CN102978531A - 挖掘机斗齿及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种挖掘机斗齿及其制备方法，它解决了现有的斗齿较易发生断裂或者裂纹，使用寿命较短的问题。本发明挖掘机斗齿的组成成分及其质量百分比为C：0.26％-0.29％，Mn：1.30％-1.50％，Si：1.20％-1.40％，Cr：1.40％-1.60％，Mo：0.15％-0.25％，Ni：0.20％-0.30％，余量为Fe。本发明还提供一种制备上述挖掘机斗齿的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。采用本发明斗齿机械性能好，硬度、韧性、耐磨性、抗拉强度高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种斗齿，尤其涉及一种挖掘机斗齿及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
挖掘机斗齿是挖掘机的重要部件，挖掘机的斗齿在矿山的采掘过程中直接与矿石接触，工作条件十分恶劣。挖掘机斗齿因表面硬度低，耐磨性差，除正常凿削磨损外，还要承受强烈的冲击负荷，部位因为韧性不足，在施工中不断受到各种强大作用力的冲击而发生脆断，这样不仅造成材料的浪费和经济的损失，而且还影响着生产的进度。影响挖掘机斗齿寿命的因素很复杂，除矿石结构、软硬程度、爆破情况，以及使用单位对挖掘机的维修与保养和司机的操作水平外，还有斗齿的结构和形状的影响，挖掘机斗齿的材料及其制备方法中热处理的影响。
理想的挖掘机斗齿材料表面应具有高硬度，良好的耐磨性，基体具有高强度、高韧性，使用寿命长等特点，这是单一的材料难以同时达到的。现有的斗齿一般采用耐磨钢，例如RobertHadfield发明的Hadfield钢，其耐磨性和韧性较好，但是其冲击韧性偏低，在挖掘机工作过程中，斗齿表面容易造成大块脱落，甚至易发生脆断。此外，高锰钢一般被认为只有在高冲击或强凿削的磨损条件下，表面才能有效地产生加工硬化层，表现出较高的耐磨性，否则它甚至比不上一般钢的耐磨性。
中国专利申请(公开号为CN102400050A)公开了一种斗齿，其组成成分为C：0.26％-0.29％，Mn：0.90％-1.20％，Si：1.10％-1.30％，Cr：1.30％-1.50％，B：0.001％-0.005％，Al：0.02％-0.06％，余量为Fe以及不可避免的杂质，以及其制备方法：铸造工序和热处理工序，该斗齿机械性能有一定提高，能满足一般挖掘机工作环境需求，但仍较易发生断裂或者裂纹，使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种机械性能更好，使用寿命长的挖掘机斗齿。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种挖掘机斗齿，其组成成分及质量百分比为：C：0.26％-0.29％，Mn：1.30％-1.50％，Si：1.20％-1.40％，Cr：1.40％-1.60％，Mo：0.15％-0.25％，Ni：0.20％-0.30％，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，本发明挖掘机斗齿的组成成分中碳含量设计得较低，为0.26％-0.29％，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含量降低至1.30-1.50％，既保证了奥氏体组织，又能增加奥氏体的硬度和强度，还可大幅提高斗齿的耐磨性，以弥补低碳的不足。锰元素在该斗齿中起到两方面作用，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考参数；二为提高斗齿的耐蚀性，添加锰元素可以细化材料组织，提高再结晶温度，增强斗齿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。
若钢中的含硅量较高，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。固本发明中硅的含量控制在1.20％-1.40％，此外，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。
本发明将Cr含量提高到1.40％-1.60％，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。
碳化物形成元素Mo具有形成弥散合金碳化物的作用，在提高耐磨性的同时，可细化晶粒，使斗齿整个截面具有较均匀的力学性能。经研究表明，当加入0.15％-0.25％Mo时，钢的强度、塑性和冲击韧性可提高20％-30％，耐磨性也提高20％-30％。Mo可分布在碳化物中抑制碳化物的析出从而提高铸件的抗裂纹能力和水淬质量。
Mn和Ni均是扩大奥氏体区的元素，有利于获得残余奥氏体，与适量的Mo配合可以提高钢的贝氏体淬透性，空冷时获得无碳化物贝氏体组织。加人的Ni可提高钢的冲击韧性，改善低温韧性。
本发明在原有技术的基础上加入少量Ni，其目的是确保钢具有良好的淬透性、淬硬性与综合力学性能。
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％。
S能使钢的性能变差，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，所述斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.27％，Mn：1.40％，Si：1.20％，Cr：1.50％，Mo：0.20％，Ni：0.25％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
本发明还提供一种上述斗齿的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。所述热处理工序中，待温度为950℃-980℃时进行淬火，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℃。
本发明采用的铸造工序为常规铸造工序，该方热处理工序简化生产工艺，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。
本发明采用的淬火加热温度不同于常规亚共析钢的淬火温度，按常规设定淬火温度最高为900℃，但淬火效果并不理想。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950℃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950℃-980℃，钢的强度虽略微下降，但可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。
另一方面，若热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。热处理中加热温度偏高，就又会使奥氏体晶粒长大。
与现有技术相比，本发明通过配置特定组分和质量百分比的原料，并通过特殊的热处理工艺得到本发明的挖掘机斗齿，其机械性能更好，具有更高的硬度、韧性、耐磨性、抗拉强度，使用寿命更长。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的剖视图。
图中，1、齿尖；2、工作部；3、连接部；4、连接孔；5、凹槽一；6、凸台；7、工作面；8、加强筋；9、凹槽二。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1和图2所示，本发明的斗齿包括齿尖1、工作部2和连接部3，工作部2位于齿尖1和连接部3之间，齿尖1、工作部2和连接部3为一体式结构，作为优选方案，选择工作部2尾端厚度H1为12mm。
工作部2的高度从齿尖1端至连接部3端逐渐升高，工作部2其中一个工作面7上沿轴心线方向设有加强筋8，作为优选方案，选择加强筋8的尾端比首端高出长度H2为4mm，另外，在该工作面7上向内凹陷形成有两个凹槽一5，两个凹槽一5分列在加强筋8的两侧且对称设置，工作部2另一工作面7沿轴心方向向内凹陷形成有凹槽二9。
凹槽一5为弧形凹槽，弧形凹槽的设计破坏了挖掘过程中被压紧物料沿工作部2顶面移动的趋势，降低了挖掘阻力，增加了携带量，减轻了斗齿自身的磨损。
齿尖1形状呈“鸭嘴型”，齿尖1宽度小于工作部2宽度，齿尖1与工作面7形成有一个切削角度α，作为优选方案，选择齿尖1端部的宽度D为24mm，选择齿尖1轴心方向的长度L为2mm，选择切削角度α为120°，在斗齿离开物料时，凹槽一5和凹槽二9能带走一部分物料，相比于尖刀形斗齿，本斗齿工作时与物料的接触面积较大，携带量较大；相比于扁形的斗齿，本发明的斗齿工作时能够挖掘的比较深，工作效率高、经济实用。
连接部3两侧边开设有相贯通的连接孔4，两个连接孔4外围设有凸台6，连接孔4穿过凸台6。凸台6的设置，减少了连接孔4的磨损，延长了斗齿的使用寿命。
表1：实施例1～3用于制备挖掘机斗齿的组成成分和质量百分比
表1
实施例1
按表1实施例1确定挖掘机斗齿的组成元素及其质量百分比，挖掘机斗齿的组成元素及其质量百分比对斗齿的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的斗齿的机械性能也有较大的影响。斗齿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，对斗齿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，对本实施例中挖掘机斗齿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950℃-980℃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950℃、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250℃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，亚晶粒合并造成斗齿各项机械性能下降。
因此本实施例选择经过锻造工序处理后的斗齿进行的热处理为：在热处理工序中，待温度为950℃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斗齿机械性能好、具有高硬度、高抗拉强度、高韧性、高耐磨性，使用寿命长等优点。
实施例2
按表1中实施例2确定挖掘机斗齿的组成元素和质量百分比，本实施例中挖掘机斗齿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950℃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斗齿机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都教高，使用寿命长。
实施例3
按表1实施例3确定挖掘机斗齿的组成元素和质量百分比，本实施例中挖掘机斗齿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950℃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斗齿机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较好，使用寿命长。
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)
1.一种挖掘机斗齿，其特征在于：所述斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.26％-0.29％，Mn：1.30％-1.50％，Si：1.20％-1.40％，Cr：1.40％-1.60％，Mo：0.15％-0.25％，Ni：0.20％-0.30％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的挖掘机斗齿，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所述的挖掘机斗齿，其特征在于：所述挖掘机斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.27％，Mn：1.40％，Si：1.20％，Cr：1.50％，Mo：0.20％，Ni：0.25％，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斗齿的制备方法，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950℃-980℃，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所述的挖掘机斗齿的制备方法，其特征在于：所述热处理工序中，回火温度为230℃。
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