CN105568142B - 一种高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿及其制备方法，其制备材料为贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢，组成成分的质量百分数为：C:0.40‑0.60、Si:0.60‑1.2、Mn:0.8‑1.2、Cr:0.25‑0.35、Mo:0.30‑0.50、Cu:0.40‑0.60、Re:0.2‑0.3、P：0‑0.01、S：0‑0.01，其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法包含下述步骤：1）熔炼；2）采用消失模铸造成型；3）浇注完成后待铸件冷却到800‑900℃度时空冷至室温；4）将所得的铸件加热到820‑860℃进行奥氏体化；5）淬火；6）待铸件表面冷却至200‑320℃时取出；7）将铸件带温立即转入260‑330℃保温炉中进行贝氏体等温转变，然后取出空冷。所得挖掘机斗齿表面硬度高、耐磨性好，内部的结构又能确保有良好的韧性，在受到冲击时能吸收更多的冲击能量，提高了抗冲击性。

Description

一种高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿及其制备方法
技术领域
本发明涉及挖掘机斗齿，具体是一种高强韧性贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢挖掘机斗齿及其制备方法。
背景技术
挖掘机是一种多用途土石方施工机械，主要进行土石方挖掘、装载，还可进行土地平整、修坡、吊装等作业。完成同样的土石方工作量,采用挖掘机作业比用装载机、推土机消耗的能量要少,且有的土石方施工,装载机、推土机无法完成，所以挖掘机在公路、铁路等道路施工、矿山开采，桥梁建设，城市建设、机场港口及水利施工中得到了广泛应用。随着我国经济建设的迅猛发展，挖掘机越来越在国民经济建设中显示出巨大的作用。
在土石方作业中，挖掘机主要依靠其前端的斗轮旋转与臂架回转构成的复合运动不断将物料切下并装入轮斗后进行相关操作。挖掘机斗齿由铲头、铲座和环形卡子组成，斗齿在挖掘机不断的切下物料的过程中发挥着关键的作用。斗齿的主要功能是：（1）分离物料，斗齿刃口首先与矿物接触并分离物料，同时起导向作用以利装头；（2）保护铲车前壁，在挖掘中，物料对斗齿的冲击产生的凿削磨损使斗齿尺寸不断减少，从而保护了铲斗前壁并延长其使用寿命。
斗齿是在挖掘机采掘作业中磨损最严重的零件。其作业对象是矿石、砂土、岩石和土等，工况条件十分恶劣。在接触物料时,物料的快速运动使得斗齿受到强大的冲击作用,装入物料过程中又要承受一定的弯矩作用。在工作时,斗齿尖部受到物料强大的冲击滑动而磨损,通常出现各种犁沟、变形等,表面很容易由于磨损而脱落,所以斗齿的寿命往往很短，消耗量巨大。与此同时，因设备损坏停机、停产而造成的间接经济拟失更是巨大的和无法统计的，由此可见，我们有必要对斗齿的结构、材质、作用机理进行研究。提高斗齿的寿命，可以提高生产效率、降低成本和提高产品质量，具有重要的经济意义。
目前挖掘机斗齿多采用高锰钢和低合金钢。高锰钢虽然具有良好的韧性，但在冲击力不大的工作条件下，由于冲击力不足而不能产生加工硬化，使其耐磨性不能得到充分发挥，寿命较短。低合金耐磨钢是很有发展前途的一类耐磨材料，具有良好的综合性能，合金含量低，价格较低生产灵活方便。由于其化学成分、热处理工艺可在很大范围内变化，最终产品的机械性能指标差距很大，硬度为40-60HRC，冲击韧性为10-100J/cm2，因此可根据易损件的应用工况条件，分析其主要磨损机制，优化和选择合金钢的化学成分和机械性能，从而达到最经济合理的选用。采用低合金钢制造挖掘机斗齿值得大力研究。
发明内容
为克服已有技术的不足，本发明提供一种高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿，其制备材料为贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢，该挖掘机斗齿材料金相组织合理，工件综合性能优异，硬度高，耐磨性好，冲击韧性高，使用寿命长。
本发明提供的高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿，其制备材料为贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢，所述贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢的组成成分的质量百分数为：C:0.40-0.60、Si:0.60-1.2、Mn: 0.8-1.2、Cr:0.25-0.35、Mo:0.30-0.50、Cu:0.40-0.60、Re:0.2-0.3、P：0-0.01、S：0-0.01，其余为Fe和不可避免的杂质。
在上述化学成分中，C是通常钢中所采用的最廉价的强化元素。碳在钢中主要以固溶或生成碳化物的形式存在，碳化物可作为增强相增加钢的硬度和强度。
Mo元素主要作用是使贝氏体和珠光体转变曲线分离，同时提高贝氏体钢的淬透性；Cr元素和Mn元素可以与C元素形成多种碳化物，细化晶粒，提高贝氏体钢的耐磨性，同时降低Bs和Ms温度，提高贝氏体钢的淬透性；Mn还能起脱氧和脱硫作用，净化贝氏体钢；Si能阻止贝氏体转变过程中渗碳体析出，减少了过冷奥氏体中析出的碳化物量，在回火过程中，Si亦能阻止渗碳体从残余奥氏体中析出，提高残余奥氏体的稳定性；加入Cu元素，除了提高钢的淬透性外，还可以改善钢的耐腐蚀性；稀土（Re，全部稀土元素中的一种或多种）加入钢中具有脱氧脱硫和除气作用，还有加速凝固的形核作用，细化晶粒，减轻合金元素偏析，提高机械性能和耐磨性；P元素和S元素可使钢产生热脆和冷脆，因此应严格控制钢中P元素和S元素含量。
上述成分组成的贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢制备的挖掘机斗齿，是高硬度高韧性的挖掘机斗齿，表面硬度高，耐磨性好，内部结构又确保有良好的韧性，在受到冲击时能吸收更多的能量，提高抗冲击性，可提高其使用寿命。
本发明还提供一种上述高强韧性挖掘机斗齿的制备方法。
该方法包含下述步骤：
1）熔炼：碱性感应炉熔炼；
2）采用消失模铸造成型，浇注温度1560-1600℃；
3）浇注完成后待铸件冷却到800-900℃度时空冷至室温；
4）将所得的铸件加热到820-860℃进行奥氏体化；
5）然后放入淬火介质中淬火；
6）待铸件表面温度冷却至200-320℃时取出；
7）将铸件带温立即转入260-330℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间1-2h,然后取出空冷，得到所述的挖掘机斗齿。
进一步的改进在于：
在步骤4），加热升温速度为每分钟<5℃。
在步骤5），所述的淬火用淬火介质为有机溶液、无机水溶液或油类。
更进一步，在步骤5），淬火介质为浓度5-10%PAG淬火液。
奥氏体化后的铸件放入淬火介质中淬火，当其表面温度到一定温度时，就需要将铸件从淬火介质中取出，这个温度称为出液温度。出液温度需小于Ms温度，这是因为当高温奥氏体化的铸件快速淬入Ms点以下低温介质中，会产生许多小晶核，这些晶核是从面心立方母相中转变而来的体心立方，这种体心立方核胚可以作为贝氏体或马氏体的核心，但是要成为马氏体核心，必须提供较高的能量，需要更大的驱动力，因为Ms以下的淬火时间是短暂的，不可能提供足够大的动力，核胚来不及长大，也不可能形成大量马氏体，这些核胚和少量的马氏体在随后的Ms以上等温转变中，为贝氏体的形成提供了核心和基底，从而细化了贝氏体组织，加快了贝氏体相变速度，缩短了相变时间，因此硬度和韧性都较高。
本发明中，淬火介质选用依据是，当铸件在淬火介质中时，铸件应在C曲线鼻尖附近的温度范围内快冷，使奥氏体不发生珠光体转变。PAG淬火介质冷却速度介于N32号机械油和水之间，相比于水可避免淬裂等情况的发生，相比于油可提高铸件的硬度和强度。同时PAG淬火介质生产成本低，无闪点，不燃烧，无毒无气味，属于清洁环保产品。水溶性PAG淬火介质浓度优选为5-10%。从淬火介质取出后需快速放入保温炉中进行保温，以实现贝氏体等温转变。
本发明通过保温炉保温，维持出液后铸件的缓慢降温，然后形成从铸件内部到表面的合理的温度梯度，建立缓慢稳定的符合要求的降温速度，对保温温度进行有效的控制，从而实现奥氏体向贝氏体的等温转变，更有利于贝氏体组织的形成。这个过程中，表面产生下贝氏体、少量马氏体加合金碳化物，内部的奥氏体逐渐地转变为下贝氏体和上贝氏体，最终形成由里到外的组织为:上贝氏体加奥氏体—下贝氏体—表面为10-15%马氏体加下贝氏体加合金碳化物；这样的组织结构更为合理，且贝氏体组织均匀细小，表面硬度高、耐磨性好，内部的结构又能确保有良好的韧性，在受到冲击时能吸收更多的冲击能量，提高了抗冲击性。所以本发明所得到的挖掘机斗齿是贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢斗齿，综合性能优异。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
制备高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿的材料的贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢的组成成分的质量百分数为：C:0.5、Si:1.0、Mn: 0.9、Cr:0.3、Mo:0.4、Cu:0.5、Re:0.25、P：0.01、S：0.01，其余为Fe和不可避免的杂质。
用1t碱性感应炉熔炼。金属炉料为炼钢用生铁、回炉碳素钢、硅铁、铬铁、钼铁、废铜、稀土（Re，全部稀土元素中的一种或多种），其中的铁合金（硅铁、铬铁、钼铁）打碎后加入，粒度为10-20mm，按上述配方计算投料。采用消失模铸造成型，浇注温度1560-1600℃，浇注完成后待铸件冷却到800-900℃时扒出去壳进行空冷至室温。
将所得的铸件在加热设备中以每分钟4℃的速度升温至850℃进行奥氏体化，然后将铸件取出放入8%PAG淬火介质中淬火，当铸件表面温度冷却至为250℃时取出，迅速放入保温炉中，保温温度300℃时间，保温时间1h，随后取出空冷，得到所述的挖掘机斗齿。
将得到的挖掘机斗齿经取样处理后，用扫描电镜分析，表面组织为15%-25%的马氏体加下贝氏体加合金碳化物，贝氏体组织细小，里层组织为下贝氏体，心部组织为上贝氏体加下贝氏体。这种组织分布表面强度高、硬度好、耐磨，心部组织韧性好。测试结果为：表面硬度HRC49-55；冲击韧性达30-35J/cm2。
实施例2
制备高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿的材料的贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢的组成成分的质量百分数为：C:0.6、Si:0.6、Mn: 1.2、Cr:0.25、Mo:0.5、Cu:0.6、Re:0.3、P：0.01、S：0.01，其余为Fe和不可避免的杂质。
用1t碱性感应炉熔炼。金属炉料为炼钢用生铁、回炉碳素钢、硅铁、铬铁、钼铁、废铜、稀土（Re，全部稀土元素中的一种或多种），其中的铁合金（硅铁、铬铁、钼铁）打碎后加入，粒度为10-20mm，按上述配方计算投料。采用消失模铸造成型，浇注温度1560-1600℃，浇注完成后待铸件冷却到800-900℃时扒出去壳进行空冷至室温。
将所得的铸件在加热设备中以每分钟3℃的速度升温至850℃进行奥氏体化，然后将铸件取出放入5%PAG淬火介质中淬火，当铸件表面温度冷却至为300℃时取出，迅速放入保温炉中，保温温度300℃时间，保温时间2h，随后取出空冷，得到所述的挖掘机斗齿。
将得到的挖掘机斗齿经取样处理后，用扫描电镜分析，表面组织为15%-25%的马氏体加下贝氏体加合金碳化物，贝氏体组织细小，里层组织为下贝氏体，心部组织为上贝氏体加下贝氏体。这种组织分布表面强度高、硬度好、耐磨，心部组织韧性好。测试结果为：表面硬度HRC45-50；冲击韧性达33-40J/cm2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿，其特征在于：其制备材料为贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢，所述贝氏体/马氏体复相低合金耐磨钢的组成成分的质量百分数为：C:0.40-0.60、Si:0.60-1.2、Mn: 0.8-1.2、Cr:0.25-0.35、Mo:0.30-0.50、Cu:0.40-0.60、Re:0.2-0.3、P：0-0.01、S：0-0.01，其余为Fe和不可避免的杂质；
由包含下述步骤的方法制备：
1）熔炼：碱性感应炉熔炼；金属炉料包括炼钢用生铁、回炉碳素钢、硅铁、铬铁、钼铁、废铜、稀土，其中的铁合金打碎后加入，粒度为10-20mm，按配方计算投料；
2）采用消失模铸造成型，浇注温度1560-1600℃；
3）浇注完成后待铸件冷却到800-900℃时空冷至室温；
4）将所得的铸件加热到820-860℃进行奥氏体化；加热升温速度为每分钟<5℃；
5）然后放入淬火介质中淬火；
6）待铸件表面温度冷却至200-320℃时取出；
7）将铸件带温立即转入260-330℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间1-2h，然后取出空冷，得到所述的挖掘机斗齿。
2.根据权利要求1所述的高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿，其特征在于：在步骤5），所述的淬火用淬火介质为有机溶液、无机水溶液或油类。
3.根据权利要求1或2所述的高强韧性低合金耐磨钢挖掘机斗齿，其特征在于：在步骤5），淬火介质为浓度5-10%PAG淬火液。
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