CN108160923A - 一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，斗齿在表面或局部原位合成TiC+VC双相增强颗粒硬质合金涂层。并在此基础上，根据斗齿的受力特征和作业对象的特性，通过调整TiC+VC的分布形式，获得用于不同施工工况的超耐磨斗齿。本发明制备的超耐磨斗齿，即保持了表面的高硬度、高耐磨性能，同时具有金属基体的高韧性和高延展性。

Description

一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法
技术领域
本发明涉及一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿，具体涉及一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法。
背景技术
装载机、挖掘机、电铲等铲运设备在冶金、矿山、国防工程上有着广泛的应用，斗齿作为其主要易损件，作业时直接与物料（岩石、煤块、沙子等）接触，发生强烈的摩擦及冲击，对斗齿造成严重的磨损，最终导致失效。物料的不同，斗齿的磨损情况也相差较大。由于斗齿工况条件极为苛刻，除承受磨削磨损外，还要承受较大的冲击载荷，因此要求斗齿不仅要具有较高的耐磨性，同时也要具备良好的韧性，以抵抗其在工作过程中与物料之间的强大冲击作用。频繁的更换斗齿，将严重影响工期进度，造成巨大的损失。因此提高斗齿的使用寿命具有十分重要的意义。
目前市场上提高装载机、挖掘机斗齿的耐磨性能的方法可以归纳为以下方向：一种方法是使用高/低铬合金钢和高锰钢制造，直接使用或经过简单的热处理获得。另一个方通过激光熔覆、堆焊等手段在斗齿表面涂覆硬质合金涂层或超耐硬耐磨材料。
现有技术存在以下缺陷：采用高/低铬合金钢和高锰钢制造的斗齿耐磨性能较差。高/低铬合金钢在室温特别是低温下冲击值极低，易产生脆断，且斗齿的热处理复杂、生产效率低、大规模生产难度大。高锰钢只有在高冲击或强凿削的情况下，表面才能有效地产生加工硬化层，表现出高耐磨性能。当高锰钢斗齿作业对象为硬岩时，斗齿的磨损非常严重，使用寿命约为70小时。采用激光熔覆、堆焊手段在斗齿表面涂覆硬质合金涂层或超硬耐磨材料存在很大的缺陷，硬质材料与基体结合处存在孔隙，硬质合金相分布不均匀等问题一直得不到很好的解决，耐磨效果并不十分好。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：采用钛粉、钒铁粉、石墨粉和金属粉末为合成原料，包括以下步骤：
1) 钛粉：粉末粒度：1~15μm，纯度≥99.8wt%；钒铁粉：粉末粒度：1~15μm， 20~70wt%V；石墨粉：粉末粒度1~20μm，纯度≥99.7wt%；金属粉末：粉末粒度：1~200μm；钛粉、钒铁粉、石墨粉和金属粉末按质量比：15~50%：7.5~30%：5~25%：5~20%；
2）制备SHS粉末膏剂：将上述配好的原料在球磨机中进行球磨得混合粉末；
在混合均匀的粉末内加入粘结剂，研磨1~2h，制成SHS粉末膏剂；
3）涂覆并烘干：将SHS粉末膏剂均匀涂覆在铸件模型的特定位置上，或将SHS膏剂压制成膏块，粘结到铸件模型工作表面上；将涂覆好SHS粉末膏剂的铸件进行烘干，烘干温度为50~70℃，烘干时间为10~20h；在铸件外表面涂覆一定厚度的防粘砂涂料，将涂覆好防粘砂涂料的铸件模型再次烘干；
4）浇注钢液：在中频感应电炉中熔炼钢液，采用真空消失模铸造浇注成型，真空度为0.05~0.08MPa；高温钢液引发高温自蔓延合成反应，Ti+C=TiC，V+C=VC，生成TiC+VC双相颗粒增强相层；
5)铸件最后进行热处理或铸造余热水韧处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得到整体表面或局部自蔓延高温合成TiC、VC双相硬质合金涂层的斗齿。
TiC+VC双相颗粒增强相的厚度可以达到3~15mm。耐磨涂层可以达到55~70HRC。
作为优选方案，所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：金属粉末组分质量比为：Ni：10~60%，Cr:5~30%， Mo:30~60%，B:2~5%，其余为Fe。
作为优选方案，所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：所述球磨时间为15~24h；球料比为 6:1，球磨转速200r/min。
作为优选方案，所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：粘结剂为8%聚乙烯醇饱和水溶液或5~7%汽油橡胶溶液。
作为优选方案，所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：粘结剂与混合粉末的质量比为1:10~1:50。
作为优选方案，所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：涂覆方法采用喷涂或刷涂的方式。
作为优选方案，所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：钢液选用高锰钢、中低合金钢。
有益效果：本发明提供的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，利用高温自蔓延原位合成双相颗粒增强铁基表面超耐磨斗齿，通过高温自蔓延原位合成TiC+VC双相增强颗粒，增强颗粒具有热力学稳定、尺寸细小、分布均匀且与基体结合良好的特点。本发明的超耐磨斗齿，即保持了表面的高硬度、高耐磨性能，同时具有金属基体的高韧性和高延展性。同时结合挖掘机、装载机道路施工时不同的工矿条件和斗齿受力情况，设计针对不同作业对象的涂层分布形式。本发明的创新之处首先在于TiC+VC双相增强颗粒，相比于TiC单相颗粒，TiC+VC增强颗粒硬度更高、形状更规则、趋于球形，与基体界面结合强度更高。斗齿表面硬度可达55~70HRC，基体部分仍能保持较高的韧性，有效提高斗齿的使用寿命；同时结合挖掘机、装载机道路施工时不同的工矿条件和斗齿受力情况，设计针对不同作业对象的涂层分布形式。
附图说明
图1为实施例1的涂覆示意图；
图2为实施例2的涂覆示意图；
图3为实施例3的涂覆示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
高锰钢成分组成为：C:0.80%，Mn:13.89%，Si:0.61%，P:0.087%，S:0.0013%。
1）称取钛粉（平均粒度15μm）2.2kg，钒铁粉（平均粒度15μm，Fe-50wt%V）0.9kg，石墨粉（平均粒度10μm）0.7kg，金属粉末（平均粒度20μm，其中Ni：30wt%，Cr：20wt%，Mo：30wt%，B:3wt%，其余Fe）1.2kg。在球磨机中进行球磨，时间为20h。球料比为 6:1，球磨转速200r/min。在混合均匀的粉末内加入粘结剂150g，粘结剂为7%汽油橡胶溶液，研磨2h，制成SHS粉末膏剂。
2）涂覆并烘干：如图1所示，将SHS粉末膏剂均匀涂在EPS泡沫塑料铸件模型齿尖表面位置1和位置2的凹槽内，涂覆厚度为5mm。将涂覆好SHS粉末膏剂的铸件进行烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为12h。在铸件外表面刷涂1mm厚的防粘砂涂料，在50℃下干燥6h。
3）浇注钢液：在中频感应电炉中熔炼钢液，将熔炼的钢液抽真空后浇注，真空度为0.05MPa，浇注温度为1480℃。高温钢液引发高温自蔓延合成反应。
4)铸件冷却到1050℃时，落砂翻出铸件，立刻淬入水温为20℃，淬火后水温不得超过60℃，进行铸件的水韧处理。冷却到室温后，进行表面清理，打磨。得到TiC+VC双相硬质合金涂层，涂层与高锰钢基体结合良好，涂层厚度在5mm左右，硬度可达到60HRC。适合物料为沙子的工况条件，寿命比普通高锰钢斗齿提高3~5倍。
实施例2:
高锰钢成分组成为：C:0.80%，Mn:13.89%，Si:0.61%，P:0.087%，S:0.0013%。
1）称取钛粉（平均粒度15μm）4.0kg，钒铁粉（平均粒度15μm，Fe-50wt%V）1.5kg，石墨粉（平均粒度10μm）1.2kg，金属粉末（平均粒度20μm，其中Ni：35wt%，Cr：20wt%，Mo：20wt%，B:3wt%，其余Fe）2.3kg。在球磨机中进行球磨，时间为20h。球料比为 6:1，球磨转速200r/min。在混合均匀的粉末内加入粘结剂300g，粘结剂为7%汽油橡胶溶液，研磨2h，制成SHS粉末膏剂。
2）涂覆并烘干：如图2所示，将SHS粉末膏剂均匀涂在EPS泡沫塑料铸件模型齿尖表面位置3和位置4的凹槽内，涂覆厚度为7mm。将涂覆好SHS粉末膏剂的铸件进行烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为12h。在铸件外表面刷涂1mm厚的防粘砂涂料，在50℃下干燥6h。
3）浇注钢液：在中频感应电炉中熔炼钢液，将熔炼的钢液抽真空后浇注，真空度为0.05MPa，浇注温度为1480℃。高温钢液引发高温自蔓延合成反应。
4)铸件冷却到1050℃时，落砂翻出铸件，立刻淬入水温为20℃，淬火后水温不得超过60℃，进行铸件的水韧处理。冷却到室温后，进行表面清理，打磨。得到TiC+VC双相硬质合金涂层，涂层与高锰钢基体结合良好，涂层厚度在7mm左右，硬度可达到63HRC。适应于煤矿的开采，寿命比普通高锰钢斗齿的6倍左右。
实施例3：
Q345成分组成为：C:0.14%，Mn:1.40%，Si:0.38%，P:0.018%，S:0.005%，Mo:0.037%，V:0.063%，Ti：0.023%，Als：0.027%。
1）称取钛粉（平均粒度15μm）5.4kg，钒铁粉（平均粒度15μm，Fe-50wt%V）3.6kg，石墨粉（平均粒度10μm）2.6kg，金属粉末（平均粒度20μm，其中Ni：30wt%，Cr：20wt%，Mo：30wt%，B:3wt%，其余Fe）4.0kg。在球磨机中进行球磨，时间为20h。球料比为 6:1，球磨转速200r/min。在混合均匀的粉末内加入粘结剂450g，粘结剂为7%汽油橡胶溶液，研磨2h，制成SHS粉末膏剂。
2）涂覆并烘干：如图3所示，将SHS粉末膏剂均匀涂在EPS泡沫塑料铸件模型齿尖表面位置5和位置6的凹槽内，涂覆厚度为10mm。将涂覆好SHS粉末膏剂的铸件进行烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为12h。在铸件外表面刷涂1mm厚的防粘砂涂料，在50℃下干燥6h。
3）浇注钢液：在中频感应电炉中熔炼钢液，将熔炼的钢液抽真空后浇注，真空度为0.05MPa，浇注温度为1570℃。高温钢液引发高温自蔓延合成反应。
4)铸件冷却到550℃时，落砂翻出铸件，埋入石英砂中进行缓冷处理，冷却到室温后，进行表面清理，打磨。得到TiC+VC双相硬质合金涂层，涂层与Q345基体结合良好，涂层厚度在10mm左右，硬度可达到65HRC。适应于岩石等恶劣的工况，寿命比普通高锰钢斗齿提高5~7倍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：采用钛粉、钒铁粉、石墨粉和金属粉末为合成原料，包括以下步骤：
1) 钛粉：粉末粒度：1~15μm，纯度≥99.8wt%；钒铁粉：粉末粒度：1~15μm， 20~70wt%V；石墨粉：粉末粒度1~20μm，纯度≥99.7wt%；金属粉末：粉末粒度：1~200μm；钛粉、钒铁粉、石墨粉和金属粉末按质量比：15~50%：7.5~30%：5~25%：5~20%；
2）制备SHS粉末膏剂：将上述配好的原料在球磨机中进行球磨得混合粉末；
在混合均匀的粉末内加入粘结剂，研磨1~2h，制成SHS粉末膏剂；
3）涂覆并烘干：将SHS粉末膏剂均匀涂覆在铸件模型的特定位置上，或将SHS膏剂压制成膏块，粘结到铸件模型工作表面上；将涂覆好SHS粉末膏剂的铸件进行烘干，烘干温度为50~70℃，烘干时间为10~20h；在铸件外表面涂覆一定厚度的防粘砂涂料，将涂覆好防粘砂涂料的铸件模型再次烘干；
4）浇注钢液：在中频感应电炉中熔炼钢液，采用真空消失模铸造浇注成型，真空度为0.05~0.08MPa；高温钢液引发高温自蔓延合成反应，Ti+C=TiC，V+C=VC，生成TiC+VC双相颗粒增强相层；
5)铸件最后进行热处理或铸造余热水韧处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得到整体表面或局部自蔓延高温合成TiC、VC双相硬质合金涂层的斗齿。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：金属粉末组分质量比为：Ni：10~60%，Cr:5~30%， Mo:30~60%，B:2~5%，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：所述球磨时间为15~24h；球料比为 6:1，球磨转速200r/min。
4.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：粘结剂为8%聚乙烯醇饱和水溶液或5~7%汽油橡胶溶液。
5.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：粘结剂与混合粉末的质量比为1:10~1:50。
6.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：涂覆方法采用喷涂或刷涂的方式。
7.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于：钢液选用高锰钢、中低合金钢。
8.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法，其特征在于： TiC+VC双相颗粒增强相的厚度达到3~15mm；耐磨涂层达到55~70HRC。
9.一种颗粒增强铁基超耐磨斗齿，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的颗粒增强铁基超耐磨斗齿的制备方法制得。
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