CN103498109B

CN103498109B - 一种挖掘机斗齿及其制备方法

Info

Publication number: CN103498109B
Application number: CN201310406564.0A
Authority: CN
Inventors: 钱嘉镕新
Original assignee: NINGBO JIADA PRECISION CASTING CO Ltd
Current assignee: NINGBO JIADA PRECISION CASTING CO Ltd
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN103498109A

Abstract

本发明公开一种挖掘机斗齿及其制备方法，它解决了现有的斗齿耐磨性、冲击性等机械性能一般，使用寿命短，生产成本高的问题。本发明挖掘机斗齿的组成成分及其质量百分比为：C：0.25％-0.29％，Mn：1.10％-1.40％，Si：1.50％-1.90％，Cr：1.40％-1.70％，Al：0.02％-0.06％，Mo：0.10％-0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质。本发明还提供一种制备上述挖掘机斗齿的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。本发明挖掘机斗齿的机械性能得到很大提高，尤其韧性、硬度、抗拉强度、耐磨性等明显得到提高，且材料成本低。

Description

一种挖掘机斗齿及其制备方法

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其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

斗齿属于挖掘机零配件，一般装在挖掘机铲斗前端，广泛应用于矿山、冶金、电力、建材、水泥、机械等行业，直接与砂、土、岩石、矿物等接触，在接触物料时，既承受冲击作用，又承受弯曲作用。工作过程中，斗齿尖部受到较大的冲击滑动磨粒磨损，尖部表面常出现各式犁沟、变形，造成表面磨损。影响挖掘机斗齿寿命的因素很多，除了矿石结构。软硬程度、***情况，以及使用单位对挖掘机的维修与保养和司机的操作水平外，还有斗齿的结构和形状的影响，挖掘机斗齿的材料及其制备方法中的热处理的影响。

理想的挖掘机斗齿材料表面应具有高硬度、高耐磨性，基体应具有较好的机械性能、高韧性，从而延长使用寿命长等特点，这是单一的材料难以同时达到的要求。现有技术中的斗齿一般采用耐磨钢，例如Robert Hadfield发明的Hadfield钢，其耐磨性和韧性较好，但是其冲击韧性偏低，在挖掘机工作过程中，斗齿表面容易造成大块脱落，甚至易发生脆断。此外，高锰钢一般被认为只有在高冲击或强凿削的磨损条件下，表面才能有效地产生加工硬化层，表现出较高的耐磨性，否则它甚至比不上一般钢的耐磨性。且，锰含量较高，因此，其成本较高、能耗较大。

针对上述问题，现有技术中的中国专利申请(公开号为CN102978531A)公开了一种挖掘机斗齿，其化学成分为C：0.26％-0.29％，Mn：1.30％-1.50％，Si：1.20％-1.40％，Cr：1.40％-1.60％，Mo：0.15％-0.25％，N：0.20％-0.30％，余量为Fe以及不可避免的杂质，以及其制备方法：铸造工序和热处理工序，该斗齿机械性能有了一定的提高，能满足一般挖掘机工作环境的需求。但相关工作人员仍致力于研究机械性能更好，使用寿命更长，生产成本更低的挖掘机斗齿。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提出了一种机械性能好，使用寿命长，生产成本低的挖掘机斗齿。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种挖掘机斗齿，所述挖掘机斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.25％-0.29％，Mn：1.10％-1.40％，Si：1.50％-1.90％，Cr：1.40％-1.70％，Al：0.02％-0.06％，Mo：0.10％-0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

相对于现有技术，本发明的斗齿通过添加Al元素，除去了Ni元素，以及优化C、Si、Cr等成分的配比，尤其是提高了Si含量和Cr含量，使斗齿的配方更加合理，使斗齿中各元素产生协同作用，显著提高斗齿的机械性能，尤其是耐磨性和冲击韧性，从而达到延长寿命的目的。

在上述的挖掘机斗齿中，所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.30％，P元素的质量百分比小于等于0.030％。

本发明的挖掘机斗齿中碳含量为0.25％-0.29％。C元素作为合金钢的基本元素，在挖掘机斗齿中可与铁、铬形成稳定的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，也可与Fe、Mn形成碳化物，提高挖掘机斗齿的硬度、塑性及其韧性，同时又可保证足够的耐磨性和耐温性。当C含量低于0.25％时，碳化物变少，耐磨性不好。而当C含量超过0.29％时，挖掘机斗齿的机械强度尤其是斗齿的塑性和冲击韧性显著变差，还会降低的耐大气腐蚀能力，在露天场所容易锈蚀。因此将本发明挖掘机斗齿中的碳元素的质量百分比控制在0.25％-0.29％，可使碳与其他元素产生协同作用，且随着含碳量的增加，斗齿的屈服点和抗拉强度升高，从而使本发明中的斗齿具有较好的综合性能。

锰是挖掘机斗齿中主要的强化元素，在挖掘机斗齿中主要起脱氧除气、脱硫和提高淬透性等作用。一般钢中锰的含量为0.30％-0.50％，在碳素钢中加入0.70％以上的锰即为“锰钢”，与一般的钢相比，锰钢不但具有足够的韧性，还具有较高的强度和硬度，可提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。但是，锰含量过高，会减弱斗齿的抗腐蚀能力，降低焊接性能。本发明的挖掘机斗齿中锰含量为1.10％-1.40％，大幅地提高了斗齿的耐磨性、耐温性，其原因在于一、锰在挖掘机斗齿中可中和铁元素的有害作用，与铁生成(FeMn)₃C型碳化物，使铁元素仅发挥其正面作用，提高斗齿的淬透性；二、锰在斗齿中脱氧其含量须在0.6％以上，但若锰含量过高，会影响斗齿的耐磨性；三、在保证奥氏体组织的前提下，锰含量的降低会导致奥氏体稳定性略有下降，但斗齿的耐磨性在高冲力的作用下会显著提高，加工硬度也显著增强；四、在斗齿中添加锰元素可细化材料组织，提高再结晶温度，从而增强挖掘机斗齿在使用过程中因摩擦产生高温时的耐热性。

硅元素在挖掘机斗齿中溶解于铁素体中，能强烈抑制和缓解过冷奥氏体的碳化物分解，提高奥氏体稳定性。硅元素在挖掘机斗齿中是良好的还原剂和脱氧剂，其含量与锰元素含量配合，能有效改善挖掘机斗齿的韧性，提高挖掘机斗齿的耐磨性、强度和硬度。本发明挖掘机斗齿中大大地提高了硅的含量，为1.50％-1.90％，可提高挖掘机斗齿的强度15％-20％。加入较高含量的Si在连续冷却过程中能增加过冷奥氏体的稳定性及钢中残余奥氏体含量，强烈阻碍碳化物的析出，提高挖掘机斗齿的回火抗力。同样，Si含量过高会降低挖掘机斗齿的焊接性能。

Cr作为重要的合金元素，能显著提高挖掘机斗齿的强度、硬度和耐磨性，还能提高挖掘机斗齿的抗氧化性和耐腐蚀性，但同时会略微降低挖掘机斗齿的塑性和韧性。本发明斗齿中的铬含量为1.40％-1.70％。一方面铬原子的半径为2.8·10^-10m，而铁原子半径为2.7·10^-10m，两者十分相近，铬与铁的亲和力比其他元素强，容易与碳、铁结合形成(Cr，Fe)₃C和少量(FeCr)₇C₃溶入固溶体中，可强化基体，提高斗齿的淬透性。另一方面在挖掘机斗齿中加入Cr元素能改变钢中碳化物弥散分布形态，获得以Cr₂₃C₆为主的粒状碳化物，使其弥散分布于奥氏基体上。若Cr含量过低，挖掘机斗齿的耐腐蚀性不佳，若Cr含量过高，挖掘机斗齿的韧性不佳。综合挖掘机斗齿的机械性能本发明将铬元素的质量百分比控制在1.40％-1.70％，可使铬与其他元素产生协同作用，从而使本申请中的挖掘机斗齿具有较好的耐磨性。

Al是挖掘机斗齿中常用的脱氧剂，在斗齿中加入少量的Al，可细化晶粒，提高冲击韧性。Al还具有抗氧化剂和抗腐蚀性能，Al与Si合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀性能。但是，Al会影响斗齿的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此，本发明挖掘机斗齿中Al的含量控制在0.02％-0.06％，在提高斗齿综合性能的同时又可以保证其焊接性能、加工性能。

本发明的挖掘机斗齿中加入了细化晶粒的钼元素，可起三方面作用：一、钼能够有效地抑制渗碳体聚集，导致钼的碳化物以极细小尺寸弥散分布在奥氏体中，同时可弥散强化作用，强化奥氏体组织，使斗齿的强度和硬度增加，形***化性能增强。二、钼分布在碳化物中可有效抑制挖掘机斗齿冷却过程中晶界碳化物的析出，斗齿中加铬可使晶界碳化物析出倾向大大提高，钼与铬两种元素的复合添加可使两种合金元素的有益作用同时发挥出来。三、斗齿中添加钼后，针状碳化物变短，数量明显减少。经实验可知当加入约0.1％钼时，能降低或抑止其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下，形成弥漫分布的特殊碳化物，有二次硬化作用。与锰配合加入挖掘机斗齿中更能有效地发挥钼与锰在斗齿中的作用，提高挖掘机斗齿的硬度、淬透性等机械性能。但是钼元素的价格较贵，加入过多会增大生产成本，故本发明在保证钼在斗齿中能较好地发挥作用的同时控制钼的含量，将其控制在0.10％-0.15％之间。

本发明采用各元素配比的交互作用，对挖掘机斗齿的淬透性、淬硬性、奥氏体的稳定性均有明显的作用。

硫一般情况下是挖掘机斗齿中的有害元素，会使挖掘机斗齿产生热脆性，降低挖掘机斗齿的延展性和韧性，但当含硫量小于0.03％时，它的有害作用就不那么明显了，相反还可以改善挖掘机斗齿的加工性能。

磷和硫一样，对挖掘机斗齿的耐磨性和机械性能均有特别有害的影响，每0.02％的P平均降低冲击韧性1.98J/cm²；当磷从0.07％-1.0％降到0.02％-0.04％，挖掘机斗齿的塑性、韧性、耐磨性均可提高40％-50％，铸件裂纹也可大大减少。本发明将磷的含量控制在0.003％以内，还可避免沿晶界析出共晶磷化物。

进一步地，所述挖掘机斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.27％，Mn：1.30％，Si：1.60％，Cr：1.50％，Al：0.04％，Mo：0.12％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

进一步地，所述挖掘机斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.25％，Mn：1.40％，Si：1.50％，Cr：1.70％，Al：0.02％，Mo：0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

进一步地，所述挖掘机斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.29％，Mn：1.10％，Si：1.90％，Cr：1.40％，Al：0.06％，Mo：0.10％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

本发明还提供一种上述挖掘机斗齿的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。所述热处理工序中，淬火温度为900℃-950℃，淬火后保温时间为2-4小时，回火温度为230℃-260℃，回火后保温时间为3-4小时。

本发明采用该方法不但简化生产工艺，减少能源消耗，且同样能使铸件具有常规热处理后的性能水平。挖掘机斗齿在加热过程中，在400℃-700℃时，碳化物不断地析出和长大，700℃-900℃时碳化物逐渐溶解，加热至900℃以上时，即使晶界上残余的碳化物也会全部溶解。由于难溶的碳化物的存在，有必要提高其固溶温度，将淬火温度提高到900℃-950℃，斗齿的强度虽略微下降，但达到最佳的强韧性和塑性。提高淬火的温度有利于成分的均匀化，进一步减少高碳微区，增大高位错板条壮马氏体和薄膜状残余奥氏体的数量，从而提高斗齿的强韧性，增强抵抗裂纹扩展的能力，减轻应力集中，改善韧性。而回火温度在230℃-260℃之间，挖掘机斗齿的抗拉强度和硬度随回火温度的升高而降低，常温冲击韧性则升高。低碳合金钢进行奥氏体化高温加热急冷淬火可获得硬度适中，钢性好，强韧性的低碳板条马氏体组织。因钢中“C”元素淬火时偏聚到位错和板条边界上，导致亚结构细化和高密度位错产生固溶强化。低碳板条马氏体在电子显微镜下呈板条状互相平行分布，它的主体由许多细而薄长的晶体组成，板条内无孪晶。而当回火温度大于260℃时，位错发生滑移和攀移，造成位错密度降低，同时晶界发生移动，亚晶粒合并造成挖掘机斗齿各项机械性能下降。

此外，若水韧处理中加热温度偏低或保温时间不足，碳化物不能充分溶解，常常聚集在奥氏体的晶界上。若水韧处理中加热温度偏高，就会使奥氏体晶粒长大。

进一步地，所述热处理工序中，回火温度为240℃。

本发明通过配置特定的挖掘机斗齿的组分和质量百分比的原料，并通过特殊的热处理工艺制得机械性能好，尤其具有高韧性、高硬度、高抗拉强度、高耐磨性，且材料成本低，同时满足挖掘机特殊的工作环境需求的挖掘机斗齿。

具体实施方式

表1：实施例1～3用于制备挖掘机斗齿的组成元素及其质量百分比

实施例1

本实施例中挖掘机斗齿的组成元素及其质量百分比如表1中实施例1所示。

挖掘机斗齿的组成元素及其质量百分比对斗齿的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的斗齿的机械性能也有较大的影响。斗齿的制备工艺包括铸造工序和热处理工序，其中铸造工序采用常规铸造工艺即可，对斗齿最终机械性能影响最大的为热处理工序。热处理工序包括淬火升温、保温后回火、回火后空冷的步骤。本实施例为探讨最佳淬火温度、回火温度，对本实施例中斗齿在不同条件下热处理并测试其机械性能，得实验结果如表2。

表2：实施例1不同条件下热处理后的挖掘机斗齿的机械性能

从表2可以看出，淬火温度为900℃-950℃区间和回火温度为230℃-260℃区间，抗拉强度和硬度随回火温度的升高而降低，常温冲击韧性则升高，在淬火温度为920℃、回火温度为240℃时，挖掘机斗齿的机械性能最佳，尤其是斗齿的常温冲击韧性、硬度、耐磨性较好。

因此本实施案例选择经过锻造工序处理后的挖掘机斗齿进行热处理的条件为：在热处理工序中，待温度为920℃时进行淬火，淬火后保温3小时；在温度为240℃时进行回火，回火后再保温3小时。

本实施例中所得的挖掘机机械性能好，尤其是韧性、硬度及耐磨性都较高，使用寿命长，且材料成本低。

实施例2

按表1中实施例2确定挖掘机斗齿的组成元素和质量百分比，本实施例中挖掘机斗齿经过铸造工序和热处理工序，其中热处理工序采用和实施例一一样的工艺条件，即在热处理工序中待温度为950℃时进行淬火，淬火后保温4小时；在温度为260℃时进行回火，回火后再保温4小时。测试其机械性能如表3：

表3：实施例2不同条件下热处理后的挖掘机斗齿的机械性能

从上述测试得采用本实施例的配比后，利用实施例一的工艺条件制得的挖掘机机械性能好，尤其是韧性、硬度及耐磨性都较高，使用寿命长，且材料成本低。

实施例3

按表1中实施例3确定挖掘机斗齿的组成元素和质量百分比，本实施例中挖掘机斗齿经过铸造工序和热处理工序，其中热处理工序采用和实施例一一样的工艺条件，即在热处理工序中，待温度为900℃时进行淬火，淬火后保温2小时；在温度为230℃时进行回火，回火后再保温3小时。测试其机械性能如表4：

表4：实施例3不同条件下热处理后的挖掘机斗齿的机械性能

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

1.一种挖掘机斗齿，其特征在于：所述挖掘机斗齿的组成成分及质量百分比为：C：0.25％，Mn：1.40％，Si：1.50％，Cr：1.70％，Al：0.02％，Mo：0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质；所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.03％，P元素的质量百分比小于等于0.03％；

所述挖掘机斗齿的制备方法包括铸造工序和热处理工序，所述热处理工序中，淬火温度为950℃，淬火保温时间为2-4小时，回火温度为260℃，回火保温时间为3-4小时。