CN108707817A - 一种挖掘机斗齿及具有该斗齿的挖掘机 - Google Patents

一种挖掘机斗齿及具有该斗齿的挖掘机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种挖掘机斗齿及具有该斗齿的挖掘机。该斗齿为Fe‑Mn‑Al‑C轻质高锰钢，具有低成本、高硬度和冲击韧性，该斗齿的制备是在对一定合金含量的铸件进行精确热处理后，还进行表面爆炸硬化处理。经过上述处理的挖掘机斗齿的表面硬度≥380 HB，冲击韧性（V型缺口）≥100J/cm2，抗拉强度≥840MPa，平均耐磨性为2.2~2.5g‑1，平均耐磨性提高了40%~50%，由此具有高强度、高耐磨以及高韧性等特点，延长了使用寿命。

Description

一种挖掘机斗齿及具有该斗齿的挖掘机
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具有该斗齿的挖掘机。
背景技术
挖掘机斗齿是挖掘机上的重要易耗部件，是由齿座和齿尖组成。由于磨损导致矿用机械的部分零件的过早失效提高了采矿的经济成本。斗齿是挖掘机的关键易损件，其作业对象是矿石、岩石或土，工况条件十分恶劣。挖掘机工作时，斗齿不但存在严重的磨料磨损，同时还要承受一定的冲击载荷，所以斗齿的寿命往往很短，消耗量巨大。我国目前服役的2m3以上大型矿山挖掘机有2000~2500台, 斗齿的直接经济损失达到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。由此可见，对斗齿的结构、材质、作用机理的研究具有很高的经济效益。为了提高斗齿的寿命，降低生产成本，提高挖掘机工作效率，各国都进行了大量的研究。总结了几种提高斗齿寿命的工艺途径，其中包括提高钢的纯度、热处理、预硬化处理、堆焊、电渣熔铸、镶块和粉末喷焊等。中国专利CN105598639A介绍了挖掘机斗齿的制造方法，具体在热处理方面做出了优化，提高了斗齿的质量，同时也降低了成本，但对挖掘机斗齿整体寿命提升空间有限。为了适应矿山严酷的工况，延长斗齿使用寿命，提高挖掘机效率，研制一种成本低、硬度高、耐磨性好、抗冲击性好的新材料迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种高强度、高韧性、耐磨性较好、生产成本适中的挖掘机斗齿及其制备方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种挖掘机斗齿，所述斗齿是一种自主研发的Fe-Mn-Al-C轻质高锰钢，具有低成本和比传统高锰钢更强的硬度和冲击韧性。所述斗齿的制备是在对一定合金含量的铸件进行精确热处理后，还进行表面爆炸硬化处理。
进一步的，所述铸件的合金含量（重量百分比）为：C：1.0~1.30%、Si：0.30~0.50%、Mn：22.0~25.0%、Al：6.0~8.0%、B：0.002~0.005%、RE（La和Ce混合稀土）：0.30~0.40%、P<0.0015%、S<0.0015%，余量为Fe。所述铸件中还包含不可避免的杂质。
本发明挖掘机斗齿化学成分的作用为：
C：碳是决定高锰钢力学性能和耐磨性的主要元素，但含量过高时，造成显微裂纹（且超过1.5%时钢就会明显脆化）；碳含量过低时，虽然韧性高，但耐磨性不够。含量选取1.0~1.30%为最佳，使高锰钢韧性和耐磨性达到最佳。
Mn：它既能提高高锰钢的工硬化能力，又保持了高韧性的单相奥氏体组织。大断面和结构复杂的铸件含锰量应高些，用于强烈冲击的铸件，则采用低碳和高锰。考虑到斗齿的工作环境以及后续进行的表面爆炸处理，含量选取22.0~25.0%，保证了高的加工硬化率和高韧性。
Si：硅在高锰钢中可以固溶于奥氏体中，提高固溶体的硬度和强度，强化固溶体的作用，提高屈服强度。
Al：加入传统高锰钢没有的铝，可改善了高锰钢奥氏体晶粒的异常长大的问题，还可以减少并消除高锰钢铸态组织中的网状二次碳化物，并且还可以提高铸态奥氏体基体加工硬化能力，在重量上也有了很大的减少。含量选取6.0~8.0%。
B：硼对Fe-C平衡图的影响是降低γ向δ铁素体转变点（A4）、提高γ向α铁素体转变点（A3）、缩小γ区。加入0.0015%~0.0030%B，相当于0.3%Cr、0.1~015%Mo、0.12%V的作用。
P、S：在高锰、铝钢中，作为有害元素，产生MnS以及P的共晶，固溶于奥氏体在的P很少（<0.018%），其余的P都以磷化物共晶的形式析出于晶界。晶界上的磷化物共晶，本身就是使钢脆化的重要因素，再加以偏析于晶界的磷，又有促进κ-碳化物沿晶界析出的作用，结果就导致钢的韧性大幅度降低。
RE：加入传统高锰钢没有的稀土元素，抑制夹杂在晶界上的偏析，同时脱硫脱氧，明显优化铸坯质量，细化晶粒从而提高钢的塑性和韧性。含量选取0.30~0.40%。
进一步的，形成所述铸件的步骤包括：
配料：按合金含量选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铝、高碳铬铁、硼铁、稀土；
熔炼：在中频感应炉中熔炼碎钢板料，当钢水温度至1550~1580℃时加纯铝，补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硼铁、硅铁、纯锰；合金充分熔化后，温度达到1580℃以上取样分析各元素成分的重量百分比，主要看C、P、S、B，需保证P、S在成分上线以下；然后根据分析结果调节各元素成分，再加入稀土（RE（La和Ce混合稀土））；化学成分合格后进行出钢，出钢温度为1580~1600℃；
浇注成型：浇铸温度为1450~1480℃，在铸型型腔内吹氩气保护后进行浇铸形成铸件。浇注时，按照基本浇注工艺守则进行浇铸，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳充型浇注。
进一步的，对所述铸件进行精确热处理的步骤包括：
使用能精确控制加热速度、温度、保温时间的电炉对铸件进行热处理，选择出最佳的热处理温度和时间，在1020~1050℃保温1~2h进行水韧处理后，在540~570℃保温2~3h进行时效处理，然后空冷至室温。在该工艺条件下，奥氏体晶内弥散析出细小(Fe,Mn)3AlCx的 κ系碳化物，显著地强化奥氏体基体；综合力学性最佳，抗拉强度为770~730MPa，冲击韧性值为160~180J/cm2（V型缺口），硬度为270~280HB，其硬度、强度与韧性达到了最佳匹配。
进一步的，对所述铸件进行表面爆炸硬化处理的步骤包括：
在挖掘机斗齿与矿石接触的表面铺上2~3mm厚的炸药，使用雷管进行一次可靠起爆。
进一步的，所述炸药为粘结性塑性炸药，密度为1.40~1.50g/cm3，爆速为7500~7700m/s。
所述雷管例如可以是8号雷管。所述粘结性塑性炸药的成分包括主体炸药黑索金、粘结剂及增塑剂。经爆炸处理后的挖掘机斗齿的表面硬度≥380 HB，冲击韧性（V型缺口）≥100J/cm2，抗拉强度≥840MPa，平均耐磨性为2.2~2.5g-1，耐磨性提高了40%~50%。
进一步的，所述稀土为Y基重稀土变质剂，变质剂颗粒尺寸小于11mm，经过160~180℃的温度烘烤后所得。
进一步的，以80~100℃/h的加热速度从常温加热到500~600℃，以100~200℃/h的加热速度从500~600℃加热到1020~1050℃。
进一步的，所述挖掘机斗齿的表面硬度为380~420 HB，冲击韧性（V型缺口）为100~120J/cm2，抗拉强度为840~880MPa，平均耐磨性为2.2~2.5g-1。
根据本发明的第二方面，提供了一种挖掘机，所述挖掘机具有根据本发明第一方面所述的挖掘机斗齿。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1．本发明是通过优化合金设计，与现有技术相比，具有优异的硬度和冲击韧性，而且斗齿中不含有铜、钼等贵重金属，与传统斗齿用钢相比，本发明斗齿成本明显降低，其性价比较高。
2．本发明通过表面爆炸硬化处理，比喷丸和锤击等预硬化处理工艺相比硬化效果更好，硬化层更深，使斗齿表面硬度提高从270HB提高到380HB以上，提高了40%~60%，平均耐磨性为2.2~2.5g-1，平均耐磨性提高40~50%，大幅度提高了斗齿的使用寿命。
附图说明
图1是挖掘机斗齿爆炸硬化处理炸药铺设位置示意图；
图2是挖掘机斗齿精确热处理工艺图；
图3是未经爆炸硬化处理的挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）；
图4是实施例1爆炸硬化后挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）；
图5是实施例2爆炸硬化后挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）；
图6是实施例3爆炸硬化后挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
图1是挖掘机斗齿爆炸硬化处理炸药铺设位置示意图，炸药铺设面为斗齿与矿石接触面。
图2是挖掘机斗齿精确热处理工艺图。使用能精确控制加热速度、温度、保温时间的电炉对铸件进行热处理，首先以80~100℃/h的加热速度从常温加热到500~600℃，保温1~2h，再以100~200℃/h的加热速度从500~600℃加热到1020~1050℃，在1020~1050℃保温1~2h进行水韧处理后，在540~570℃保温2~3h进行时效处理，然后空冷至室温。
图3是未经爆炸硬化处理的挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）。抗拉强度为700~730MPa，冲击韧性值为160~180J/cm2（V型缺口），硬度为270~280HB。平均耐磨性为1.6~1.7g-1。
图4是实施例1爆炸硬化后挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）。
实施例1
挖掘机斗齿化学组成及各组成成分的重量百分含量为：C：1.0%、Si：0.30%、Mn：23.0%、Al：6.0%、B：0.003%、RE（La和Ce混合稀土）：0.30%、P<0.0015%、S<0.0015%，余量为Fe。
配料：按合金含量选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铝、高碳铬铁、硼铁、稀土；
熔炼：在中频感应炉中熔炼碎钢板料，当钢水温度至1550~1580℃时加纯铝，补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硼铁、硅铁、纯锰；合金充分熔化后，温度达到1580℃以上取样分析各元素成分的重量百分比，主要看C、P、S、B，需保证P、S在成分上线以下；然后根据分析结果调节各元素成分，再加入稀土（RE（La和Ce混合稀土））；化学成分合格后进行出钢，出钢温度为1590℃；
浇注成型：浇铸温度为1460℃，在铸型型腔内吹氩气保护后进行浇铸形成铸件；浇注时，按照基本浇注工艺守则进行浇注，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳充型浇注；
精确热处理：使用能精确控制加热速度、温度、保温时间的电炉对铸件进行热处理，以80℃/h的加热速度从常温加热到500℃，再以100℃/h的加热速度从500℃加热到1030℃保温1h进行水韧处理后，在550℃保温2h进行时效处理，然后空冷至室温；
表面爆炸硬化处理：在挖掘机斗齿表面铺上2mm厚的炸药，炸药为粘结性塑性炸药，密度为1.42g/cm3，爆速为7700m/s，用8号雷管进行可靠一次起爆；
爆炸处理后的挖掘机斗齿表面硬度为380 HB，冲击韧性（V型缺口）为120J/cm2，抗拉强度为840MPa，平均耐磨性为2.2g-1，平均耐磨性提高了40%。
图5是实施例2爆炸硬化后挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）。
实施例2
设计成分及配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1，不同之处在于：
精确热处理：使用能精确控制加热速度、温度、保温时间的电炉对铸件进行热处理，以90℃/h的加热速度从常温加热到550℃，再以150℃/h的加热速度从550℃加热到1040℃保温1.5h进行水韧处理后，在560℃保温2.5h进行时效处理，然后空冷至室温；
表面爆炸硬化处理：在挖掘机斗齿表面铺上2.5mm厚的炸药，炸药为粘结性塑性炸药，密度为1.42g/cm3，爆速为7700m/s，用8号雷管进行可靠一次起爆；
爆炸处理后的挖掘机斗齿表面硬度为400 HB，冲击韧性（V型缺口）为110J/cm2，抗拉强度为860MPa，平均耐磨性为2.3g-1，平均耐磨性提高了45%。
图6是实施例3爆炸硬化后挖掘机斗齿表面的显微组织（100倍）。
实施例3
设计成分及配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1，不同之处在于：
精确热处理：使用能精确控制加热速度、温度、保温时间的电炉对铸件进行热处理，以100℃/h的加热速度从常温加热到600℃，再以200℃/h的加热速度从600℃加热到1040℃保温1.5h进行水韧处理后，以560℃保温2.5h进行时效处理，然后空冷至室温；
表面爆炸硬化处理：在挖掘机斗齿表面铺上2.5mm厚的炸药，炸药为粘结性塑性炸药，密度为1.42g/cm3，爆速为7700m/s，用8号雷管进行可靠一次起爆；
爆炸处理后的挖掘机斗齿表面硬度为420 HB，冲击韧性（V型缺口）为100J/cm2，抗拉强度为880MPa，平均耐磨性为2.5g-1，平均耐磨性提高了50%。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种挖掘机斗齿，其特征在于，所述斗齿为Fe-Mn-Al-C轻质高锰钢，具有低成本、高硬度和冲击韧性，所述斗齿的制备是在对一定合金含量的铸件进行精确热处理后，还进行表面爆炸硬化处理。
2.根据权利要求1所述的挖掘机斗齿，其特征在于，所述铸件的合金含量为：C：1.0~1.30%、Si：0.30~0.50%、Mn：22.0~25.0%、Al：6.0~8.0%、B：0.002~0.005%、RE：0.30~0.40%、P<0.0015%、S<0.0015%，余量为Fe，其中，所述RE为La和Ce混合稀土。
3.根据权利要求1所述的挖掘机斗齿，其特征在于，形成所述铸件的步骤包括：
配料：按合金含量选取碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铝、高碳铬铁、硼铁、稀土；
熔炼：在中频感应炉中熔炼碎钢板料，当钢水温度至1550~1580℃时加纯铝，补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硼铁、硅铁、纯锰；合金充分熔化后，温度达到1580℃以上取样分析各元素成分的重量百分比，根据分析结果调节各元素成分，再加入稀土；化学成分合格后进行出钢，出钢温度为1580~1600℃；
浇注成型：浇铸温度为1450~1480℃，在铸型型腔内吹氩气保护后进行浇铸形成铸件。
4.根据权利要求1所述的挖掘机斗齿，其特征在于，对所述铸件进行精确热处理的步骤包括：
在1020~1050℃保温1~2h进行水韧处理后，在540~570℃保温2~3h进行时效处理，然后空冷至室温。
5.根据权利要求1所述的挖掘机斗齿，其特征在于，对所述铸件进行表面爆炸硬化处理的步骤包括：
在挖掘机斗齿表面铺上2~3mm厚的炸药，使用雷管进行一次起爆。
6.根据权利要求5所述的挖掘机斗齿，其特征在于，所述炸药为粘结性塑性炸药，密度为1.40~1.50g/cm3，爆速为7500~7700m/s。
7.根据权利要求3所述的挖掘机斗齿，其特征在于，所述稀土为Y基重稀土变质剂，变质剂颗粒尺寸小于11mm，经过160~180℃的温度烘烤后所得。
8.根据权利要求4所述的挖掘机斗齿，其特征在于，以80~100℃/h的加热速度从常温加热到500~600℃，以100~200℃/h的加热速度从500~600℃加热到1020~1050℃。
9.根据权利要求1所述的挖掘机斗齿，其特征在于，所述挖掘机斗齿的表面硬度为380~420 HB，冲击韧性为100~120J/cm2，抗拉强度为840~880MPa，平均耐磨性为2.2~2.5g-1。
10.一种挖掘机，所述挖掘机具有根据权利要求1所述的挖掘机斗齿。
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