CN111996436A - 大型挖掘机斗齿及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型挖掘机斗齿及其制备方法。斗齿采用硅锰中碳合金钢制造，钢水由多元硅铝铁合金颗粒处理，经分级双冷速热处理而成。硅锰中碳合金钢钢水化学成分为：0.41‑0.48%C、2.85‑2.97%Si、2.17‑2.34%Mn、<0.035%P、<0.030%S、0.55‑0.70%Cr、0.0033‑0.0057%B、0.016‑0.037%Al，余量Fe。钢水经多元硅铝铁合金颗粒处理，多元硅铝铁合金颗粒加入量为出钢重量的1.5‑1.8%。斗齿热处理包括高温均匀化、低温分级双速淬火和消应力热处理。斗齿的主要合金元素是廉价的硅、锰元素，成本较低，斗齿耐磨性好，强度高，并具有优异的韧性，无斗齿断裂和脱落现象，使用寿命比高锰钢斗齿提高3倍以上，比马氏体钢斗齿提高80%以上。

Description

大型挖掘机斗齿及其制备方法
技术领域
本发明应用于工程机械技术领域，特别涉及大型挖掘机的斗齿及其制备方法。
背景技术
斗齿是挖掘机上的关键消耗件，齿尖是工作部位，要求耐磨，齿腔是连接部位，要求高韧性。随着挖掘机的大型化，对斗齿的强韧性和耐磨性提出了更加苛刻的要求。为了确保挖掘机正常工作，斗齿使用中不发生断裂，以往大型挖掘机斗齿普通采用奥氏体锰钢制造，其中应用最多的是高锰钢，依锰含量不同主要有ZGMn13、ZGMn16、ZGMn18、ZGMn20和ZGMn25等型号。为了进一步提高高锰钢的耐磨性，国内外普遍采用稀土、钛、氮、铌、钡、钙、镁、铝、锆、钾和钠等进行变质处理。由于稀土元素十分活泼，能夺取MnS和其他金属硫化物中的硫，净化钢液，起到脱氧、脱硫、变质及生核的作用，使铸态碳化物变小，并改变碳化物的不均匀性。而钒、钛因少部分固溶于奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，大部分则是以高熔点、高硬度的VC、VN、Ti(C, N)、TiC、TiN等形式存在，促使铸态组织中碳化物更加弥散分布于奥氏体中，导致高锰钢原始组织更加细化，水韧处理后易得到微小碳化物颗粒和奥氏体复合组织，具有较好的强韧性和耐磨性。但是，高锰钢斗齿在实际使用中，存在加工硬化不足，斗齿耐磨性差，使用寿命短的不足。
为了进一步提高斗齿耐磨性，中国发明专利CN 110273447A公开了一种挖掘机斗齿，其特征在于，所述挖掘机斗齿各成分重量百分比为：C:0.27-0.36％，Si:1.3-2.0％，Mn:0.7-1.2％，Cr:1.9-2.7％,Ni:≤0.3％，Mo:0.25-0.4％，P：≤0.03％，S：≤0.03％，Al：0.01-0.1％，余量为Fe。热处理采用高温正火加淬火工艺。正火温度为1050度±10度。热处理保温时间大于或等于10小时。中国发明专利CN 110846474A还公开了一种挖掘机斗齿的热处理工艺方法，包括如下步骤：步骤1、将所述挖掘机斗齿进行奥氏体化处理，得到具有奥氏体组织的挖掘机斗齿；步骤2、将所述具有奥氏体组织的挖掘机斗齿淬入Ms以下的淬火介质中，并保温处理得到具有马氏体组织的挖掘机斗齿；步骤3、将所述具有马氏体组织的挖掘机斗齿淬入Ms以上的淬火介质中，并保温处理得到具有贝氏体组织的挖掘机斗齿，而后再进行空冷处理。中国发明专利CN 109759547A还公开了一种挖掘机斗齿及其制造方法，包括冶炼、石墨型铸造、拔冒口工艺并将红热铸件送入热处理炉、预形成部分马氏体组织后进行贝氏体转变热处理工艺。该发明采用石墨型永久型铸造工艺，铸件表面光洁度和尺寸精度均优于现有技术，大幅减少造型材料的用量，固废排放显著降低；石墨型铸件晶粒组织细小，力学性能高；在浇冒口内侧放置覆膜砂壳型，降低该处石墨型冷却速度增强冒口补缩能力，使铸件实现顺序凝固，提高铸件工艺出品率；在铸型内浇口与冒口间连接部位镶嵌发热保温材料，当该处冷却到液固两相区温度时运用机械方法拔掉冒口，降低切割冒口成本；将600-900℃的斗齿铸件送入热处理炉进行奥氏体化，显著降低热处理加热能耗。中国发明专利CN109666786A还公开了一种挖掘机斗齿的制作工艺，包括以下步骤：1)、设计挖掘机斗齿毛坯，制作用于浇铸挖掘机斗齿毛坯的铸模；2)、采用电炉熔炼低合金钢的钢水，3)、向铸模内浇铸所述合金钢的钢水，浇注过程中控制冷却速度，避免开裂；空冷后取出挖掘机斗齿毛坯；4)、将挖掘机斗齿毛坯置于电炉中进行合金固溶处理，采用的固溶温度为1050-1200℃；之后缓慢冷却到350-550℃，保持该温度1到1.5个小时；5)、将挖掘机斗齿毛坯放入冲床的成型模具中冲压成型；6)、通过毛刺机去除挖掘机斗齿毛坯上的毛刺；7)、将挖掘机斗齿毛坯置入电炉，通过电炉将挖掘机斗齿毛坯加热到600-700℃，并保持该温度3-4个小时，之后淬火冷却，空冷后得到挖掘机斗齿。
中国发明专利CN09604562A公开了一种矿用耐磨挖掘机斗齿件的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）将碳化钨颗粒、金属基体粉末、粘结剂和添加剂水浴加热搅拌混合均匀后涂敷在圆台形预置体模具上；碳化钨颗粒、金属基体粉末、粘结剂和添加剂的质量百分比分别为：22%~43%、54%~76%、0.5%~1%、0.2%~0.5%；所述金属基体为高锰钢、合金钢、高铬铸铁、球墨铸铁中的一种或几种；所述添加剂为Y，Ce，Nd，Dy中的一种或几种；（2）待预置体凝固后将其取下加热至300~600度保温20~60min去除粘结剂中部分有机物，然后将其放入真空烧结炉中进行高温热处理得到预置体；（3）将制备好的预置体放入型腔中固定，浇铸金属基体金属液后得到矿用耐磨挖掘机斗齿件。中国发明专利CN109097695A还公开了一种挖掘机斗齿用合金材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：炉内废钢为炉的一半容积时，加入钼铁、铬铁及微量硼；废钢熔炼清渣后，加入适当硅铁、锰铁预脱氧，再次出渣，获得钢水；取样化验检测钢水成分达到目标值，加入铝丝脱氧，保持3-5分钟后降低电流，静置后扒渣出炉，其中，所述目标值为测钢水成分中：碳为0.18-0.22％，硅为1.1-1.4％，锰为0.8-1.1％，铬为1.1-1.4％，钼为0.05-0.10％，硼为0.005-0.015％，且硫≤0.015％，磷≤0.025％；其余为铁；钢水倒入中转包，并随流加入0.05％-0.1％钇基重稀土；在中转包内按钢水质量的0.23-0.27％加入硅钙脱氧剂，出炉扒渣，盖保温棉开始浇注，初始浇注温度1560-1580℃，后期浇注温度不得低于1530℃，冷却，获得合金材料。中国发明专利CN108277324A还公开了一种挖掘机斗齿齿尖的表面耐磨处理工艺，其特征在于，所述挖掘机斗齿齿尖包以下重量份数的元素组成：C：0.38-0.55％、Mn：0.8-1.0％、Si：0.6-0.9％、Cr：6.5-8.0％、Ni:0.4-0.9％、V：0.5-0.8％、Mo：1.2-2.5％，余量为Fe；包括以下步骤：(1)将挖掘机斗齿齿尖进行调质处理，所述调质处理方法为：先一次升温至860-880℃，保温时间为40-60min，再二次升温至1020-1050℃，保温20-40min后以50℃/min的速度降温至室温，再三次升温510-530℃，保温25-30min，随炉空冷至室温；(2)将经过调质处理后的挖掘机斗齿齿尖进行碳、氮离子共渗，碳、氮离子共渗的温度为500-520℃，碳、氮原子比为2:3，炉压400-600Pa；(3)将经过碳、氮离子共渗后的挖掘机斗齿齿尖表面清洗干净，经过除油、除尘后，浸入硝酸溶液中，浸蚀时间为5-7s，取出后于40-50℃的加热炉中放置1-2h后，水洗，烘干；(4)将烘干后的挖掘机斗齿齿尖进行镀膜处理，以Ti1-xAlx靶材作为蒸发源，N2进气量为0.03-0.05m3/h，偏压200V，温度400-420℃,时间80-100min，靶材电流100-110A，炉压2.0-4.0Pa。
中国发明专利CN108893670A公开了一种高耐磨强韧性奥贝球铁挖掘机斗齿及其制备工艺，包括下列质量百分比的成分：C3.5-3.8％，Si2.6-3.0％，Mn0.5-0.6％，Ni1.3-1.5％，Mo0.7-0.8％，Cu1.2-1.4％，Cr0.3-0.4％，S≤0.03％，P≤0.07％,余量为Fe。制备工艺包括：采用消失模铸造工艺获得斗齿泡沫模样；按照配比配料熔化，进行球化和孕育处理获得铸铁铁水溶液；将铸铁铁水溶液浇入斗齿泡沫模样，获得铸件，铸件冷却后开箱去壳吹风冷却；待铸件进一步冷却，将铸件放入保温材料保温后取出空冷至室温；去除浇注系统及清理铸件表面，获得挖掘机斗齿。中国发明专利CN108707817A还公开了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≥380HB，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%。
中国发明专利CN108588556A公开了一种低合金耐磨钢挖掘机斗齿，其特征在于，其制备原料为低合金耐磨钢，所述低合金耐磨钢的组成成分的质量百分数为：C：0.25-0.32、Si：0.5-0.6、Mn：0.95-1.15、Cr：0.85-0.9、Mo：0.35-0.45、Cu：0.05-0.09、Ti：0.10-0.20、W：0-0.02、Pr：0-0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明对冷却后的斗齿铸件表面进行超声加工处理，Cr和Mo元素会在斗齿铸件表面形成纳米结构表层，晶粒得到了很大程度的细化，晶粒达到了纳米量级，从而表面粗糙度显著降低，可有效避免沙砾、岩石、混凝土等堵塞和损害，改善斗齿挖掘的穿过性，提高其挖掘效率；表面硬度值也大大增加了，从而斗齿在挖掘时强度更高，耐磨性更好；同时形成的纳米结构表层腐蚀产物膜结构更加致密，能有效阻止腐蚀介质与内部基体接触，提高耐腐蚀性能。中国发明专利CN108486459A还公开了一种耐磨高韧性高强度挖掘机斗齿及其制造方法，所述耐磨高韧性高强度挖掘机斗齿中各元素成分的重量百分比为：C：3.4-3.9％，Si：2.3-2.6％，Mn：0.65-0.9％，Mg：0.2-0.4％，Cu：1.2-1.6％，Cr：0.35-0.5％，Ce：0.05-0.1％，Mo：0.05-0.11％，Te：0.1-0.25％，Y：0.05-0.08％，Nd：0.008-0.02％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe；其制造方法主要包括熔炼、球化处理及孕育处理、锻压、热处理几大步骤。中国发明专利CN108467992A还公开了一种低合金高耐磨挖掘机斗齿及其铸造工艺，所述低合金高耐磨挖掘机斗齿中各元素成分的质量百分比为：碳0.23-0.28％，硅0.65-0.98％，锰1.1-1.45％，铬0.22-0.39％，锆0.4-0.6％，钒0.01-0.03％，镍0.2-0.35％，铒0.011-0.016％，磷≤0.03％，硫≤0.03％，余量为铁及不可避免的杂质。中国发明专利CN108411217A还公开了一种耐磨挖掘机斗齿及其制备方法，含有以下重量百分含量的组分：Mn1.2-1.6，Si0.6-0.9，C0.30-0.37，S0-0.008，P0-0.008，B0.002-0.005，Re0.01-0.02，Al0.03-0.05，Cr0.5-0.8，Mo0.02-0.05，其余为Fe和不可避免的杂质；制备方法包括模具的制备、熔融前预热和各原材料熔融，中间包括吹氩操作。该发明S、P(wt％)≤0.008，使得形成的铸件表面组织为板条马氏体均匀分布，组织致密，提高铸件的力学性能；从中频感应炉的炉底进行吹氩操作，氩气通过炉底透气砖进入钢水形成大量气泡，有效增加了脱气面积，氩气气流在钢水中不断发挥搅拌作用，细小分散的夹杂物凝聚，形成大颗粒夹杂，提高除气去夹杂物的效率，提升铸件的综合性能。
上述斗齿主要是两大系列，一类是合金钢系列，一类是球铁系列，前者强韧性好，但存在硬度低，淬透性差，特别是制造大型挖掘机斗齿时，因斗齿壁厚较大，心部易出现低硬度的珠光体组织，会明显降低斗齿耐磨性和使用寿命。为了克服合金钢斗齿存在的上述不足，通常采用加入钼、镍、铜等合金元素，提高斗齿淬透性。钼、镍、铜是价格昂贵的合金元素，加入到斗齿中，会显著增加生产成本。后者球铁斗齿硬度较高，耐磨性较好，但是韧性低，塑性差，用于制造大型挖掘机斗齿，使用中极易开裂。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对大型挖掘机对斗齿提出的苛刻要求，采用廉价硅、锰合金化斗齿，通过改进热处理工艺，制造出强韧化斗齿，提高其使用寿命。
本发明采用的技术方案是：大型挖掘机斗齿采用硅锰中碳合金钢制造，钢水由多元硅铝铁合金颗粒处理，经分级双冷速热处理而成。生产步骤包括：
1）熔炼：在电炉内熔炼硅锰中碳合金钢，所述硅锰中碳合金钢化学组成及其质量分数为：0.41-0.48%C、2.85-2.97%Si、2.17-2.34%Mn、<0.035%P、<0.030%S、0.55-0.70%Cr、0.0033-0.0057%B、0.016-0.037%Al， 余量Fe；电炉内合金化完成后升温，当钢水温度达到1636-1655℃时出钢至钢包。
2）钢水处理：出钢前，在钢包底部预先加入多元硅铝铁合金颗粒，颗粒尺寸5-8mm，所述多元硅铝铁合金颗粒的化学组成及其质量分数是：5.74-5.91%Ti、6.55-6.87%Ca、3.61-3.97%Ce、2.13-2.48%N、1.67-1.94%Mg、4.02-4.39%Ba、5.40-5.73%Zr、22.31-22.75%Si、10.36-10.74%Al， 余量为Fe；所述多元硅铝铁合金颗粒加入量为出钢重量的1.5-1.8%；
3）浇注：处理后的钢水经扒渣静置后，钢水温度为1537-1554℃，将钢水浇入铸型，钢水完全凝固后，开箱取出斗齿毛坯，去除浇冒口，打磨清理。
4）热处理：将打磨清理后的斗齿装入热处理加热炉，随炉加热至1020-1035℃，保温80-100分钟，然后炉冷至910-925℃，保温30-45分钟，从加热炉内取出斗齿，喷雾冷却30-45秒，然后将齿尖淬入由65 wt.%KNO3和35 wt.% NaNO3组成的硝酸盐熔液Ⅰ中，所述硝酸盐熔液Ⅰ的温度为220-235℃，保温150-180秒，然后将斗齿从硝酸盐熔液Ⅰ中取出，重新将齿尖淬入由40 wt.%KNO3和60 wt.%NaNO2组成的硝酸盐熔液Ⅱ中，所述硝酸盐熔液Ⅱ温度为315-330°C，保温50-60分钟，将斗齿全部淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，保温3.5-4.0小时后，从硝酸盐熔液Ⅱ取出，空冷至室温。
本发明的有益效果是：大型挖掘机斗齿的主要合金元素是廉价的硅、锰元素，不含价格昂贵的镍、钼、铜等元素，具有较低的生产成本。钢水处理和分级双速淬火，确保齿尖高硬度，具有优异的耐磨性和良好的抗疲劳性能，齿腔具有优异的强韧性，使得斗齿耐磨性好，强度高，并具有优异的韧性。在大型挖掘机上试用，安全可靠，无斗齿断裂和脱落现象，使用寿命比高锰钢斗齿提高3倍以上，比马氏体钢斗齿提高80%以上，可延长挖掘机连续作业时间，提高挖掘效率。
附图说明
图1为斗齿盐浴淬火示意图；
其中：1－齿腔、2－齿尖、3-硝酸盐熔液。
具体实施方式
实施例1。
本实施例大型挖掘机斗齿及其制备方法包括如下工艺步骤：
1）熔炼：在电炉内熔炼硅锰中碳合金钢，该硅锰中碳合金钢钢水化学组成及其质量分数为：0.41%C、 2.97%Si、2.17%Mn、 0.031%P、 0.022%S、 0.55%Cr、 0.0057%B、 0.016%Al，余量Fe。电炉内合金化完成后升温，当钢水温度达到1636℃时出钢至钢包。
2）钢水处理：出钢前，在钢包底部预先加入多元硅铝铁合金颗粒，颗粒尺寸5-8mm。多元硅铝铁合金颗粒的化学组成及其质量分数是：5.74%Ti、6.87%Ca、 3.61%Ce、 2.48%N、 1.67%Mg、 4.39%Ba、 5.40%Zr、 22.75%Si、 10.36%Al， 余量为Fe及不可避免的杂质元素。多元硅铝铁合金颗粒加入量为出钢重量的1.5%。
3）浇注：处理后的钢水经扒渣静置后，钢水温度为1537℃，将钢水浇入铸型，钢水完全凝固后，开箱取出斗齿毛坯，去除浇冒口，打磨清理。
4）热处理：将打磨清理后的斗齿装入热处理加热炉，随炉加热至1020℃，保温100分钟，均匀化处理。然后炉冷至910℃，保温45分钟，从加热炉内取出斗齿，进行喷雾冷却45秒。然后迅速将齿尖2淬入由65 wt.%KNO3和35 wt.% NaNO3组成的硝酸盐熔液3中，如附图1所示，该硝酸盐熔液3的温度为235℃，保温180秒。此时斗齿的齿腔1在空气中自然冷却，齿尖2在硝酸盐熔液3中等温淬火。然后将斗齿从235℃的硝酸盐熔液中取出，重新将斗齿的齿尖2淬入到由40 wt.%KNO3和60 wt.%NaNO2组成的硝酸盐熔液中，如附图1所示，该硝酸盐熔液3温度为315°C，保温60分钟，同样，斗齿的齿腔1在空气中继续自然冷却，齿尖2在硝酸盐熔液3中等温淬火。然后将斗齿全部淬入到该温度为315°C的硝酸盐熔液中，再次保温3.5小时后，从315°C的硝酸盐熔液取出空冷至室温，即可获得大型挖掘机斗齿，斗齿力学性能见下表1。
为区分上述两种硝酸盐溶液，由65 wt.%KNO3和35 wt.% NaNO3组成的硝酸盐熔液为硝酸盐熔液Ⅰ，由40 wt.%KNO3和60 wt.%NaNO2组成的硝酸盐熔液为硝酸盐熔液Ⅱ，下同。
实施例2。
与实施例1相比，本实施例在于中碳合金钢钢水成分及生产工艺参数的不同，具体工艺步骤一致：
1）熔炼：同样在电炉内熔炼硅锰中碳合金钢，钢水化学组成及其质量分数为：0.44%C、2.91%Si,、2.24%Mn、 0.031%P,、0.028%S,、0.63%Cr,、0.0046%B,、0.019%Al，余量Fe。电炉内合金化完成后升温，当钢水温度为1648℃时，出钢至钢包。
2）钢水处理：出钢前，同样在钢包底部预先加入多元硅铝铁合金颗粒，颗粒尺寸5-8 mm。多元硅铝铁合金颗粒的化学组成及其质量分数是：5.85%Ti、6.59%Ca、3.74%Ce、2.38%N、1.70%Mg、4.29%Ba、5.68%Zr、22.45%Si、10.59%Al， 余量为Fe及不可避免的杂质元素。多元硅铝铁合金颗粒加入量为出钢重量的1.6%。
3）浇注：处理后的钢水经扒渣静置后，钢水温度为1546℃，将钢水浇入铸型，钢水完全凝固后，开箱取出斗齿毛坯，去除浇冒口，打磨清理。
4）热处理：将打磨清理后的斗齿装入热处理加热炉，随炉加热至1030℃，保温90分钟，进行均匀化处理。然后炉冷至915℃，保温40分钟，从加热炉内取出斗齿，进行喷雾冷却40秒。然后迅速将齿尖淬入硝酸盐熔液Ⅰ中，该硝酸盐熔液Ⅰ的温度为227℃，齿尖保温160秒。此时斗齿的齿腔在空气中自然冷却，齿尖在硝酸盐熔液Ⅰ中等温淬火。然后将斗齿从硝酸盐熔液Ⅰ中取出，重新将斗齿的齿尖淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，该硝酸盐熔液Ⅱ温度为320°C，保温55分钟，同样，斗齿的齿腔在空气中继续自然冷却，齿尖在硝酸盐熔液Ⅱ中等温淬火。然后将斗齿全部淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，再次保温4.0小时后，从硝酸盐熔液Ⅱ取出，空冷至室温，即可获得大型挖掘机斗齿，斗齿力学性能见下表1。
实施例3。
本实施例与前述两个实施例相比，同样在于中碳合金钢钢水成分及生产工艺参数的不同，具体工艺步骤一致：
1）熔炼：同样在电炉内熔炼硅锰中碳合金钢，钢水化学组成及其质量分数为：0.48%C、2.85%Si、2.34%Mn、0.033%P、 0.026%S、0.70%Cr、0.0033%B、 0.037%Al，余量Fe。电炉内合金化完成后升温，当钢水温度为1655℃时，出钢至钢包。
2）钢水处理：出钢前，同样在钢包底部预先加入多元硅铝铁合金颗粒，颗粒尺寸5-8 mm。多元硅铝铁合金颗粒的化学组成及其质量分数是：5.91%Ti、6.55%Ca、3.97%Ce、2.13%N、1.94%Mg、4.02%Ba、5.73%Zr、22.31%Si、10.74%Al， 余量为Fe及不可避免的杂质元素。多元硅铝铁合金颗粒加入量为出钢重量的1.8%。
3）浇注：处理后的钢水经扒渣静置后，钢水温度为1554℃，将钢水浇入铸型，钢水完全凝固后，开箱取出斗齿毛坯，去除浇冒口，打磨清理。
4）热处理：将打磨清理后的斗齿装入热处理加热炉，随炉加热至1020℃，保温100分钟，进行均匀化处理。然后炉冷至925℃，保温30分钟，从加热炉内取出斗齿，进行喷雾冷却30秒。然后迅速将齿尖淬入硝酸盐熔液Ⅰ中，硝酸盐熔液Ⅰ的温度为220℃，齿尖保温150秒。此时斗齿的齿腔在空气中自然冷却，齿尖在硝酸盐熔液Ⅰ中等温淬火。然后将斗齿从硝酸盐熔液Ⅰ中取出，再次将斗齿的齿尖淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，硝酸盐熔液Ⅱ温度为330°C，保温50分钟，同样，斗齿的齿腔在空气中继续自然冷却，齿尖在硝酸盐熔液Ⅱ中等温淬火。然后将斗齿全部淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，再次保温3.5小时后，从硝酸盐熔液Ⅱ取出，空冷至室温，即可获得大型挖掘机斗齿，斗齿力学性能见下表1。
表1 斗齿力学性能
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本发明斗齿采用硅锰中碳合金钢，硅锰含量超出惯用的范围。硅是非碳化物形成元素，固溶于奥氏体，可有效抑制了碳化物的析出，硅含量越高，这种抑制作用越强，其结果是，在中碳钢中，加入2.85-2.97%Si，无碳化物析出，保留了奥氏体中的较高碳含量，增加了奥氏体的稳定性，提高了淬火后的残留奥氏体含量。在使用过程中，残留奥氏体在应力应变作用下转变成马氏体，即产生了应变诱导相变现象，材料的强度和硬度得以提高。因此，加入2.85-2.97%Si，可以确保斗齿具有高强度和高韧性。但是，硅含量过高，斗齿组织粗大，且易生成夹杂物，反而降低斗齿强韧性。而且硅含量高，斗齿淬透性差，心部易出现低硬度珠光体，反而损害斗齿耐磨性。为了克服硅含量过高带来的不利后果，在硅锰中碳合金钢中还加入了2.17-2.34%Mn，锰是稳定奥氏体化元素，不仅可以提高钢的淬透性，且锰和硼的复合加入，促进贝氏体组织的形成，有利于提高钢的耐磨性。加入0.55-0.70%Cr和0.0033-0.0057%B，可以进一步提高斗齿耐磨性。加入0.016-0.037%Al脱氧，提高钢水纯净度。
钢水处理用多元硅铝铁合金颗粒中，含有5.74-5.91%Ti、2.13-2.48%N和5.40-5.73%Zr，在浇注凝固过程中可以生成高熔点且稳定性好的细小(Ti, Zr)N颗粒，作为初生奥氏体形核核心，有利于细化凝固铸态组织，解决了硅、锰大量加入导致大型挖掘机斗齿凝固组织粗大的不足。多元硅铝铁合金颗粒中还含有6.55-6.87%Ca、3.61-3.97%Ce、1.67-1.94%Mg、4.02-4.39%Ba、22.31-22.75%Si和10.36-10.74%Al，上述元素具有很好的脱氧脱硫效果，特别是上述元素的复合加入，除了具有很好的脱氧脱硫效果外，还有改善夹杂物形态和分布的有益效果，促进斗齿材料强韧性的大幅度提高。
分级双速淬火工艺先将斗齿随炉加热至1020-1035℃，保温80-100分钟，主要是为了均匀化成分，因为硅、锰在凝固过程中极易产生偏析。但是如果在1020-1035℃直接淬火，高温奥氏体中，固溶的锰元素太多，淬火组织中残留奥氏体过多，导致斗齿淬火后硬度下降，损害斗齿耐磨性。因此需要降低淬火温度，炉冷至温度910-925℃，保温30-45分钟均热。但是，若斗齿高温下直接淬入硝酸盐熔液Ⅰ中，会使大量热量带入，使硝酸盐熔液Ⅰ温度急剧升高，不利于保证斗齿的等温淬火效果。因此，入硝酸盐熔液Ⅰ前，斗齿表面喷雾冷却30-45秒最佳。经喷雾冷却后的齿尖，立即淬入温度为220-235℃的硝酸盐熔液Ⅰ中，保温150-180秒，斗齿的齿腔，在空气中自然冷却。
本发明在斗齿等温淬火过程中，考虑到斗齿的齿尖是斗齿的磨损部位，要求高硬度和高耐磨性，而斗齿的齿腔是斗齿与挖掘机连接部位，要求高强韧性，确保斗齿与挖掘机结合牢靠，使用中不断裂，因此，将斗齿的齿尖和齿腔采用不同的方法淬火，齿尖采用等温淬火，主要是为了获得高硬度和优异耐磨性的贝氏体组织。齿腔采用空冷处理，可以获得屈氏体+马氏体+残留奥氏体的复合组织，具有强度高和韧性好等特点。为了使齿尖的贝氏体组织细化，斗齿齿尖等温淬火过程中，先在温度较低的硝酸盐熔液Ⅰ中，等温淬火150-180秒，由于等温淬火温度低，贝氏体形核核心增多，导致贝氏体组织细化，但是在220-235℃的硝酸盐熔液Ⅰ保温时间过长，会出现马氏体组织，反而降低斗齿齿尖韧性，因此，在低温下等温淬火150-180秒后，需要在将斗齿从220-235℃的硝酸盐熔液Ⅰ中取出，重新将斗齿的齿尖淬入到315-330°C硝酸盐熔液Ⅱ中，保温50-60分钟，与此同时斗齿的齿腔在空气中继续自然冷却。这样可以确保斗齿齿尖微观组织主要有贝氏体和少量马氏体组成，不会出现大量马氏体和珠光体，这样，齿尖具有优异的强韧性和良好的耐磨性。最后将斗齿全部淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，保温3.5-4.0小时后，出炉空冷至室温，即可获得大型挖掘机斗齿。将斗齿齿腔也淬入315-330°C硝酸盐熔液中，主要是为了消除齿腔空冷后产生的内应力，稳定组织。
本发明斗齿的主要合金元素是廉价的硅、锰元素，不含价格昂贵的镍、钼、铜等元素，具有较低的生产成本。
齿尖2和齿腔1采用不同的淬火冷却方式，确保齿尖具有高硬度，大于55 HRC，优异的耐磨性和良好的抗疲劳性能，齿腔具有优异的强韧性，抗拉强度大于1550 MPa，延伸率大于4%，冲击韧性大于45 J/cm2。本发明所制备得到的挖掘机斗齿耐磨性好，强度高，并具有优异的韧性。
采用本发明生产的斗齿在大型挖掘机上试用，安全可靠，无斗齿断裂和脱落现象。经对比，本发明斗齿使用寿命比高锰钢斗齿提高3倍以上，比马氏体钢斗齿提高80%以上。使用本发明斗齿，可延长挖掘机连续作业时间，提高挖掘效率。

Claims (3)

1.一种大型挖掘机斗齿制备方法，其特征在于：采用硅锰中碳合金钢制造，钢水由多元硅铝铁合金颗粒处理，经分级双冷速热处理而成；生产步骤包括：
1）熔炼：在电炉内熔炼硅锰中碳合金钢，所述硅锰中碳合金钢钢水化学组成及其质量分数为：0.41-0.48%C、2.85-2.97%Si、2.17-2.34%Mn、<0.035%P、<0.030%S、0.55-0.70%Cr、0.0033-0.0057%B、0.016-0.037%Al， 余量Fe；电炉内合金化完成后升温，当钢水温度达到1636-1655℃时出钢至钢包；
2）钢水处理：出钢前，在钢包底部预先加入多元硅铝铁合金颗粒，颗粒尺寸5-8 mm，所述多元硅铝铁合金颗粒的化学组成及其质量分数是：5.74-5.91%Ti、6.55-6.87%Ca、3.61-3.97%Ce、2.13-2.48%N、1.67-1.94%Mg、4.02-4.39%Ba、5.40-5.73%Zr、22.31-22.75%Si、10.36-10.74%Al， 余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述多元硅铝铁合金颗粒加入量为出钢重量的1.5-1.8%；
3）浇注：处理后的钢水经扒渣静置后，钢水温度为1537-1554℃，将钢水浇入铸型，钢水完全凝固后，开箱取出斗齿毛坯，去除浇冒口，打磨清理；
4）热处理：将打磨清理后的斗齿装入热处理加热炉，随炉加热至1020-1035℃，保温80-100分钟，然后炉冷至910-925℃，保温30-45分钟，从加热炉内取出斗齿，喷雾冷却30-45秒，然后将齿尖淬入硝酸盐熔液Ⅰ中，所述硝酸盐熔液Ⅰ的温度为220-235℃，保温150-180秒，然后将斗齿从硝酸盐熔液Ⅰ中取出，重新将齿尖淬入硝酸盐熔液Ⅱ中，所述硝酸盐熔液Ⅱ温度为315-330°C，保温50-60分钟，将斗齿全部淬入到硝酸盐熔液Ⅱ中，保温3.5-4.0小时后，从硝酸盐熔液Ⅱ取出，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种大型挖掘机斗齿制备方法，其特征在于：所述硝酸盐熔液Ⅰ由65 wt.%KNO3和35 wt.% NaNO3组成；所述硝酸盐熔液Ⅱ由40 wt.%KNO3和60 wt.%NaNO2组成。
3.按照权利要求1和2任意项所述的方法制备得到的斗齿。
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