服务品牌，解决挖掘机轴套与销轴使用寿命的实际问题，获得扎扎实实的社会效益和经济效益。
　　1、轴套材料的选择
　　传统设计轴套采用结构钢材质，45#钢40Cr合金钢，高频淬火，获得0.5~1.0mm马氏体耐磨层，见图1。20#碳素钢、20CrMnTi合金钢，渗碳淬火处理，表层获得马氏体渗碳体耐磨层。马氏体渗碳体硬度高，同属脆性组织，残余内应力大，受磨料挤压，表面容易碎裂剥落，即使有密封有润滑，也不足于阻止磨粒磨损。发动机曲轴、减速机齿轮轴之所以耐磨，是因为发动机、减速机都是密封的、强制润滑的封闭结构，而挖掘机销轴根本做不到，这就是结构钢销轴不耐磨原因。问题的解决，必须着眼材料选型，而非润滑，给轴套内壁设计储油槽、储油孔的做法，是治标不治本。

图1  45#钢淬火轴套马氏体组织（400×）

　　既然现有轴套不够耐磨，是结构钢热处理之后的组织脆性引起的，就应该研究什么样的组织适应磨料磨损？从改变材料组织入手，选取正确的耐磨材料制作轴套。
　　金属耐磨材料品种繁多，呈现耐磨属性的组织，一般不是马氏体渗碳体，而是富碳奥氏体、针状铁素体，例如球磨机的磨球、衬板，破碎机锤头、破碎壁，铁路道岔、坦克履带板等等，具体材料名称有：ADI奥铁球铁、高锰钢、贝氏体钢。富碳奥氏体在强冲击条件下表层位错硬化，外硬内韧，最适合冲击磨损。奥铁体硬度高内应力低，与磨粒接触不易破损，抵抗形成新生磨粒。这两种组织集中体现在ADI（Austempered Ductile Iron）等温淬火球墨铸铁材料中，是富碳奥氏体、针状铁素体、球状石墨显微组织，又称奥铁球铁，见图2。ADI更具特征的是球状石墨，由于呈现球状，

　　图2 ADI轴套  富碳奥氏体+针状铁素体+石墨组织（400×）

　　不会像灰铁的片状石墨割裂基体，降低强度，恰恰相反，ADI等温球墨铸铁抗拉强度能够达到1600MPa，远远高于40Cr合金钢。同时，石墨又是天然绝佳的润滑剂，伴随销轴与轴套的摆动磨损，表层石墨脱落成为石墨粉，作为润滑剂分布在轴套摩擦面上，形成自润滑。球状石墨凹坑内，储存润滑脂，不需要轴套内壁开设储油槽储油坑，由此增加了接触面积，降低比压，减缓摩擦。实验表明，ADI摩擦系数是45#淬火钢普通摩擦副的1/5~1/7，说明耐磨性提高显著。见图3.

　　图3  ADI、45#淬火钢摩擦系数实验结果

　　1998年中车戚墅堰机车通过技术鉴定，ADI材料用于制作内燃机车制动轴套，耐磨寿命是A3、45#、20Cr、20CrMnTi轴套的3~5倍，1.2万辆内燃机车每年可节约零件费3000万元^〔1〕。常州轻工职业技术学院黄之德等人研究，添加Cu、Ni合金，ADI等温球墨铸铁具有较高的强度和塑性，能够提高风镐的使用寿命，具有良好的经济型^〔2〕。兰州工业学院李宝栋等人研究，ADI等温球墨铸铁摩擦系数，随着载荷和温度的升高而下降，当环境温度高于300°C，时，由于塑性变形而被挤出的石墨在摩擦界面上能起到很好的润滑作用，使摩擦表面比较光滑，摩擦系数下降，摩擦率减小^〔3〕。
　　2、ADI试制及装机使用效果
　　为做成强韧耐磨的轴套，给ADI等温淬火球墨铸铁生产制定了一整套工艺流程，通过调整温度参数、时间参数，能够实现不同硬度指标、韧性指标，以满足不同工况的需要。国家标准《等温淬火球墨铸铁件》GB/T24733-2009颁布了五种牌号，轴套工艺设计确定执行QTD1050-6牌号，产品取样实测值σb=1247MPa、1127MPa，1091MPa。河南焦作固德联合机械制造有限公司生产的混凝土泵弯管，实测σb=1600MPa，超出国家标准，此牌号刚刚被列为团体标准^〔4〕。对比40Cr合金钢调质处理σs=780MPa，45#钢正火处理σs=355MPa，按材料力学计算，由此得出结论，销轴原为实心，用ADI可以做成中空结构，校核安全系数依然够大，不会断裂。轴套见图4，ADI中空销轴见图5，图6。

      
　　图4.ADI轴套                                                       图5.ADI中空销轴                                               图6.ADI中空销轴

　　究竟ADI轴套在挖掘机铲斗上表现如何，需要装机试验得到结果。今年7月份，经与山东省荣成市挖掘机学校联系，该校自有15台大型挖掘机，并与大型砼业洗沙厂合作，每天两班制挖沙作业，见图7。挖掘机挖斗从流动的水中挖沙回转堆高，水沙能快速地把润滑脂乳化并冲刷掉，沙石无时不在轴套之间磨蚀，磨损至极，无与伦比。从市场上采购的45#钢轴套不超过40天必须更换，每次产生维修费1500~3000元。为此用户遍寻耐磨轴套，几年过去没有结果。

                                                             图7.260挖掘机配装ADI轴套挖沙作业        图8.测量ADI轴套磨损量神钢
　　在刘校长的支持下，产学研结合，选择严酷的作业条件，装机实验得以顺利进行。45#钢轴套在该沙场作业润滑无效、沙粒磨损极其严重的环境，成为检验ADI轴套耐磨性的绝佳场所。选取神钢260挖掘机作为试验机，从2020年8月15日起，至11月17日ADI轴套试验数据，测量轴套磨损量见图8，试验数据见表1，

　　表1. ADI轴套、销轴河沙作业试验数据

　　按试验号2，ADI轴套使用566小时，平均内径磨损量0.25mm。设计确定5mm内径磨损量作为更换指标，可使用11320小时。（按每年9个月工程量，每月300作业小时，预计轴套使用寿命4年）
　　按试验号3，ADI销轴使用1001小时，平均直径磨损量1.6mm。设计确定5mm直径磨损量作为更换指标，可使用3128小时，挖掘机挖斗轴套水沙作业磨损曲线见图9.
　　对比刘校长提供的45#钢轴套、销轴，20天（480小时）磨损旷动，一旦表面1.0mm耐磨层磨损殆尽，后续磨损加快，40天（960小时）磨损量超过5mm，轴套销轴一同磨损失效以致更换，耐磨性寿命分别提高3.26倍~11.79倍。见表2.

　　挖掘机铲斗轴套材质ADI与45#钢耐磨性对比见表2
　　表2  挖掘机铲斗轴套材质ADI与45#钢耐磨性对比

　　由表2可见，ADI轴套运行至失效磨损量5mm的时间为11320小时，而45#钢轴套为960小时。ADI轴套对45#钢轴套的耐磨倍率为：
　　11320小时/960小时=11.79倍。ADI销轴对45#钢销轴的耐磨倍率为：
　　3128小时/960小时=3.26倍。
　　当前，配装45#轴套销轴的挖掘机生产企业质保期为3000~5000小时，若配套使用ADI轴套销轴，使用寿命为其3倍以上。
　　3、ADI轴套的社会效益与经济效益
　　ADI轴套与45#轴套社会效益与经济效益对比见表3

　　表3.ADI轴套与45#轴套社会效益与经济效益对比

　　从表3可知，我国大型挖掘机2019年保有量180万台，铲斗轴套销轴采用ADI材质取代45#钢材质，全年可节省材料费（表中第7项加第10项）33.34亿元。
　　长期以来，挖掘机制造厂均采取竞价方式配套采购轴套销轴，促使供货商采取最简单的工艺、最低廉材质制作产品，忽略耐磨性。所选择的材料是《机械手册》列出的、大型钢厂规模生产的结构钢品类，如20#钢，45#钢，市场价格4000~5000元，通过高频淬火、机加工，以工料对半的行规计算成品价格，一般10~15元/公斤，即每吨10000~15000元。相比之下，耐磨钢产品价格要贵许多。耐磨钢不是大宗钢材，属于特种钢铁，只在专业的钢铁产品制造企业生产。首道工序是熔炼，废钢采购价格3000元，比成品钢材价格低不了太多。冶炼需要投入电耗、人工、稀有金属，毛坯成型只有85%~95%的完好率，毛坯再经过升温、保温、淬火、回火，一整套热处理工艺过程。机加工过程需要使用特种刀具，加工到图纸精度。当前市场上，普通铸件价格每吨9000~12000元，耐磨钢铸件价格12000~16000元，机加工的耐磨钢成品价格25000~30000元。但是，采取材质ADI生产的轴套销轴，质保期高达3000~11300小时，是45#钢轴套销轴寿命的3倍以上，性价比高，社会效益与经济效益可观！
　　结语：公司作为中国铸协耐磨分会、等温淬火分会会员企业，丰富的互动交流，充分感知国内外耐磨材料发展飞速。从十二五到十三五规划纲要，国民经济由粗放型向集约型转变，耐磨生产行业从高耗能高耗材，转向节能节材环保。以球磨机磨球、衬板为例，原有高铬白口铸铁BTMCr20磨球衬板，铸造生产需要消耗大量Mo、Ni、Cu稀有金属，近年来近80%的企业转型生产ADI奥铁体磨球，节省了稀缺资源，降低了生产成本，同时由于ADI材质轻质化（钢材比重7.9，ADI比重7.1），ADI磨球装机使球磨机电耗下降8%，成为矿山、冶金行业的重大技术成果。再举一例发动机曲轴，随着国五国六新排放标准的实施，原有锻钢曲轴转为ADI等温球铁曲轴，制造成本下降，发动机技术节能环保。
　　建材、电力、矿山是金属耐磨材料的主消耗产业，每年产生消耗300万吨，为规范秩序，调控布局，国家《产业调整指导目录（2019年本）》把高强度、高塑性球墨铸铁件列为鼓励类行业。高锰钢系列耐磨钢、贝氏体钢系列耐磨钢、耐热钢、耐蚀钢，作为大型装备产业的基础，实行“放管服”政策，充分发挥着产业效能。
　　国家刚刚出台十四五规划，引导高质量发展，消除落后产能，减少同质化竞争，将成为经济发展强音。公司是耐磨钢轴套的专业生产厂家，企及销轴这个看似不起眼的配件，竭尽微薄之力，推进技术创新，为挖掘机行业做出贡献。
　　参考文献
　　〔1〕钱坤才 喻光远.等温淬火材料在轨道交通行业的应用发展[C].2019中国铸协等温淬火铸件分会年会论文集.威海市：2019.(10).43-47
　　〔2〕黄之德 王生玖. ADI风镐缸体铸件组织与力学性能研究[A].金属铸锻焊技术，2012（11）.101-103
　　〔3〕李宝栋 唐林虎.环境温度、试验载荷和滑动速度对等温淬火球铁摩擦磨损性能的影响[J].化工技术.2018（6）.700-705
　　〔4〕 王定祥 孙平 李朝霞.等温淬火工艺实例的探讨[C].第十一届中国耐磨材料与铸件年会.合肥市：中国铸造协会耐磨材料与铸件分会.2020(11).57-60