CN117821860A - 一种高耐磨合金斗齿及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及铸造合金斗齿领域，具体公开了一种高耐磨合金斗齿及其生产工艺，其中，一种高耐磨合金斗齿，化学成分重量百分比为：C 2.0‑3.2%，Cr 17‑28%，Si 0.3‑1.2%，Mn 0.3‑1.0%，Mo 0‑0.8%，Cu 0‑1.0%，Ni 0‑1.5%，P≤0.15%，S≤0.15%，其余为铁以及不可避免的杂质，通过在原料中调节各个元素含量并调控生产工艺，使得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度最高分别为64.5HBS、32.2J/cm2和1826MPa，显著提高了力学强度，表明本申请制备的合金斗齿具有较好的耐磨性。
Description
技术领域
本申请涉及铸造合金斗齿技术领域，更具体地说，它涉及一种高耐磨合金斗齿及其生产工艺。
背景技术
挖掘机作为一种用于挖掘、装载等作业的土石方施工机械，广泛应用于公路、铁路、桥梁建设等道路施工以及矿山开采、水利施工等大型工程，斗齿是挖掘机机械工作装置中与物料直接接触受力的主要零件，同时也是使用频率最高、应力集中、磨损量最大的零件之一，因此，斗齿需要具备优良的性能如高硬度、高强度以及较高塑性和韧性，还要求保证工业生产的高经济性和可行性。
发明内容
为了提高合金斗齿的耐磨性，本申请提供了一种高耐磨合金斗齿及其制备工艺。
第一方面，本申请提供一种高耐磨合金斗齿，其采用如下技术方案：
一种高耐磨合金斗齿，化学成分重量百分比为：C 2.0-3.2％，Cr 17-28％，Si0.3-1.2％，Mn 0.3-1.0％，Mo 0-0.8％，Cu 0-1.0％，Ni 0-1.5％，P≤0.15％，S≤0.15％，其余为铁以及不可避免的杂质。
本申请高耐磨合金斗齿的化学成分重量百分比为：C 2.0-3.2％，Cr 17-28％，Si0.3-1.2％，Mn 0.3-1.0％，Mo 0-0.8％，Cu 0-1.0％，Ni 0-1.5％，P≤0.15％，S≤0.15％，其余为铁以及不可避免的杂质，可选用各自范围内的任一值，均能提高的合金斗齿的耐磨性。
本申请高耐磨合金斗齿中各化学元素起到如下作用：
碳元素(C)：碳元素与铁元素等结合成为渗碳体，在基体中以先析出渗碳体或莱氏体组成部分存在，成为基体中的耐磨组分。当碳与合金元素Cr、Mo、Mn等形成碳化物固溶于铁素体中，使材料的硬度大幅度提高，从而提高钢的耐磨性。但碳量太高，使淬火后的马氏体组织较为粗大，当受到较大冲击力作用，材料会产生脆性破裂而早期失效。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性，加大断裂的危险性。因此不能单一从提高碳量的角度来考虑材料的耐磨性。
硅元素(Si)：硅是非碳化物形成元素，主要溶于基体中。硅的加入对冶炼时脱氧及增加铁水流动性有利，可以净化铁水，提高铸件的致密度。硅元素从多个方面影响合金斗齿的组织。在凝固时的共晶反应过程中，硅含量的上升会促进铬元素更多地扩散进入碳化物中，增加共晶碳化物的析出量，并使奥氏体中的含碳量下降。此外，硅能减小固液两相区的大小，从而细化共晶碳化物，并使其更为弥散地分布在奥氏体中再者，硅在奥氏体中的固溶能起到固溶强化作用，提高基体的性能。硅作为合金元素固溶于铁素体中，有固溶强化的作用；同时硅能降低碳在奥氏体中的溶度，促进碳化物析出。随着硅量的提高，材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低。
锰元素(Mn)：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，净化铁水。锰是强奥氏体形成元素，能够细化初生和共晶奥氏体相的尺寸，增加碳和铬元素在奥氏体中的溶解度，从而抑制珠光体形成，并能够增加奥氏体的稳定性，提高基体的淬透性。含锰较高时，材料有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用。
铬元素(Cr)：铬是碳化物形成元素，能与钢中的碳化物形成多种合金碳化物，显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬能提高淬透性，细化晶粒。在共晶凝固时，合金中铬大部分消耗于碳化物中，从而使碳化物中的铬浓度高于奥氏体中。在白口铸铁中，随着铬含量的增加，共晶温度逐渐提高。此外，铬含量也会影响共晶碳化物的大小和形状。提高铬的含量，阻止了石墨的形成，也有助于提高碳化物的数量。
通过改变C含量来调整碳化物数量，较高的C含量会形成较多的碳化物，甚至初生碳化物，这将使耐磨性能提高。为了在最大范围内提升硬度，耐磨性和冲击韧性，必须加入一定量的铬进行配合。合金斗齿中的碳化物类型与Cr/C在合适的比例内，会使合金斗齿的硬度和韧性就提高。但是，如果碳含量过低就会造成碳化物减少，耐磨性能也会变差，增加碳含量会提高合金斗齿的硬度和耐磨性，但碳含量高于一定值时会降低材料的抗热裂性和抗剥落性，进而降低其耐磨性。
钼元素(Mo)：钼提高钢的淬透性和热强性能、细化晶粒，还可以抑制合金钢的回火脆性，提高回火稳定性。钼元素为强碳化物形成元素，极易与碳形成Mo2C碳化物，其硬度可以达到1800-2200HV，较M7C3更硬，但是它们尺寸更小，且广泛分布于共晶组织中，能够显著提高合金斗齿的耐磨性能。
作为优选：所述斗齿的化学成分重量百分比为：C 2.0-3.2％，Cr 20-22％，Si0.3-1.2％，Mn 0.3-1.0％，Mo 0-0.8％，Cu 0-1.0％，Ni 0-1.5％，P≤0.15％，S≤0.15％，其余为铁以及不可避免的杂质。
本申请斗齿的化学成分重量百分比为：C 2.0-3.2％，Cr 20-22％，Si 0.3-1.2％，Mn 0.3-1.0％，Mo 0-0.8％，Cu 0-1.0％，Ni 0-1.5％，P≤0.15％，S≤0.15％，。其余为铁以及不可避免的杂质，可选用各自范围内的任一值，均能提高的合金斗齿耐磨性。
第二方面，本申请提供一种上述任一项所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺。
一种高耐磨合金斗齿的生产工艺，包括如下步骤：
1.制壳：将石英粉涂料涂覆在模具的内表面上，外表面涂高铝粉涂料，并干燥、硬化后，得到水玻璃制壳；
2.熔炼：将各原料按照上述成分进行配料熔炼得到铁水；
3.浇铸：将铁水下浇铸到铸造模具中，冷却得到合金斗齿铸坯；
4.热处理：将合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h，然后冷却到室温得到合金斗齿。
通过采用上述技术方案，将石英粉涂料涂覆在模具的内表面上，外表面涂高铝粉涂料，并干燥、硬化后，得到水玻璃制壳，用于包覆铸造件的材料，主要目的是为了形成铸造件的外形和表面质量；然后将各原料按照上述成分进行配料熔炼得到铁水，将铁水下浇铸到铸造模具中，冷却得到合金斗齿铸坯；将合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h，然后自然冷却到室温得到合金斗齿。
作为优选：所述制壳的压力为0.3-0.5MPa。
通过采用上述技术方案，通过调节制壳的压力为0.3-0.5MPa，可以使得砂芯或者砂型在浇铸时更加紧密，减少气孔和缩孔的生成，且能够帮助砂型或者砂芯更好地填充模具腔，减少气泡和砂眼等缺陷的产生，从而改善合金斗齿的表面质量，减少表面缺陷，可以减少砂芯在浇铸过程中的变形，从而提高合金斗齿的密实度，有助于减少内部缺陷保持合金斗齿复杂结构的精度和形状，提高合金斗齿耐磨性。
作为优选：所述浇铸的温度为1450-1550℃，真空为0.3-0.5MPa。
通过采用上述技术方案，通过调节浇铸的温度和真空，首先，可以减少熔体中的气体和气泡，降低气体溶解度，从而减少气孔和缩孔的生成，有助于提高合金斗齿的密实度和强度；其次，还可以调控合金的结晶的晶粒大小和组织结构，使得合金的结晶度更高，晶粒更细，从而提高合金斗齿的强度和耐磨性；再次，还可以减少合金在浇铸过程中的氧化，保持合金的纯度和化学成分的稳定性，从而提高合金斗齿的耐磨性。
作为优选：所述热处理中合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h后，再升温到950-1050℃保温2.5-3.5h，然后水淬冷却。
通过采用上述技术方案，可以促进合金的再结晶和晶粒长大，然后通过水淬冷却，可以使晶粒迅速细化，使其组织结构发生改变，晶粒得到再排列和再分布；还可以使合金斗齿内部的残余应力得到释放和消除，从而减少内部裂纹和应力集中，从而提高合金斗齿的强度和耐磨性。
作为优选：所述合金斗齿铸坯水淬冷却步骤还包括回火步骤。
通过采用上述技术方案，经过水淬冷却后，合金斗齿的硬度会显著提高，但合金斗齿内部可能会产生较大的残余应力，也容易变得脆性增加，通过回火处理，可以降低合金的脆性，提高其韧性和抗冲击性，从而提高合金斗齿的耐磨性。
作为优选：所述回火步骤的温度为280-340℃，时间为3-6h。
通过采用上述技术方案，调节回火步骤的温度为280-340℃，时间为3-6h，可以进一步降低合金斗齿的脆性，提高其韧性和抗冲击性，提高合金斗齿的耐磨性。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
(1)本申请通过在原料中调节各个元素含量，使Cr/C在合适的比例内，同时调控生产工艺，使得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为61.5-63.7HBS、30.7-31.8J/cm2和1808-1821MPa，显著提高了力学强度；表明本申请制备的合金斗齿具有较好的耐磨性。
(2)本申请通过热处理，得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为63.5-64.8HBS、31.7-32.3J/cm2和1820-1828MPa，进一步提高了合金斗齿的耐磨性。
附图说明
图1是本申请提供的方法的流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。
本申请合金斗齿的各元素原材料来源为包括Q235废钢、高碳铬铁FeCr55C1000、钼铁FeMo60、钨铁FeW80、钒铁FeV30。
实施例
实施例1
实施例1的合金斗齿，通过如下生产工艺制得：
(1)制壳：在0.2MPa的压力下，将石英粉涂料涂覆在模具的内表面上，外表面涂高铝粉涂料，并干燥、硬化后，得到水玻璃制壳；
(2)熔炼：按照表1的掺量，将各原料按照上述成分进行配料熔炼得到铁水；
(3)浇铸：将铁水在1350℃，真空为0.2MPa下，浇铸到铸造模具中，冷却得到合金斗齿铸坯；
(4)热处理：将合金斗齿铸坯升温到450℃下保温3h，然后自然冷却到室温得到合金斗齿。
实施例2
实施例2的合金斗齿，通过如下生产工艺制得：
(1)制壳：在0.2MPa的压力下，将石英粉涂料涂覆在模具的内表面上，外表面涂高铝粉涂料，并干燥、硬化后，得到水玻璃制壳；
(2)熔炼：按照表1的掺量，将各原料按照上述成分进行配料熔炼得到铁水；
(3)浇铸：将铁水在1350℃，真空为0.2MPa下，浇铸到铸造模具中，冷却得到合金斗齿铸坯；
(4)热处理：将合金斗齿铸坯升温到550℃下保温2h，然后自然冷却到室温得到合金斗齿。
实施例3
实施例3的合金斗齿，通过如下生产工艺制得：
(1)制壳：在0.2MPa的压力下，将石英粉涂料涂覆在模具的内表面上，外表面涂高铝粉涂料，并干燥、硬化后，得到水玻璃制壳；
(2)熔炼：按照表1的掺量，将各原料按照上述成分进行配料熔炼得到铁水；
(3)浇铸：将铁水在1350℃，真空为0.2MPa下，浇铸到铸造模具中，冷却得到合金斗齿铸坯；
(4)热处理：将合金斗齿铸坯升温到650℃下保温1h，然后自然冷却到室温得到合金斗齿。
实施例4-5
实施例4-5的合金斗齿的生产工艺与实施例2相同，区别在于原料掺量不同，具体详见表1所示
表1实施例1-7钢球得化学成分重量百分比(％)
实施例6-7
实施例6-7的合金斗的生产工艺与实施例2相同，区别在于制壳的压力为0.3MPa、0.5MPa。
实施例8
实施例8的合金斗的生产工艺与实施例2相同，区别在于浇铸的温度为1450℃，真空为0.5MPa。
实施例9
实施例9的合金斗的生产工艺与实施例2相同，区别在于浇铸的温度为1550℃，真空为0.3MPa。
实施例10
实施例10的合金斗的生产工艺与实施例2相同，区别在于热处理中合金斗齿铸坯升温到550℃下保温2h后，再升温到950℃保温3.5h，然后水淬冷却到室温。
实施例11
实施例11的合金斗的生产工艺与实施例2相同，区别在于热处理中合金斗齿铸坯升温到550℃下保温2h后，再升温到1050℃保温2.5h，然后水淬冷却到室温。
实施例12
实施例12的合金斗的生产工艺与实施例11相同，区别在于热处理中合金斗齿铸坯升温到550℃下保温2h后，再升温到1050℃保温2.5h，然后水淬冷却到室温后再回火，回火的温度为280℃，时间为6h。
实施例13
实施例13的合金斗的生产工艺与实施例11相同，区别在于热处理中合金斗齿铸坯升温到550℃下保温2h后，再升温到1050℃保温2.5h，然后水淬冷却到室温后再回火，回火的温度为340℃，时间为3h。
对比例
对比例1-2
对比例1-2的合金斗齿的生产工艺与实施例1相同，区别在于原料掺量不同，具体详见表2所示。
表2对比例1-2钢球得化学成分重量百分比(％)
性能检测
采用GB/T 25628-2010标准分别对不同的实施例1-13和对比例1-2得到的合金斗齿进行性能检测，检测结果详见表3所示。
表3不同合金斗齿的性能检测结果
| 硬度/HBS | 冲击韧性/J/cm2 | 抗拉强度/MPa | |
| 实施例1 | 61.5 | 30.7 | 1808 |
| 实施例2 | 62.4 | 31.1 | 1814 |
| 实施例3 | 62.0 | 30.9 | 1811 |
| 实施例4 | 62.9 | 31.4 | 1817 |
| 实施例5 | 63.0 | 31.4 | 1817 |
| 实施例6 | 63.8 | 31.8 | 1822 |
| 实施例7 | 63.9 | 31.9 | 1823 |
| 实施例8 | 63.7 | 31.8 | 1821 |
| 实施例9 | 63.0 | 31.4 | 1817 |
| 实施例10 | 63.8 | 31.8 | 1822 |
| 实施例11 | 63.5 | 31.7 | 1820 |
| 实施例12 | 64.8 | 32.3 | 1828 |
| 实施例13 | 64.5 | 32.2 | 1826 |
| 对比例1 | 48.5 | 24.2 | 1730 |
| 对比例2 | 48.2 | 24.0 | 1728 |
由表3的检测结果表明，本申请得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度最高分别为64.5HBS、32.3J/cm2和1826MPa，显著提高了力学强度；表明本申请制备的合金斗齿具有较好的耐磨性。
实施例1-5中，实施例4-5所得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为62.9-63.0HBS、31.4J/cm2和1817MPa，均高于实施例1-3，表明当合金斗齿的化学成分重量百分比为C 2.0-3.2％，Cr 20-22％，Si 0.3-1.2％，Mn 0.3-1.0％，Mo 0-0.8％，Cu 0-1.0％，Ni 0-1.5％，P≤0.15％，S≤0.15％，其余为铁以及不可避免的杂质时较为合适，提高了合金斗齿的耐磨性。
实施例2和6-7，实施例6-7所得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为63.8-63.9HBS、31.8-31.9J/cm2和1822-1823MPa，均高于实施例2，表明当制壳的压力为0.3MPa、0.5MPa时较为合适，提高了合金斗齿的耐磨性，这可能与调节制壳的压力为0.3MPa-0.5MPa值时，可提高合金斗齿的密实度有关。
实施例2和8-9，实施例8-9所得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为63.0-63.7HBS、31.4-31.8J/cm2和1817-1821MPa，均高于实施例2，表明当浇铸的温度为1450-1550℃，真空为0.3-0.5MPa时较为合适，提高了合金斗齿的耐磨性，这可能与调节浇铸的温度为1450-1550℃，真空为0.3-0.5MPa时，可提高合金斗齿的密实度、细化晶粒和减少合金氧化有关。
实施例2和10-11，实施例10-11所得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为63.5-63.8HBS、31.7-31.8J/cm2和1820-1822MPa，均高于实施例2，表明当热处理中合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h后，再升温到950-1050℃保温2.5-3.5h，然后水淬冷却时较为合适，提高了合金斗齿的耐磨性，这可能与调节热处理中合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h后，再升温到950-1050℃保温2.5-3.5h，然后水淬冷却时，可促进合金的再结晶和晶粒长大、细化晶粒和减少合金斗齿内部的残余应力有关。
实施例2和11-13，实施例12-13所得到的合金斗齿的硬度、冲击韧性和抗拉强度分别为64.5-64.8HBS、32.2-32.3J/cm2和1826-1828MPa，均高于实施例2和实施例11，表明当合金斗齿铸坯水淬冷却步骤还包括回火步骤，并调节回火步骤的温度为280-340℃，时间为3-6h时较为合适，提高了合金斗齿的耐磨性，这可能与调节合金斗齿铸坯水淬冷却步骤还包括回火步骤，并调节回火步骤的温度为280-340℃，时间为3-6h，然后水淬冷却时，可降低合金斗齿的脆性有关。
另外，结合对比例1-2和实施例1的合金斗齿的各项指标数据发现，本申请在原料中调节各个元素含量，使Cr/C在合适的比例内，同时调控生产工艺，均可不同程度提高合金斗齿的耐磨性。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种高耐磨合金斗齿，其特征在于，斗齿的化学成分重量百分比为：C 2.0-3.2%，Cr17-28%，Si 0.3-1.2%，Mn 0.3-1.0%，Mo 0-0.8%，Cu 0-1.0%，Ni 0-1.5%，P≤0.15%，S≤0.15%，其余为铁以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高耐磨合金斗齿，其特征在于，所述斗齿的化学成分重量百分比为：C 2.0-3.2%，Cr 20-22%，Si 0.3-1.2%，Mn 0.3-1.0%，Mo 0-0.8%，Cu 0-1.0%，Ni 0-1.5%，P≤0.15%，S≤0.15%，其余为铁以及不可避免的杂质。
3.权利要求1或2任一所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
制壳：将石英粉涂料涂覆在模具的内表面上，外表面涂高铝粉涂料，并干燥、硬化后，得到水玻璃制壳；
熔炼：将各原料按照上述成分进行配料熔炼得到铁水；
浇铸：将铁水浇铸到铸造模具中，冷却得到合金斗齿铸坯；
热处理：将合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h，然后冷却到室温得到合金斗齿。
4.根据权利要求3所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺，其特征在于，所述制壳的压力为0.3-0.5MPa。
5.根据权利要求3所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺，其特征在于，所述浇铸的温度为1450-1550℃，真空为0.3-0.5MPa。
6.根据权利要求3所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺，其特征在于，所述热处理中合金斗齿铸坯升温到450-650℃下保温1-3h步骤后，还包括再升温到950-1050℃保温2.5-3.5h，然后水淬冷却的步骤。
7.根据权利要求6所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺，其特征在于，所述合金斗齿铸坯水淬冷却步骤还包括回火步骤。
8.根据权利要求7所述的高耐磨合金斗齿的生产工艺，其特征在于，所述回火步骤的温度为280-340℃，时间为3-6h。
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