JP2022527252A - 掘削バケット用リップ - Google Patents
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Abstract
少なくとも７重量パーセントのクロム、３～６重量％のニッケル、および≦０．１２重量％の炭素、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる、掘削バケット用のキャストリップ。【選択図】図１
Description
関連出願
本出願は、２０１９年３月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／８２４，９４９号の優先権の利益を主張するものであり、その全体が参照により援用される。
本出願は、２０１９年３月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／８２４，９４９号の優先権の利益を主張するものであり、その全体が参照により援用される。
本開示は、ドラッグライン機械、ケーブルショベル、フェースショベル、油圧掘削機械などの掘削機械に使用するための、掘削バケットのリップに関する。
採掘および建設操作に使用されるような、掘削機械には、土着材料の負荷を収集するために地面と係合するバケットが含まれる。バケットは、一般的に、採掘された材料を受けるためのオープンフロントを有する空洞を画定するために、後壁、底壁、および側壁によって画定される。底壁の前方縁には、摩耗からリップを保護し、掘削中により良好に地面を粉砕するために、一般的に歯、アダプターおよび／またはシュラウドなどの接地係合ツールが取り付けられるリップが提供される。リップは、板鋼（プレートリップと呼ばれる）またはキャストプロセス（キャストリップと呼ばれる）のいずれかで形成される。
第一の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、少なくとも７重量％のクロム、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、少なくとも７％のクロム、少なくとも３％のニッケル、および０．１２％以下の炭素、ならびに主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、少なくとも１０％のクロム、少なくとも３％のニッケル、および０．１２％以下の炭素、ならびに任意に、３％以下のマンガン、ケイ素および／またはモリブデンの一つまたは複数、ならびに主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、１０％～１５％のクロム、３％～６％のニッケル、および０．１２％以下の炭素、ならびに主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、１０％～１５％のクロム、３％～６％のニッケル、および≦０．１０％の炭素、マンガン、ケイ素およびモリブデンのそれぞれ、ならびに主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、７％～１０％のクロム、少なくとも３％のニッケルおよび０．１２％以下の炭素、ならびに主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、７～９％のクロム、０．１２％以下の炭素、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、ＣＡ６ＮＭ合金と同じ成分組成、および主にマルテンサイト構造を有する合金とからなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、主にマルテンサイト構造を有する低炭素ステンレス鋼からなる。
別の実施例では、上述の合金のいずれかを有するリップは、砂型キャストおよび／または空気硬化プロセスによって形成される。
別の実施例では、上述の合金のいずれかを有するキャストリップは、内側表面および外側表面を含み、外側表面は、例えば、リップの全体重量を低減することができる、凹部を含む。
別の実施例では、上記の合金のいずれかを有するキャストリップは、リップ端が上向きに曲がり、バケットの側壁と略整列するように、リップの少なくとも各端部の近くに湾曲部分を含む。このようなリップは、ケーブルショベルでの使用に適しているが、他の使用が可能である。任意選択で、リップの外側表面は凹部を含む。
本開示の上記の実施例の各々は、ドラッグライン、ケーブルショベル、フェースショベル、および油圧掘削機械に見られるような大型の掘削バケットのキャストリップとしての使用に適している。こうしたリップは、バケットの幅を横切って延在し、一次掘削縁部を形成する。こうしたリップは、例えば、約３０，０００ポンドほどの重量を有し、および／または約９インチ以上の最大厚さを有し得る。
本開示によるリップは、現在の低合金鋼キャストリップと比較して、降伏強度、疲労強度、および／またはウエルドに関する耐久限界、硬度、および／または摩耗寿命の改善をもたらすことができる。
本開示に従ってキャストリップを作製するためのプロセスの一実施例では、上述の鉄合金の一つが溶融され、溶融合金が砂型に供給されて、合金を掘削装置で使用するためのリップ構造に形成し、それを主にマルテンサイト構造にするために合金を硬化し、次いで、靭性のためにリップを焼き戻す。一実施例では、リップは空気硬化される。
本開示によるキャストリップは、バケット内で、修理、再構築、固定され、および／または溶接プロセスによってアタッチメントが提供され得る。一実施例では、溶接は、基材の合金と同一または類似の溶接材料によって達成される。
一つの他の実施例では、リップ材料および溶接材料は、それぞれクロム鉄合金である。別の実施例では、リップは、ＣＡ６ＮＭ合金から構成され、溶接材料は、タイプ３０９ステンレス鋼である。
本開示は、ドラッグライン機械、ケーブルショベル、フェースショベル、油圧掘削機械などで使用される掘削バケットのためのキャストリップに関する。
キャストリップは、掘削機械、典型的には大型鉱山機械のためのバケットの幅を横切って延在し、その一次掘削縁部を形成する大型鋼構造である。リップは、一つの型にリップ全体をキャストすることによって、または一緒に溶接されて完全なリップを形成するリップセグメントをキャストすることによって形成され得る。例えば、キャストリップは、約６５００ポンド～約２９，０００ポンドのオーダーで重量を有することができる。リップセグメントは典型的には小さく、一実施例として、端セグメントは約２０００ポンドの重量を有し得る。キャストリップは、約９インチまたはそれ以上の最大厚さを有する傾向がある。多くの場合、他の変形が可能であるが、それらは約４～１６インチの最大厚さの範囲である。厚さ寸法は、リップの内側面と外側面の間の距離である。キャストリップは、掘削歯を取り付けるための前方突出ノーズを含み得る。ノーズはしばしば、リップまたはリップセグメントと一体的にキャストされる。ノーズは別々にキャストされ、リップの前面に溶接され得る。時には、こうしたノーズは、リップに溶接されたアダプターによっても提供され得る。他の実施例では、ノーズを有するアダプターは、リップに機械的に取り付けられる。これは通常、ケーブルショベルリップの場合である。キャストリップは、強度と靭性が高く、製造コストが低いため、何十年にもわたって低合金鋼から構成されている。
掘削装置用のキャストリップは、通常、砂型に溶融鋼を流し込む砂キャストプロセスによって製造される。大型の鋼材キャストと同様、欠陥のないリップキャストを行うことは極めて困難である。大型鋳物がキャスト状態で何らかの欠陥を有することは珍しくない。典型的な欠陥は、内包物、熱裂傷、ひび割れ、多孔性などであり得る。鋼材鋳造事業では、修理によって完成品の機能性に害が及ばない限り、このような欠陥を溶接して修理することは日常的な慣行である。キャストリップでの溶接は、他の目的にも一般的である。例えば、それらのサイズを考慮すると、キャストリップは、単一のリップを形成するために一緒に溶接されるセグメント（典型的には二つまたは三つのセグメント）でキャストされることがある。キャストリップは、バケット内に溶接される。ノーズ、アダプター、およびシュラウドは、時にはリップに溶接される。ボスなどのアタッチメントは、摩耗部品を固定するために、時にはリップに溶接される。使用中のリップへの損傷は、典型的には、前方端に沿って、溶接プロセスを通して一般的に修理および／または再構築される。
一部の事例では、低合金キャストリップのウエルド修理は、リップ材料の強度にほぼ合致するウエルドフィラー材料で作製されるが、修理ウエルドは、Ｅ７０－Ｓｅｒｉｅｓ炭素鋼フィラー材料などのより柔らかい鉄系溶接材料で作製されることが多い。ウエルド修理が溶接後熱処理され得る場合（時として、鋳造工場でのキャスト修理の場合と同様）、合致する材料の使用は、耐疲労性および耐摩耗性に関して利点を与えることができる。修理溶接が溶接後熱処理できない、一致しないフィラー材料を使用し得る。一致しないフィラー材料の使用は、特に溶接後の熱処理が実行できない場合に、硬化性鋼を溶接する場合に水素アシストクラックを回避するのに非常に有用な溶接工学技術である。同じ理由から、一致しないフィラー材料は、リップをバケットに溶接するなど、組み立て溶接にも好ましい。これらの組み立て溶接は、非常に厚く、関連する応力は、かなり著しくあり得る。一致しないフィラー材料の使用は、これらの応力の大きさを制限し、クラックのない良好な組み立て溶接を作る可能性が大幅に高まる。しかし、より柔らかい溶接材料を使用することで、リップは使用中にそれらの場所で損傷を受けやすくなる。例えば、より柔らかい材料は、掘削中に一般的に適用される高荷重および環状荷重、および／または掘削において一般的に遭遇する高レベルの摩耗に耐えることができない。
本開示は、比較的高いレベルのクロムを有する鉄合金から構成される、掘削装置用のキャストリップに関する。一実施例では、キャストリップは、少なくとも７重量％のクロム、好ましくは１０重量％以上を有する鉄合金から構成することができる。本明細書で与えられる全ての構成割合は、重量による。鉄合金は、少なくとも５０％の鉄である合金である。リップはまた、好ましくは、３％以上のニッケルを有し、０．１２％以下の炭素を有する。他の元素の組み合わせも可能である。リップは、主にマルテンサイト構造を有するように硬化され、土工機器用のリップとして使用するための十分な強度を提供する。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、少なくとも１０％のクロム、少なくとも３％のニッケル、０．１２％以下の炭素、および任意に、３％以下のマンガン、ケイ素および／またはモリブデンのそれぞれの一つまたは複数、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、１０％～１５％のクロム、３％～６％のニッケル、０．１２％以下の炭素、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、１０％～１５％のクロム、３％～６％のニッケル、および０．１０％以下の炭素、マンガン、ケイ素およびモリブデンのそれぞれ、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。より低い量の炭素（すなわち、≦０．１０％）が、リップの高性能のために好ましいが、最大で≦０．１２％が一般的に受けいれられ得る。
別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、０．０６％以下の炭素、１％以下のマンガン、１％以下のケイ素、０．０４％以下のリン、０．０３以下の硫黄、１１．５％～１４％のクロム、３．５％～４．５％のニッケル、および０．４％～１％のモリブデンを含み、主にマルテンサイト構造に硬化される鉄系合金である、ＣＡ６ＮＭ組成物を有する合金から構成される。別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、主にマルテンサイト構造を有する低炭素ステンレス鋼から構成される。
比較的高いレベルのクロム（上述のステンレス鋼合金に見られるような）を有する鋼は、望ましい利益の一般に好ましいレベルを提供するが、代替的に、非ステンレス鋼合金（すなわち、本明細書で論じる利益を得るために、より少ないがそれでも十分に高いレベルのクロムを有するもの）の使用を通して、キャストリップのコストを削減することが望ましい場合がある。このような場合、掘削装置用のキャストリップは、７％～１０％のクロム、および０．１２％以下の炭素、ならびに主にマルテンサイト構造を有する鉄合金から構成することができる。こうした別の実施例では、掘削装置用のキャストリップは、７％～９％のクロム、０．１２％以下の炭素、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる。また、他の実施例について上述したように、３％～６％のニッケル、および／または３％以下のマンガン、ケイ素および／またはモリブデンのうちの一つまたは複数である。あるいは、合金は、≦０．１％のマンガン、ケイ素、および／またはモリブデンの各々に制限され得る。
上述のクロム合金を使用することにより、リップのベース合金に合致するか、または基合金に類似する溶接材料が使用され得る。例えば、リップがＣＡ－６ＮＭ組成物から作製された場合、「４１０Ｎｉ－Ｍｏ」組成物のフィラー材料が使用され得る。この材料で作られたウエルド堆積物は、ＣＡ－６ＮＭベース金属とほぼ同様に熱処理に応答し、適切に熱処理された場合に同様の特性も達成することができる。本明細書に記載されるリップおよび類似の組成物の溶接材料の使用は、溶接された領域が、ベース合金と類似の強度および耐摩耗性を有し、それによって、現在の低合金キャストリップに生じる特定の弱点を回避することを可能にすることができる。溶接される領域の周りに基材を予熱し、溶接後に溶接領域を熱処理することにより、一般的にリップのベース合金と強度および靭性が一致する溶接領域をもたらすことができる。溶接後熱処理が不可能または望ましくない場合（リップをバケットに組み立て溶接する時など）、本開示の溶接リップには、タイプ３０９のような異種オーステナイトステンレス鋼フィラー材料を使用し得る。この組み合わせは一意であるとみなされるが、一致していないフィラー材料を使用することは、従来の低合金鋼リップなどの高硬化性鋼を組み立て溶接する際に一般的に使用される公知の溶接プロセスであることに留意されたい。このオーステナイトフィラー材料は軟質であるが、高強度鋼を溶接する際に大きな懸念となり得る水素アシストクラックを回避するのに有用である。
その他の利益も、本開示によるキャストリップで達成可能である。例えば、本開示によるリップは、低合金鋼からなる現在のリップと比較して、降伏強度、疲労強度および／または溶接に関する耐久限界、硬度および／または摩耗寿命の改善をもたらすことができる。一実施例では、以下の表は、本発明のキャストリップ合金の一実施例（公称０．０３％Ｃ－０．０５％Ｍｎ－０．６％Ｓｉ－１２．７５％Ｃｒ－４Ｎｉ－０．５％Ｍｏ）を、一つの現在の低合金鋼のキャストリップと比較する。
本開示によるキャストリップは、溶接後の重大な疲労強度を維持することができ、従来の低合金キャスト鋼リップよりも軽く、および／または改善された強度を提供することができる。これらの利点は、例えば、より長い耐用年数、より少ない機械ダウンタイム、より簡単な修理および／または部品取り付け、負荷能力の増加、より良好な浸透、より少ない材料および／または耐腐食性の使用を提供することによって、本明細書に記載されるクロム合金に関連する増加したコストを相殺することができる。
本開示によるキャストリップの改善された機械的特性は、従来の低合金キャストリップと比較して、同じ掘削機械に対してよりスリムなリップの使用を可能にすることができる。リップの軽量化は、最大荷重が、バケットおよびアタッチメントの重量ならびに負荷に含まれる荷重を含むため、機械にとってより大きな最大荷重を提供する。また、よりスリムな輪郭は、掘削中のバケットの地面への浸透を容易にする。従って、本開示によるこうしたリップは、より軽く、より良好な浸透性リップ、掘削機械によるより多くの生産、機器の摩耗の低減、および／またはより速いサイクルタイムを提供することができる。全体として、この利点は、より効率的な掘削プロセスにつながる。あるいは、現在の低合金のキャストリップと同じ寸法を有するキャストリップは、より堅牢な環境で使用され得る。例えば、通常の使用のために作られた低合金のキャストリップと同じ寸法で作製された発明のリップは、重負荷環境および／または超重負荷環境で使用され得る。
本開示の上述の実施例の各々は、例えば、ドラッグライン、ケーブルショベル、フェースショベル、および油圧掘削機械に見られるような大型の掘削バケットのキャストリップとしての使用に適している。こうしたリップは、バケットの幅を横切って延在し、バケットの一次掘削縁部を形成する。本開示の上記のリップの実施例は、少なくとも２０００ポンドのリップセグメントから形成され、および／または少なくとも９インチの最大厚さを有する少なくとも６５００ポンドの重量を有する、リップでの使用に好適である。例として、こうしたリップは、約６５００ポンド～約２９，０００ポンドのオーダーで重量を有し、リップセグメントは、一緒に溶接される前に約２０００ポンド以上の重量を有しリップを形成し、キャストリップは、約４～１６インチの範囲の最大厚さを有することができるが、他の変形が可能である。キャストリップは、一般に、強度を最大化し、重量を最小化し、および／または摩耗部品の特定の動作および／またはアタッチメントのために形状をカスタマイズするために、さまざまな形状を有する。
一実施例では、本開示による土工機器用のリップを作製するためのプロセスは、上述のクロム鉄合金のうちの一つを溶融することと、溶融合金を砂型に供給して、合金を土工機器で使用するリップに形成することと、合金を硬化することとを含む。焼き入れは可能であるが、リップは好ましくは周囲環境で空気硬化されて、主にマルテンサイト構造を形成する。電流低合金鋼キャストリップを焼き入れして、所望のマルテンサイト構造を形成する。硬化後、キャストリップは、土工機器用のリップとして使用するための所望の靭性を提供するために巻き戻しされる。硬化および焼き戻しのこの組み合わせは、掘削機械のバケット内に固定されるキャストリップに望ましい強度および靭性の組み合わせをもたらし得る。
図１～３を参照すると、キャストリップ１０の一実施例は、前方部分２０、後方部分１６、リップ１０の両側に耳４５、上部表面４６、および下部表面３２を含む。本開示によるキャストリップ１０は、例えば、バケット２の前方部分４のドラッグラインバケット２に、リップの後部１６の裏面４４で、また、バケット本体８の翼または耳４５に沿って溶接される。このリップ構造は、米国特許第９，９６３，８５３号に開示されており、参照により本明細書に組み込まれる。
リップ１０は、バケット８の両側壁４０（例えば、バケット幅を横切る）の間に延在する細長い構造または長さ２５を有する。下部表面３２は、隆起部、リブ、スペーサーまたはその他の構造３５によって分離されたさまざまな凹部３６を含む。これらの凹部は、必要な強度を提供しつつ、リップの重量を低下させる。これは一実施例に過ぎず、他のリップ構造も可能である。
図示の例では、リップ１０は、リップ１０の前方部分２０に沿って間隔を置いた一組のノーズ２６を含む。ノーズ２６は、接地係合ツールを取り付けるためのメインリップ構造２５の前方に延びる。リップ１０の前部分または前方部分２０はまた、ノーズの間に前方縁部３０を含む。シュラウドなどの接地係合部分は、典型的には、前方縁部３０上に固定される。歯のアセンブリーは、典型的にはノーズ２６の上に固定される。このリップ１０は、ドラッグラインバケットに固定されるが、例えば、ケーブルショベル、フェースショベル、および／または油圧掘削機械などの他の機械用のバケットに固定され得る。
図４～５を参照すると、土着材料を受けるための空洞を画定するシェルを含むケーブルショベルダイパーバケット１０２が、キャストリップ１１０および接地係合摩耗製品とともに示される。リップ１１０は、前方部分１２０、後方部分１１６、リップ１１０の両側の耳１４５、上部表面１４６、および下部表面１３２を含む。各耳または翼１４５は、ケーブルショベルディップ１０２で使用するために、各端部１１２で上向きに湾曲している。前方縁部は、歯アセンブリー１０７およびシュラウド１０９などの取り付け接地係合ツールで覆われている。シュラウド１０９は、翼１４５を上り続けるように図示される。
これらの図示されたリップは、単に例であり、本開示では、実質的に他の任意のキャストリップ構造も可能である。
Claims (25)
- バケットの側壁の間に延在する長さを有する少なくとも一つのキャスト本体によって画定される、掘削バケット用のキャストリップであって、少なくとも７重量％のクロム、０．１２重量％以下の炭素、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる、キャストリップ。
- 前記鉄合金が３～６重量％のニッケルを含む、請求項１に記載のキャストリップ。
- 前記鉄合金が７～１５重量％のクロムを含む、請求項１または２に記載のキャストリップ。
- ７～９重量％のクロムから構成される、請求項１または２に記載のキャストリップ。
- ７～１０重量％のクロムから構成される、請求項１または２に記載のキャストリップ。
- バケットの側壁の間に延在する長さを有する少なくとも一つのキャスト本体によって画定される、掘削バケット用のキャストリップであって、１０～１５重量％のクロム、３～６重量％のニッケル、および０．１２重量％以下の炭素、および主にマルテンサイト構造を有する鉄合金からなる、キャストリップ。
- 前記鉄合金が、３重量％以下のマンガン、ケイ素、およびモリブデンのうちの少なくとも一つを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のキャストリップ。
- 前記鉄合金が、０．１０重量％以下の炭素、マンガン、ケイ素、およびモリブデンの各々を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のキャストリップ。
- それぞれが歯構成要素を取り付けるための複数の前方突出ノーズ、および前記ノーズの間にシュラウドを取り付けるための複数の据え付けエリアを含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のキャストリップ。
- 少なくとも一つのキャスト本体およびバケットの側壁の間に延在する長さによって画定される、掘削バケット用のキャストリップであって、それぞれが歯構成要素を取り付けるための複数の前方突出ノーズを含み、０．１２重量％以下の炭素、および主にマルテンサイト構造を有するステンレス鋼からなる、キャストリップ。
- 前記ステンレス鋼が、０．１０重量％以下の炭素を含む、請求項１０に記載のキャストリップ。
- ＣＡ６ＮＭ合金の成分組成を有する、請求項１、７、または１０のいずれか一項に記載のキャストリップ。
- 重量が少なくとも６５００ポンドである、請求項１～１２のいずれか一項に記載のキャストリップ。
- 少なくとも９インチの最大厚さを有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載のキャストリップ。
- 土工機器用のバケットであって、土着材料を受けるための空洞を画定するシェルおよび請求項１～１４のいずれか一項に記載のリップを含む、バケット。
- 掘削装置と併用するためのキャストリップを作製する方法であって、
少なくとも７重量％のクロムを有する鉄合金を溶融することと、
前記溶融された鉄合金を砂型に供給してリップ構造を形成することと、
前記鉄合金を主にマルテンサイト構造に硬化することと、
前記リップを焼き戻すことと、を含む、方法。 - 前記鉄合金を前記硬化することが空気硬化による、請求項１６に記載の方法。
- 前記鉄合金を前記硬化することが焼き入れによる、請求項１６に記載の方法。
- 前記鉄合金が、３～６重量％のニッケルおよび０．１２重量％以下の炭素を含む、請求項１６～１８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記鉄合金が、３重量％以下のマンガン、ケイ素、およびモリブデンの各々を含む、請求項１６～１９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記鉄合金が、０．１０重量％以下の炭素、マンガン、ケイ素、およびモリブデンの各々を含む、請求項１６～２０のいずれか一項に記載の方法。
- 掘削装置と併用するためのキャストリップを作製する方法であって、
ステンレス鋼を０．１２重量％以下の炭素で溶融することと、
前記ステンレス鋼を砂型に供給してリップ構造を形成することと、
前記鉄合金を主にマルテンサイト構造に硬化することと、
前記リップを焼き戻すことと、を含む、方法。 - 前記リップ構造が、それぞれが歯構成要素を取り付けるための複数の前方突出ノーズを含むように形成される、請求項１６～２２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リップ構造が、少なくとも６５００ポンドの重量を有する、請求項１６～２３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リップ構造が、少なくとも９インチの最大厚さを有する、請求項１６～２３のいずれか一項に記載の方法。
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