CN108588584A - 一种多用途农用铲斗及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用途农用铲斗及其制备方法，属于农用机械技术领域。本发明的农用铲斗由合金钢制成，该合金钢包括以下质量百分比的组分，1.90‑2.70％C、0.30‑1.00％Si、11.00‑14.00％Mn、0.15‑0.20％Cr、0.20‑0.30％Ni、0.23‑0.35％Cu、0.10‑0.15％Mo、0.3‑0.8％纳米TiN、0‑0.03％P、0‑0.02％S，余量为Fe，具有高强度、高韧性和高抗冲击性能的特点，能够应用于各种场合和各种物料。

Description

一种多用途农用铲斗及其制备方法

技术领域

本发明属于农用机械技术领域，涉及一种多用途农用铲斗及其制备方法。

背景技术

铲斗是农用机械的重要零部件，是易损耗部件，由于经常需要与各种物料直接接触，对其耐磨性、强度、韧性和耐冲击性能都有较高的要求。为了保证铲斗的耐磨性，一般利用锰钢来制备铲斗，如Mn13钢。Mn13钢具有高的抗拉强度、塑性和韧性，以及较好的抗冲击性能，一般用于结构简单，要求以耐磨为主的低冲击铸件。然而Mn13钢为了保证其塑性和韧性，C含量较低，一般不超过1.5％，这就导致其强度、硬度有限，耐磨性能也有一定局限，从而使用Mn13钢制成的农用铲斗在用途上受到限制，无法应用于过硬的物料。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种高强度、高韧性和高抗冲击性能的多用途农用铲斗及其制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种多用途农用铲斗由合金钢制成，所述合金钢包括以下质量百分比的组分，

1.90-2.70％C、0.30-1.00％Si、11.00-14.00％Mn、0.15-0.20％Cr、0.20-0.30％Ni、0.23-0.35％Cu、0.10-0.15％Mo、0.3-0.8％纳米TiN、0-0.03％P、0-0.02％S，余量为Fe。

本发明在Mn13钢的基础上提高了C的含量，有效提高了合金钢的强度、硬度和耐磨性能，然而C含量的增加必然导致合金钢塑性和韧性的降低，为了提高强度、硬度的同时保证塑性和韧性本申请在合金钢中增加了适量的纳米TiN，纳米TiN能够有效钉扎晶界，显著细化奥氏体组织，同时使得含合金钢位错密度下降，弹性模量明显提高，从而在高含量C的基础上提高合金钢的韧性，尤其是冲击韧性。

本发明在合金钢中添加了一定量的Cr元素，显著提高了合金钢的淬透性，并且提高了合金钢的硬度和耐磨性，提高钢的脆性转变温度而使其不易变脆，但含量过高会增加合金钢的回火脆性倾向。

本发明在合金钢中添加了一定量的Ni元素，Ni是非碳化物形成元素在合金钢中起固溶强化的用，不会从钢组织中析出，因而降低了相变温度，最终细化了晶粒，从而起到提高强度、改善韧性的作用。

本发明在合金钢中添加了一定量的Cu元素，Cu元素能够在α-Fe基体上析出ε-Cu，ε-Cu不但具有高的弥散强化效果能强化α-Fe基体，而且ε-Cu本身具有较高的塑性，还能提高合金钢的塑性。但是Cu含量不能过高，否则对合金钢的抗冲击性能不利。

直接加Ti元素会在合金钢液中原位形成TiC，并且由于Ti元素能够强烈置换保护渣SiO₂中的Si，使保护渣粘度增大，并损耗Ti，因而钢中的Ti含量应予适当控制。

本发明中的P为杂质元素，不能超过0.03％，否则P会与Cu作用，产生低熔点相，造成钢的表面破坏。

作为优选，所述纳米TiN的粒径为5-25nm。

本发明将纳米TiN的粒径控制在5-25nm内，能够进一步细化铁素体晶粒尺寸，并能诱导Cr₃C₂、SiC的沉淀，阻止金属的高温恢复和再结晶，有利于晶粒细化，从而进一步提高合金钢的强度和韧性。

作为优选，所述合金钢还包括质量百分比为0.18-0.38％的纳米TaC。

纳米TaC能够阻碍合金钢组织再结晶，为细化晶粒创造条件，同时纳米TaC还具有稳定奥氏体的作用，与纳米TiN协同作用能够在高含量C的基础上有效提高合金钢的韧性。直接添加Ta元素，也能在合金钢中形成TaC，但是TaC的尺寸无法精准控制，从而起不到提高合金钢韧性的作用。

作为优选，所述纳米TaC的粒径为8-30nm。

纳米TaC的粒径过大会引起合金钢的脆性，反而对合金钢韧性的提高作用不大。

作为优选，所述合金钢的屈强比为62-75。

本发明通过合金钢元素的配比和制备，将合金钢的屈强比控制在62-75之间，铲斗原料的屈强比过低，铲斗的韧性难以保证，但是屈强比过高，会导致铲斗在受力过大易无征兆断裂，影响铲斗的使用性能。

本发明的另一目的在于提供一种多用途农用铲斗的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、按照权利要求1-5中任一权利要求所述的合金钢原料组分和配比准备原材料，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo原料熔炼为金属液；

S2、对金属液进行除气；

S3、除气后在金属液底部通过气流输送的方法将纳米粉体通入金属液，所述纳米粉体为纳米TiN、纳米TaC中的一种或两种；

S4、将S3中的金属液浇注制成生坯，对生坯进行热处理，制得铲斗。

本发明在金属液熔炼后进行除气以去除金属液中的氧气等杂质气体，从而减少易氧化金属元素的损失，提高合金钢的纯洁度和质量。纳米粉体在金属液底部以气流输送的方式通入，能够显著提高纳米粉体的分散性能，避免传统纳米粉体直接加入时搅拌不均，容易集聚的问题。

作为优选，所述S2中除气的方法为对金属液施加震荡压力。

本发明以震荡压力的方式对金属液进行除气，类似于对金属液进行“拍打”，从而有效去除夹杂在其中的气体。

作为优选，所述对金属液施加震荡压力的方法包括加压阶段和降压阶段，加压阶段和降压阶段交替进行，所述加压阶段为在金属液底部通入惰性气体至熔炼容器内压力升至5-30MPa，保压1-3s，所述降压阶段为在金属液表面以抽气的方式使熔炼容器内压力降至真空度10^-2-10^-5MPa，其中所述金属液的熔炼容器为密闭容器。

本发明采用正压和负压交替进行方式对金属液除气，有效将“拍打”出来的气体及时释放出，进一步除去金属液中杂质气体。将正压和负压的范围控制在上述范围内，除气效果佳且不会引起金属液表面产生激荡。

作为优选，所述步骤S3中，气流输送所用的气体的流速为0.3-0.8L/min，纳米粉体与气体的质量体积比为2-6g/L。

本发明通过控制气体流速和气体、纳米粉体的比例，使得输送纳米粉体的过程平稳，金属液基本无喷溅。

作为优选，所述步骤S3中，气流输送所用的气体为Ar、N₂中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过合理配伍农用铲斗合金钢的各组分，使得合金钢在高含量C的基础上同时具有较高的强度和韧性。并通过特定的制备方法，有效去除金属液中的杂质气体，提高纳米粉体在金属液中的分散程度，从而进一步提高了合金钢的性能，使用该合金钢制得的农用铲斗具有较高的机械性能和使用性能，能够应用于各种场合，可以用于各种不同硬度的物料。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，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。

实施例1-5

实施例1-5中的多用途农用铲斗，由合金钢制成，该合金钢包括的组分和质量百分比如表1所示，

表1：实施例1-5中合金钢的组分、质量百分比和其他特征

实施例4

本实施例中多用途农用铲斗的制备方法包括以下步骤：

(1)、按照权利要求2中的合金钢原料组分和配比准备原材料，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo原料在密闭容器中熔炼为金属液；

(2)、在金属液表面加保护渣，以对金属液施加震荡压力的方法对金属液进行除气，具体过程包括加压阶段和降压阶段，加压阶段和降压阶段交替进行，加压阶段为在金属液底部通入惰性气体至熔炼容器内压力升至5MPa，保压2s，降压阶段为在金属液表面以抽气的方式使熔炼容器内压力降至真空度10^-2MPa；

(3)、除气后在金属液底部通过气流输送的方法将纳米TiN和纳米TaC通入金属液，气流输送所用的气体为Ar和N₂的混合，流速为0.5L/min，纳米粉体与气体的质量体积比为4g/L，

(4)、将S3中的金属液浇注制成生坯，对生坯进行水韧热处理，制得铲斗。

实施例5

本实施例中多用途农用铲斗的制备方法包括以下步骤：

(1)、按照权利要求2中的合金钢原料组分和配比准备原材料，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo原料在密闭容器中熔炼为金属液；

(2)、在金属液表面加保护渣，以对金属液施加震荡压力的方法对金属液进行除气，具体过程包括加压阶段和降压阶段，加压阶段和降压阶段交替进行，加压阶段为在金属液底部通入惰性气体至熔炼容器内压力升至18MPa，保压2s，降压阶段为在金属液表面以抽气的方式使熔炼容器内压力降至真空度10^-5MPa；

(3)、除气后在金属液底部通过气流输送的方法将纳米TiN和纳米TaC通入金属液，气流输送所用的气体为Ar和N₂的混合，流速为0.3L/min，纳米粉体与气体的质量体积比为2g/L

(4)、将S3中的金属液浇注制成生坯，对生坯进行水韧热处理，制得铲斗。

实施例6

本实施例中多用途农用铲斗的制备方法包括以下步骤：

(1)、按照权利要求2中的合金钢原料组分和配比准备原材料，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo原料在密闭容器中熔炼为金属液；

(2)、在金属液表面加保护渣，以对金属液施加震荡压力的方法对金属液进行除气，具体过程包括加压阶段和降压阶段，加压阶段和降压阶段交替进行，加压阶段为在金属液底部通入惰性气体至熔炼容器内压力升至30MPa，保压2s，降压阶段为在金属液表面以抽气的方式使熔炼容器内压力降至真空度10^-5MPa；

(3)、除气后在金属液底部通过气流输送的方法将纳米TiN和纳米TaC通入金属液，气流输送所用的气体为Ar和N₂的混合，流速为0.8L/min，纳米粉体与气体的质量体积比为6g/L

(4)、将S3中的金属液浇注制成生坯，对生坯进行水韧热处理，制得铲斗。

实施例7

本实施例中多用途农用铲斗的制备方法包括以下步骤：

(1)、按照权利要求2中的合金钢原料组分和配比准备原材料，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo原料在密闭容器中熔炼为金属液；

(2)、在金属液表面加保护渣，以对金属液施加震荡压力的方法对金属液进行除气，具体过程包括加压阶段和降压阶段，加压阶段和降压阶段交替进行，加压阶段为在金属液底部通入惰性气体至熔炼容器内压力升至18MPa，保压2s，降压阶段为在金属液表面以抽气的方式使熔炼容器内压力降至真空度10^-5MPa；

(3)、除气后在金属液底部通过气流输送的方法将纳米TiN和纳米TaC通入金属液。气流输送所用的气体为Ar，流速为0.5L/min，纳米粉体与气体的质量体积比为4g/L

(4)、将S3中的金属液浇注制成生坯，对生坯进行水韧热处理，制得铲斗。

实施例8-9

分别按照权利要求1和3中的合金钢原料组分和配比准备原材料，按照实施例6的制备方法制备铲斗。

对比例1

合金钢的组分中不包括纳米TiN和纳米TaC，其他与实施例6相同。

对比例2

合金钢的组分中不包括纳米TaC，其他与实施例6相同。

对比例3

合金钢组分中纳米TiN的粒径为26-38nm，其他与实施例6相同。

对比例4

合金钢组分中纳米TaC的粒径为31-50nm，其他与实施例6相同。

对比例5

制备方法中采用非密闭容器进行熔炼，在金属液底部通惰性气体的方式进行除气，未采用震荡压力，其他与实施例6相同。

对比例6

制备方法中采用在金属液上方的空间施加震荡压力的方式进行除气，未采用在金属液底部通气的方式，其他与实施例6相同。

对比例7

常规Mn13钢。

将本发明实施例4-9、对比例1-7中制得的铲斗的性能进行比较，比较结果如表2所示。

表2：实施例1-9、对比例1-6中铲斗性能的比较

综上所述，本申请通过合理配伍农用铲斗合金钢的原料组分和质量百分比，并通过特定制备方法，使得该合金钢钢在C含量较高的情况下兼具强度和韧性，使用该合金钢制得的农用铲斗能够应用于各种场合，具有较多的用途。

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各样的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 (10)

1.一种多用途农用铲斗，其特征在于，所述农用铲斗由合金钢制成，所述合金钢包括以下质量百分比的组分，

1.90-2.70％C、0.30-1.00％Si、11.00-14.00％Mn、0.15-0.20％Cr、0.20-0.30％Ni、0.23-0.35％Cu、0.10-0.15％Mo、0.3-0.8％纳米TiN、0-0.03％P、0-0.02％S，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的多用途农用铲斗，其特征在于，所述纳米TiN的粒径为5-25nm。

3.根据权利要求1所述的多用途农用铲斗，其特征在于，所述合金钢还包括质量百分比为0.18-0.38％的纳米TaC。

4.根据权利要求3所述的多用途农用铲斗，其特征在于，所述纳米TaC的粒径为8-30nm。

5.根据权利要求1所述的多用途农用铲斗，其特征在于，所述合金钢的屈强比为62-75。

6.一种如权利要求1-5任一权利要求所述的多用途农用铲斗的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1、按照权利要求1-5中任一权利要求所述的合金钢原料组分和配比准备原材料，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo原料熔炼为金属液；

S2、对金属液进行除气；

S3、除气后在金属液底部通过气流输送的方法将纳米粉体通入金属液，所述纳米粉体为纳米TiN、纳米TaC中的一种或两种；

S4、将S3中的金属液浇注制成生坯，对生坯进行热处理，制得铲斗。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S2中除气的方法为对金属液施加震荡压力。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述对金属液施加震荡压力的方法包括加压阶段和降压阶段，加压阶段和降压阶段交替进行，所述加压阶段为在金属液底部通入惰性气体至熔炼容器内压力升至5-30MPa，保压1-3s，所述降压阶段为在金属液表面以抽气的方式使熔炼容器内压力降至真空度10^-2-10^-5MPa，其中所述金属液的熔炼容器为密闭容器。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，气流输送所用的气体的流速为0.3-0.8L/min，纳米粉体与气体的质量体积比为2-6g/L。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，气流输送所用的气体为Ar、N₂中的一种或几种。