CN102978515A - 挖掘机齿座及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种挖掘机齿座及其制备方法，它解决了现有的齿座使用寿命短，材料成本高的问题。本发明的挖掘机齿座的组成成分及其质量百分比为：C：0.21％-0.24％，Mn：1.10％-1.40％，Si：0.30％-0.60％，Cr：0.45％-0.85％，余量为Fe。本发明还提供一种制备上述挖掘机齿座的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。采用本发明挖掘机齿座，其机械性能得到很大提高，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较高，使用寿命长，材料成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种齿座，尤其涉及一种挖掘机齿座及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
斗齿、齿座是挖掘机、装载机主要的磨损部件，斗齿、齿座在工作过程中直接与砂、土、岩石、矿物等接触，受到严重的磨料磨损，消耗量很大。根据斗齿和齿座不同的功能，斗齿和齿座对材料的机械性能的要求不同。其中，斗齿直接与矿石接触，其需要高硬度、高耐磨性以及高强度和高韧性，而齿座则要求材料具有良好的焊接性，以保证焊口强度和焊接的可靠性，同时保证较高的韧性和硬度。
现有技术中的的齿座寿命很短，很容易发生断裂或者裂纹，其原因是齿座的焊接性和耐磨性差，冲击韧性和抗拉强度也较低。中国专利申请(公开号为CN1876879A)涉及一种微合金焊接铸钢齿座，其化学成分为：C：0.15-0.25wt％，Si：0.3-1.0wt％，Mn：0.6-1.4wt％，Cr：0.4-1.0wt％，B：0.0005-0.007wt％，Al：0.01-0.1wt％，Ce：0-0.045wt％，La：0-0.035wt％，Ti：0-0.1wt％，P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其制备步骤包括钢水熔炼及热处理。该微合金可焊接铸钢齿座加入少量其他元素如B、La、Ce，制成的齿座性能虽可满足齿座的一般要求，但是其使用寿命较短，很容易发生断裂，材料成本较高，如稀土金属La的价格就高达100000-110000元/吨，Ce的价格为165000-170000元/吨，导致齿座售价高，市场竞争力较低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提出了一种机械性能好，使用寿命长，材料成本低的挖掘机齿座。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种挖掘机齿座，所述齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.21％-0.24％，Mn：1.10％-1.40％，Si：0.30％-0.60％，Cr：0.45％-0.85％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
碳含量是决定钢硬度的重要因素，本发明中的碳量设计较低为0.21％-0.24％，低碳设计虽增加了铸件对裂纹的敏感性，但通过淬火获得了高硬度的同时，又保证了足够的塑性与韧性及其耐磨性。
Mn作为合金钢的基本元素，当Mn元素高于9％时，对钢的机械性能没有明显的影响。在保证奥氏体组织的前提下，随着Mn元素含量的降低，奥氏体稳定性虽然下降，但是加工硬度能力显著增强，耐磨性在高冲力作用下显著提高，本发明将Mn含量控制在1.10％-1.40％，既保证了奥氏体组织，又能增加奥氏体的硬度和强度还可大幅提高齿座的耐磨性，以弥补低碳的不足。锰元素在该齿座中起到两方面作用，一为中和铁元素的有害作用，使铁元素仅发挥其正面作用，因此余量铁元素也是选取锰元素含量的重要参数；二为提高齿座的耐蚀性，添加锰元素可以细化材料组织，提高再结晶温度，增强齿座在矿山的采掘过程中直接与矿石接触摩擦产生高温时的耐热性。
若钢中的硅含量较高，则会引起碳化物分解，降低碳在奥氏体中的浓度，使形变强化能力变差，同时使铸件产生裂纹的倾向增大。而合金化时加入Si的目的是利用连续冷却过程中Si能增加过冷奥氏体的稳定性及钢中残余奥氏体含量，强烈阻碍碳化物的析出，提高钢的回火抗力，固将本发明的硅含量控制在0.30％-0.60％。
本发明将Cr含量提控制在0.45％-0.85％，因为铁原子半径为2.7·10-10m，而铬原子的半径为2.8·10-10m，两者十分相近，铁与铬的亲和力比其他元素更强，容易与碳结合成(Fe、Cr)3C。此外，钢的铸态组织中随铬含量的增加碳化物量随之增加，往往在晶界上形成连续网状碳化物(Fe、Cr)3C。由于铬的扩散过程特点和铬对碳扩散过程的影响，一般水韧处理时，含铬碳化物很难水解，形成单项奥氏体较难，从而影响钢的性能。
本发明采用Cr、Mn、Si三元素配比的交互作用，对钢的淬透性、淬硬性、奥氏体的稳定性均有明显的作用。
进一步地，所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.025％，P元素的质量百分比小于等于0.025％。
硫S强烈地使高锰钢的性能变差，但当含硫量小于0.03％时，它的有害作用就不明显。
磷和硫一样，对高锰钢的耐磨性和机械性能均有特别有害的影响，每0.02％的P平均降低冲击韧性1.98J/cm2；当磷从0.07％-1.0％降到0.02％-0.04％，钢的塑性、韧性、耐磨性均可提高40％-50％，铸件裂纹也可大大减少。本发明将磷的含量控制在0.025％以内，还可避免沿晶界析出共晶磷化物。
进一步地，所述挖掘机齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.23％，Mn：1.30％，Si：0.50％，Cr：0.65％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
本发明还提供一种上述挖掘机齿座的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。所述热处理工序中，待温度为900℃-920℃进行淬火，淬火后先保温2-4小时；待温度为220℃-240℃时回火，回火后再保温3-4小时。
进一步地，所述热处理工序中，回火温度为230℃。
本发明采用该方法不但简化生产工艺，减少能源消耗，且同样能使铸件具有常规热处理后的性能水平。由于该方法可立即快速升温到淬火温度，这样就缩短了碳化物重新溶解的时间。因此，该工艺所得的组织较常规热处理显著改善：奥氏体均匀性增加，碳化物溶解更完全，晶界碳化物减少，故钢的塑性特别是冲击韧性及铸件各部位性能的均匀性显著提高。
钢在加热过程中，在400℃-700℃时，碳化物不断地析出和长大，700℃-900℃时碳化物逐渐溶解，加热至920℃以上时，即使晶界上残余的碳化物也会全部溶解。由于难溶的碳化物的存在，有必要提高其固溶温度，将淬火温度提高到900℃-920℃，钢的强度虽略微下降，但达到最佳的强韧性和塑性。提高淬火的温度有利于成分的均匀化，进一步减少高碳微区，增大高位错板条壮马氏体和薄膜状残余奥氏体的数量，从而提高钢的强韧性，增强抵抗裂纹扩展的能力，减轻应力集中，改善韧性。
此外，若水韧处理中加热温度偏低或保温时间不足，碳化物不能充分溶解，常常聚集在奥氏体的晶界上。若水韧处理中加热温度偏高，就会使奥氏体晶粒长大。
本发明通过配置特定的挖掘机齿座的组分和质量百分比的原料，并通过特殊的热处理工艺制得机械性能好、具有高硬度、高抗拉强度、高韧性、高耐磨性，材料成本低，同时满足挖掘机特殊的工作环境需求的挖掘机齿座。
具体实施方式
表1：实施例1～3用于制备挖掘机齿座的组成元素及其质量百分比
实施例1
本实施例中挖掘机齿座的组成元素及其质量百分比如表1中实施例1所示。
挖掘机齿座的组成元素及其质量百分比对齿座的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的齿座的机械性能也有较大的影响。齿座的制备工艺包括铸造工序和热处理工序，其中铸造工序采用常规铸造工艺即可，对齿座最终机械性能影响最大的为热处理工序。热处理工序包括淬火升温、保温后回火、回火后空冷的步骤。本实施例为探讨最佳淬火温度、回火温度，对本实施例中齿座在不同条件下热处理并测试其机械性能，得实验结果如表2。
表2：
从表2可以看出，淬火温度为900℃-920℃区间和回火温度为220℃-240℃区间，抗拉强度和硬度随回火温度的升高而降低，常温冲击韧性则升高，在淬火温度为900℃、回火温度为240℃时，抗拉强度、硬度达到最小值，常温冲击韧性则达到最大值，耐磨性达到最佳状态。因为对低碳合金钢进行奥氏体化高温加热急冷淬火可获得硬度适中，钢性好，强韧性的低碳板条马氏体组织。因钢中“C”元素淬火时偏聚到位错和板条边界上，导致亚结构细化和高密度位错产生固溶强化。低碳板条马氏体在电子显微镜下呈板条状互相平行分布，它的主体由许多细而薄长的晶体组成，板条内无孪晶。而当回火温度大于240℃时，位错发生滑移和攀移，造成位错密度降低，同时晶界发生移动，亚晶粒合并造成齿座各项机械性能下降。
因此本实施案例选择经过锻造工序处理后的齿座进行热处理的条件为：在热处理工序中，待温度为900℃时进行淬火，淬火后保温2-4小时；在温度为220℃-240℃时进行回火，回火后再保温3-4小时。
本实施例中所得的挖掘机齿座机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较高，使用寿命长，材料成本低。
实施例2
按表1中实施例2确定挖掘机齿座的组成元素和质量百分比，本实施例中挖掘机齿座经过铸造工序和热处理工序，其中热处理工序采用和实施例一一样的工艺条件，即在热处理工序中，待温度为900℃时进行淬火，淬火后保温2-4小时；在温度为220℃-240℃时进行回火，回火后再保温3-4小时。测试其机械性能如表3：
表3：
从上述测试得采用本实施例的配比后，利用实施例一的工艺条件制得的挖掘机齿座机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较高，使用寿命长，材料成本低。
实施例3
按表1中实施例3确定挖掘机齿座的组成元素和质量百分比，本实施例中挖掘机齿座经过铸造工序和热处理工序，其中热处理工序采用和实施例一一样的工艺条件，即在热处理工序中，待温度为900℃时进行淬火，淬火后保温2-4小时；在温度为220℃-240℃时进行回火，回火后再保温3-4小时。测试其机械性能如表4：
表4：
从上述测试得采用本实施例的配比后，利用实施例一的工艺条件制得的挖掘机齿座，其机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较高，使用寿命长，材料成本低。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种挖掘机齿座，其特征在于：所述齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.21％-0.24％，Mn：1.10％-1.40％，Si：0.30％-0.60％，Cr：0.45％-0.85％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的挖掘机齿座，其特征在于：所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.025％，P元素的质量百分比小于等于0.025％。
3.根据权利要求2所述的挖掘机齿座，其特征在于：所述挖掘机齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.23％，Mn：1.30％，Si：0.50％，Cr：0.65％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
4.一种制备权利要求1至3任意一项所述挖掘机齿座的制备方法，包括铸造工序和热处理工序，其特征在于：所述热处理工序中，淬火温度为900℃-920℃，淬火后保温时间为2-4小时，回火温度为220℃-240℃，回火后保温时间为3-4小时。
5.根据权利要求4所述的挖掘机齿座的制备方法，其特征在于：所述热处理工序中，回火温度为230℃。
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