CN102182223B

CN102182223B - 一种挖掘机复合斗齿及其制备方法

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Publication number: CN102182223B
Application number: CN 201110075905
Authority: CN
Inventors: 彭志坚; 任小勇; 于立安; 荣会永; 彭瑛; 王成彪; 付志强; 岳�文
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences; China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: CN102182223A

Abstract

本发明涉及一种新型挖掘机复合斗齿及其制备方法，属于高技术工程材料及其应用领域。所发明的新型挖掘机复合斗齿，由棒型齿尖(齿棒)和斗齿基体(齿基)两部分组成，并经高温镶铸而成。其齿棒材料为新型高硬高强复合金属陶瓷，包括WC、TiCN、TiN或TiC基复合金属陶瓷中的一种或者多种；其齿基材料为硬度和强度较高的高/低铬合金钢或者高锰钢；复合斗齿结构中包含多根齿棒，形状为楔形，镶嵌于齿基前端，并在钢体外露出一小节，且齿棒与齿棒之间有一定的距离。所发明的挖掘机复合斗齿的制备方法，依次包括齿棒预制→合金钢熔炼→复合斗齿镶铸→脱模工艺步骤。本发明的特点在于齿棒材料高硬高强耐磨，提高了斗齿的耐磨性，其间歇式结构减少了耐磨材料的用量，节省原料，降低成本；并增大了齿棒与齿基之间的接触面积，结合力提高，斗齿的寿命提高。

Description

一种挖掘机复合斗齿及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型挖掘机复合斗齿及其制备方法，属于高技术工程材料及其应用领域。

背景技术

挖掘机斗齿在矿山采掘、地质勘探和基础建设过程中，直接与岩土、矿石等接触，不仅承受岩土、矿石等的摩擦磨损，而且还会承受一定的冲击载荷，因此它成了挖掘机的最易磨损件，每台挖掘机每年会消耗大量的斗齿配件。据有关资料统计，在2005年，我国服役的2m³以上大型矿山挖掘机有2000～2500台，斗齿直接经济损失达到3000万元/年左右；与此同时，因设备损坏、停机、停产而造成间接经济损失更大。

为了提高斗齿的耐磨性，国内外学者进行了大量的研究：一种方法是整体提高挖掘机斗齿材料的机械性能，采用硬度、强度和韧性更高的钢材，如高锰钢、高/低铬合金钢等，但是由于受到钢材自身性能局限，挖掘机斗齿使用寿命提高幅度有限；另一个方向是，研制复合斗齿，即在整体采用高硬高强钢的前提下，将紧密接触岩土、矿石等的挖掘机斗齿齿尖换成比钢材硬度高很多，同时强度也很高的高耐磨合金材料，如硬质合金等，从而大幅度提高挖掘机斗齿的寿命。与世界上各国采用的最早和最广泛的普通的合金钢斗齿不同，复合斗齿的特点是在齿尖最易被磨损的部位镶上或焊上一种高硬度、高耐磨性的材料，从而减缓斗齿的磨损，提高斗齿的寿命。目前，常见的复合斗齿有堆焊斗齿和镶块斗齿。

堆焊斗齿的制作方法是在以高锰钢(或碳钢)为基体的斗齿的头部(齿尖)用铬-钼系焊条全部堆焊一层硬质合金，以提高斗齿的耐磨性。现在有许多厂家先将硬质合金做成板状耐磨体，然后用埋弧焊将其焊接在斗齿上，这样大大减少了焊接的工作量，使堆焊斗齿的生产成本降低。堆焊斗齿具有表面和齿尖硬，耐磨性高，心部和基体韧性好的优点。实践证明堆焊斗齿的耐磨性很好，适宜挖掘软矿或中等硬度的矿石、岩土。但在挖掘硬矿时，由于焊接质量不理想，焊接部分和基体的结合力弱，堆焊层很容易剥落。

镶块斗齿也是一种新型的斗齿类型，其制备方法为将耐磨材料制成的预置块置于齿尖部位，在浇注斗齿时一起镶铸在斗齿上。比如沈阳铸造研究所研制的双金属复合斗齿，就是把高铬铸铁预制块镶铸到高锰钢斗齿的齿尖部位，齿尖的耐磨性有一定提高(沈阳铸造研究所.挖掘机斗齿抗磨材料及制造工艺的国内外概括.铸造，1996，7)。这种方法制作复合斗齿的最大技术难题在于提高两种物理性质不同的镶块材料和斗齿齿基材料的结合强度。制作时，一般先将镶块的预置块进行预处理，然后进行镶铸。若工艺不过关，两种材料难于熔接，则镶块与斗齿的结合强度低，使用中镶块易脱落。实践证明，在硬质岩块含量小且性质均匀的矿石中，镶块复合斗齿具有很好的使用效果，但当遇到大砾块产生的冲击时，由于镶块与齿基之间的结合强度低，两种金属之间的粘结力弱，镶块容易脱落，使镶块复合斗齿的应用受到了限制。

所以增大堆焊层或镶块与斗齿基体之间的结合力是提高复合斗齿的一个重要因素，是该技术领域的一个重要发展方向。

另一方面，WC、TiCN、TiN或TiC基金属陶瓷作为新型工程材料，其高硬度和高耐磨性受到了研究人员的广泛关注，在机械加工刀具、模具以及地质钻具、耐磨件等耐磨材料领域得到广泛使用，WC基硬质合金在挖掘机领域中还作为堆焊层或镶块应用在堆焊斗齿和镶块斗齿中。然而，由于硬质合金中一般含有Co和Ta等贵重稀有战略金属，成本较高。若能在提高斗齿的耐磨性和寿命的同时，又能减少使用甚至不使用硬质合金，将会大大降低复合斗齿的生产成本。

发明内容

本发明提出一种新型挖掘机复合斗齿及其制备方法。本发明提出的新型挖掘机复合斗齿，采用高硬高强金属陶瓷材料齿尖，斗齿耐磨性增强，且因为采用新型间歇式结构，金属陶瓷耐磨材料使用量减少，有利于减少贵重稀有战略金属的使用和降低生产成本；本发明的另一个目的是解决堆焊斗齿和镶块斗齿在使用中堆焊层或镶块由于和斗齿基体结合力不够而剥落的问题。

本发明提出的新型挖掘机复合斗齿，由齿棒型齿尖和齿基(斗齿基体)两部分组成，并经高温镶铸而成。

上述复合斗齿，其外形为楔形(如附图1所示)，其中最薄端宽5～15cm，厚0.5～3.5cm，中间实心处宽8～20cm，厚5～10cm，整体长度25～40cm，从最薄端到实心处末端长度10～20cm。

在上述复合斗齿中，齿棒材料为新型高硬高强复合金属陶瓷，包括WC、TiCN、TiN或TiC基复合金属陶瓷中的一种或者多种。

在上述复合斗齿中，齿基材料为硬度和强度较高的高/低铬合金钢或者高锰钢。

在上述复合斗齿结构中，包含4～12根齿棒，形状为楔形(如附图1所示)，其最薄端宽0.5～3cm，厚0.3～1.5cm，中间实心处宽0.5～3cm，厚3～8cm，整体长度5～10cm。镶嵌于齿基前端，并在钢体外露出一小节，露齿长度约2～15mm；齿棒与齿棒之间有一定的距离，距离约2～10mm。这种结构既能增强斗齿的耐磨性，还能节约耐磨材料的使用，降低成本。

本发明提出的挖掘机复合斗齿的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括“齿棒预制→合金钢熔炼→复合斗齿镶铸→脱模”工艺步骤。

在上述制备方法中，复合金属陶瓷齿棒预制所用的基质原料为亚微米粉或纳米粉金属陶瓷粉，包括WC、TiCN、TiN或TiC基复合金属陶瓷中的一种或者多种，粒径D50小于0.4μm，质量分数为20～80％。其中，金属陶瓷烧结中所用的金属粘结剂为高温化学稳定性优异的金属粉末，包括Mo、Ni、Co或者稀土金属中的一种或者多种，质量分数为2～20％；所用的晶粒抑制剂为TaC、VC、Cr₃C₂、NdC、TiC中一种或者多种，质量分数为0.1～5.0％；所用增硬剂为高硬材料金刚石、c-BN微粉或者其表面镀制了一层高温化学稳定性优异的金属Mo、Ni或者稀土金属薄膜的微粉，粒径5～1000μm，质量分数为10～80％；所用增韧剂为纳米结构材料，包括碳纳米管/线、SiC纳米线/棒、TiC纳米线/棒以及其表面镀制了一层高温化学稳定性优异的金属Mo、Ni或者稀土金属薄膜的纳米结构材料中的一种或者多种，质量分数为0.5～15％。齿棒的制备方法依次包括“称量→混料→高能球磨→烘干→研磨过筛→压制/装料→烧结”工艺步骤，烧结方法为热压、热等静压、放电等离子体或者中频感应加热烧结，烧结温度900～1500℃，烧结体最终形状为楔形，如附图2-4所示。

在上述制备方法中，合金钢为高/低铬合金钢或者高锰钢，其主要成分为铁，质量分数90～95％；还含有Cr、Mn、Mo、W、C、Zr、Si、Ni、Cu、Ti、Re、Nb中的一种或者多种元素，质量分数为0.05～5％，以及少于0.05％的P和S元素；并在其中掺有TaC、VC、Cr₃C₂、NdC、TiC中一种或者多种碳化物作为晶粒抑制剂，质量分数为0.1～5.0％，用以改善铸铁的结晶组织、细化晶粒、净化晶界，提高合金钢的韧性，且晶粒抑制剂的组成和含量与齿棒中的相同，以便在镶铸过程中使基体和齿棒更加容易熔合，增强齿棒和齿基的结合力。合金钢熔炼在中频感应加热炉中进行，熔炼温度1480～1600℃。

在上述制备方法中，复合斗齿的镶铸在聚苯乙烯或者砂模具中进行。首先将加工好的齿棒进行预热处理，温度200～700℃；然后固定于斗齿模具的底部，齿棒与齿棒之间的距离为2～10mm；然后把熔炼好的温度为1480～1600℃的合金钢钢水浇注于模具中；最后在1000～1150℃下对斗齿进行水韧处理。

本发明的优点如下：

(1)制作齿棒的材料为新型的WC、TiCN、TiN或TiC基的复合金属陶瓷，具有高硬度、高强度和高耐磨性的特点，从而大大提高了斗齿的耐磨性。

(2)齿棒与齿棒之间微小的距离，有助于钢水的进入，从而使每个齿棒都被基体所包容，大大增大了齿棒与斗齿基体的接触面积，增强了耐磨材料齿棒与斗齿基体之间的结合力，降低了齿棒脱落的概率，使斗齿更能适应复杂、高硬岩土、矿石等挖掘环境。

(3)用复合金属陶瓷制作的齿棒和用合金钢制作的齿基含有相同的晶粒抑制剂和部份金属添加剂，且它们的含量也相同，从而使复合金属陶瓷材料和合金钢更加容易熔合，提高了齿棒与斗齿基体之间的结合力，从而提高了斗齿的寿命。

(4)相对于以往的镶块斗齿和堆焊斗齿，将整块硬质合金板改为分散的楔形齿棒，减少了金属陶瓷材料的使用量，节省了宝贵的稀有战略金属资源，同时有利于增大齿棒和齿基之间的接触面积，增强它们之间的结合力，从而提高了斗齿的寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1复合斗齿的三维形状示意图；

图2是本发明实施例1复合斗齿的二维图：(a)为主视图，(b)为左视图，图中1为斗齿齿基，2为斗齿齿棒；

图3是本发明实施例1复合斗齿齿尖部位的放大图：(a)为主视图，(b)为左视图；

图4是本发明实施例1齿棒的外形图：(a)为主视图，(b)为左视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提出一种新型挖掘机复合斗齿及其制备方法，其特征在于，所述复合斗齿由齿棒型齿尖和齿基(斗齿基体)两部分组成，并经高温镶铸而成。其齿棒材料为新型高硬高强复合金属陶瓷，包括WC、TiCN、TiN或TiC基复合金属陶瓷中的一种或者多种；其齿基材料为硬度和强度较高的高/低铬合金钢或者高锰钢；复合斗齿结构中包含多根齿棒，形状为楔形，镶嵌于齿基前端，并在钢体外露出一小节(如图1所示)，且齿棒与齿棒之间有一定的距离。

所述制备方法，包括如下工艺步骤和内容：

(1)齿棒的预制：

1)称量：按照配方比例称取基质粉料、金属粘结剂、晶粒抑制剂及增韧剂；

2)混料：将按比例称取的基质粉料、金属粘结剂粉、晶粒抑制剂粉放入高能搅拌球磨罐中，并按比例加入有机分散剂和粘接剂、硬质合金磨球和无水乙醇溶剂，搅拌球磨12～72小时。然后按比例加入增硬剂球磨0.5～1小时，再加入增韧剂再球磨20～40分钟；

3)干燥：在真空干燥箱中，将磨细混匀的浆料在10～100℃、真空度0～-0.5Pa下干燥3～48小时；

4)研磨过筛：将烘干的粉料进行研磨，并选用合适孔径的筛子进行过筛；

5)装料：将称量好的原料放入楔形模具中干压成型或者扎紧；

6)烧结：在热压烧结炉、热等静压烧结炉、放电等离子体烧结炉或者中频感应加热烧结炉中按照预先设定的烧结制度进行烧结成型。

(2)合金钢熔炼：

1)称量：按照配方比例称取金属原料和晶粒抑制剂；

2)熔炼：在中频感应加热炉中进行，熔炼温度1480～1600℃。

(3)复合斗齿镶铸：

1)齿棒预热：首先将加工好的齿棒进行预热处理，温度200～700℃；

2)齿棒固定：在聚苯乙烯或者砂模具中，将齿棒固定于斗齿模具的底部，齿棒与齿棒之间的距离为2～10mm；

3)浇注：将熔炼好的温度为1480～1600℃的合金钢钢水浇注于模具中。

(4)脱模：

1)脱模：将镶铸好的复合斗齿在室温下脱模；

2)水韧：在1000～1150℃下对斗齿进行水韧处理。

实施例1

本发明实施例的新型挖掘机复合斗齿的制造方法和工艺流程如下：

步骤一、齿棒的制备：

1)称量；按质量分数79％的亚微米WC粉，7％的Mo粉，12％的表面镀Mo金刚石粉，1％的VC，1％的镀Mo的SiC纳米晶须，以及外加的5％的有机分散剂和粘接剂称取各试剂。

2)混料：将称取的原料WC粉、金属粘结剂粉、晶粒抑制剂粉以及有机分散剂和粘接剂加入高能搅拌球磨罐中，并加入10倍质量的WC磨球和5倍质量的无水乙醇溶剂，搅拌球磨48小时。然后加入所称取的增硬剂球磨1小时，再加入增韧剂再球磨20分钟。

3)干燥：在真空干燥箱中，将磨细混匀的浆料在40℃、真空度-0.33Pa下干燥30小时。

4)研磨过筛：将烘干的粉料用玛瑙研钵研磨，并选用孔径为1mm的筛子进行过筛。

5)装料：将称量好的原料放入楔形石墨烧结模具中，并用橡胶锤砸紧。

6)烧结：在热压烧结炉中，升温速率10℃/min，烧结温度1440℃，保温时间4小时，保温压力100MPa；冷却速率800℃以前与升温速率相同，800℃以后随炉冷却。

步骤二、复合斗齿的制备：

1)齿棒预热：取制备好的齿棒9根，并加热至500℃；

2)齿棒固定：将预热后的齿棒固定于斗齿砂模模具底部，每根之间相距为2.5mm；

3)称量：在质量分数为89.7％的含碳1.2％、磷0.05％和硫0.03％的钢中，加入0.25％的硅、3％的锰、7％的钼和0.05％的铼，并外加质量分数1％的VC做晶粒抑制剂；按比例称取各原料；

4)熔炼与浇注：将合金钢原料在中频感应加热炉中熔化，在1500℃开始浇注；

5)脱模：将镶铸好的复合斗齿在室温下脱模；

6)水韧：在1050℃下对斗齿进行水韧处理。

本实施例所制备的复合斗齿的三维形状如图1，零件的外形和尺寸如图2～4。这种挖掘机复合斗齿的齿棒硬度大于HRA 90，强度大于1200MPa；齿基硬度大于HRC 45，强度大于1400MPa；齿棒和齿基结合良好，在攀枝花钒钛铁矿矿山挖掘中没有发现二者脱离的现象，并且这种复合斗齿连续工作不失效时间比普通高锰钢斗齿提高1.5～3倍。

Claims

1.一种新型挖掘机复合斗齿，其特征在于，复合斗齿由齿棒型齿尖和斗齿基体两部分组成，并经高温镶铸而成；所述齿尖的材料为复合金属陶瓷，包括WC、TiCN、TiN或TiC基复合金属陶瓷中的一种或者多种；所述斗齿基体的材料为高/低铬合金钢或者高锰钢；所述复合斗齿的结构中包含4～12根齿尖，形状为楔形，镶嵌于斗齿基体前端，并在钢体外露出2～15mm，且齿尖与齿尖之间有2～10mm的距离。

2.按照权利要求1所述的挖掘机复合斗齿的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括齿尖预制→合金钢熔炼→复合斗齿镶铸→脱模工艺步骤；

所述齿尖预制工艺步骤中，复合金属陶瓷齿尖预制所用的基质原料为亚微米粉或纳米粉金属陶瓷粉，包括WC、TiCN、TiN或TiC基复合金属陶瓷中的一种或者多种，粒径D50小于0.4μm，质量分数为20～80％；其中金属陶瓷烧结中所用的金属粘结剂为高温化学稳定性优异的金属粉末，包括Mo、Ni、Co或者稀土金属中的一种或者多种，质量分数为2～20％；所用的晶粒抑制剂为TaC、VC、Cr₃C₂、NdC、TiC中一种或者多种，质量分数为0.1～5.0％；所用增硬剂为高硬材料金刚石、c-BN微粉或者其表面镀制了一层高温化学稳定性优异的金属Mo、Ni或者稀土金属薄膜的微粉，粒径5～1000μm，质量分数为10～80％；所用增韧剂为纳米结构材料，包括碳纳米管/线、SiC纳米线/棒、TiC纳米线/棒以及其表面镀制了一层高温化学稳定性优异的金属Mo、Ni或者稀土金属薄膜的纳米结构材料中的一种或者多种，质量分数为0.5～15％；齿尖的制备方法依次包括“称量→混料→高能球磨→烘干→研磨过筛→压制/装料→烧结”工艺步骤，烧结方法为热压、热等静压、放电等离子体或者中频感应加热烧结，烧结温度900～1500℃，烧结体最终形状为楔形；

所述合金钢熔炼工艺步骤中，合金钢为高/低铬合金钢或者高锰钢，其主要成分为铁，质量分数90～95％；还含有Cr、Mn、Mo、W、C、Zr、Si、Ni、Cu、Ti、Re、Nb中的一种或者多种元素，质量分数为0.05～5％，以及少于0.05％的P和S元素；并在其中掺有TaC、VC、Cr₃C₂、NdC、TiC中一种或者多种碳化物作为晶粒抑制剂，质量分数为0.1～5.0％，且晶粒抑制剂的组成和含量与齿尖中的相同；合金钢熔炼在中频感应加热炉中进行，熔炼温度1480～1600℃；

所述复合斗齿镶铸工艺和脱模步骤中，复合斗齿的镶铸在聚苯乙烯或者砂模具中进行；首先将加工好的齿尖进行预热处理，温度200～700℃；然后固定于斗齿模具的底部，齿尖与齿尖之间的距离为2～10mm；然后把熔炼好的温度为1480～1600℃的合金钢钢水浇注于模具中；最后在1000～1150℃下对斗齿进行水韧处理。