CN111411290B - 一种履带式工程机械用驱动轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种工程机械用驱动轮，被配置为将发动机的动力传递给履带，包括：驱动轮基体，外圆柱面构造有轮齿，所述轮齿与履带上的链轨节相啮合以传递动力；以及轮齿工作面，成型于所述轮齿的外表面；其中，所述驱动轮基体的重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质，该驱动轮基体的显微组织中存在弥散分布的球状石墨。基于此，本公开能够使得驱动轮在满足整体力学性能要求的前提下，具备更优的耐磨性能。
Description
技术领域
本公开涉及工程机械领域，尤其涉及一种履带式工程机械用驱动轮及其制备方法。
背景技术
驱动轮是履带式工程机械行走机构的重要部件，可将发动机产生的动力传递给履带，实现机械设备的移动。驱动轮轮齿工作时，多与履带链轨节销套直接接触，由于工程机械设备恶劣的工作环境，驱动轮轮齿与链轨节销套间易混入砂石、泥浆等，加速驱动轮轮齿的磨损，因此除良好的综合力学性能外，还要求驱动轮具有优异的耐磨性能。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种履带式工程机械用驱动轮及其制备方法，使得驱动轮在满足整体力学性能要求的前提下，具备更优的耐磨性能。
在本公开的一个方面，提供一种工程机械用驱动轮，被配置为将发动机的动力传递给履带，包括：
驱动轮基体，外圆柱面构造有轮齿，所述轮齿与履带上的链轨节相啮合以传递动力；以及
轮齿工作面，成型于所述轮齿的外表面；
其中，所述驱动轮基体的重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质，该驱动轮基体的显微组织中存在弥散分布的球状石墨。
在一些实施例中，该驱动轮基体的重量百分比组成还包括0.5wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～1.0wt％的Ni，和0.05wt％～0.15wt％的Mo。
在一些实施例中，该驱动轮基体的重量百分比组成包括3.5wt％～3.7wt％的C，2.8wt％～3.0wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，0.025wt％～0.030wt％的S，0.015wt％～0.025wt％的P，0.6wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～0.6wt％的Ni，0.08wt％～0.12wt％的Mo，不多于0.008～0.012wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质。
在一些实施例中，该驱动轮基体经热处理后获得贝氏体、奥氏体和球状石墨的复相组织，该驱动轮基体的抗拉强度Rm≥950MPa，条件屈服强度Rp0.2≥730MPa，无缺口冲击试样的冲击韧性≥110J/cm2。
在一些实施例中，所述驱动轮基体经退火处理后的铸态毛坯件的球化率为1～2级，球径大小4～7级。
在一些实施例中，该轮齿工作面经感应淬火处理后形成包括马氏体、球状石墨和残余奥氏体的复相组织，该轮齿工作面的硬度介于58HRC～63HRC，淬硬层深度介于3mm～8mm。
在本公开的另一个方面，提供一种工程机械用驱动轮的制备方法，包括以下步骤：
1)浇注毛坯：按照配比配料并熔化原料，经孕育、球化处理后，将熔化的原料浇注成型以获得驱动轮铸态毛坯件，该铸态毛坯件按重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，0.5wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～1.0wt％的Ni，和0.05wt％～0.15wt％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质；
2)粗加工：对铸态毛坯件进行粗加工；
3)退火处理：控制退火温度为880℃～920℃，保温时间120min～240min，随炉冷却至小于600℃后出炉空冷；
4)奥氏体化：加热奥氏体化温度为870℃～910℃，保温时间60min～90min；
5)等温淬火：利用硝盐或等温淬火液进行等温淬火，等温淬火温度为290℃～330℃，保温时间45min～90min；
6)低温回火处理：控制回火温度为185℃～220℃，保温时间90min～150min；
7)感应淬火处理：对轮齿工作面进行中频感应淬火处理；
8)精加工。
在一些实施例中，所述铸态毛坯件按重量百分比组成包括3.6wt％的C，2.9wt％的Si，0.15wt％的Mn，0.03wt％的S，0.02wt％的P，0.7wt％Cu，0.5wt％Ni，0.1wt％Mo，0.01wt％的Re，余量为Fe。
在一些实施例中，所述退火处理步骤中，控制退火温度为910℃，保温时间150min，所述奥氏体化步骤中，控制奥氏体化温度880℃，保温时间60min，所述等温淬火步骤中，控制等温淬火温度310℃，保温时间60min。
在一些实施例中，所述低温回火处理步骤中，控制回火温度200℃，保温时间120min。
因此，根据本公开实施例，能够使得驱动轮在满足整体力学性能要求的前提下，具备更优的耐磨性能。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是根据本公开一些实施例的驱动轮与履带啮合状态的结构示意图；
图2是根据本公开一些实施例的驱动轮的结构示意图；
图中：
1，驱动轮；11，驱动轮基体；12，轮齿工作面；2，履带；21，链轨节；22，链轨节衬套；23，链轨节销轴。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
申请人研究发现：
如图1～2所示，履带式工程机械行走机构用驱动轮在使用过程中需要与履带保持接触以传递动力，因此驱动轮的轮齿工作面与履带上的链轨节衬套和链轨节销轴处于滑动摩擦状态，对驱动轮的耐磨性要求较高。
相关的履带式工程机械行走机构用驱动轮多采用MnB钢，如35MnB、40MnB等，经铸造/锻造工艺成型，机械粗加工后，通过调质处理获得较优的整体综合力学性能，使得抗拉强度Rm≥930MPa，条件屈服强度Rp0.2≥730MPa(试样在加载过程中，标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距0.2％时的应力)，然后利用表面淬火处理，使驱动轮轮齿工作面表层硬度达到46HRC～56HRC，以此提升驱动轮轮齿的耐磨性能。
现有技术多通过感应淬火手段，在轮齿工作面形成一定深度的低碳马氏体层，增加轮齿工作面硬度，从而提升轮齿的耐磨性能。对于履带式工程机械行走机构用驱动轮，其轮齿与链轨节销套或其它对磨件相对运动时，接触面间应力大，无法润滑，且极易混入砂石、泥浆等硬质颗粒，这些都加剧了轮齿的磨损，对驱动轮轮齿的耐磨性能提出了更高要求。现有技术所选用的材质淬硬能力有限，难以通过工艺优化手段进一步提升工作面耐磨性能，从而满足市场日益严苛的性能要求。
针对以上技术问题，通常的耐磨性能提升思路包括：1)表面强化，即通过工作面表层复合高硬度、高耐磨的功能层以达到表层耐磨性能提升的目的，如表面复合硬质合金、陶瓷功能层等；2)摩擦学优化，该方法在轮齿工作面表面复合减摩、自润滑材料，降低接触面间的摩擦系数，从而降低轮齿工作面的磨损。
由于轮齿工作面尺寸复杂、复合层均匀性不足、结合力差，且成本高昂，因此通过现有技术很难在驱动轮轮齿上完成以上两种方法的改进提升。
针对于此，在本公开的一个方面，提供一种工程机械用驱动轮，被配置为将发动机的动力传递给履带，包括：
驱动轮基体，外圆柱面构造有轮齿，所述轮齿与履带上的链轨节相啮合以传递动力；以及
轮齿工作面，成型于所述轮齿的外表面；
其中，所述驱动轮基体的重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质，该驱动轮基体的显微组织中存在弥散分布的球状石墨。
本公开采用球墨铸铁进行驱动轮的制备，利用了球磨铸铁所具有的良好的抗接触疲劳磨损、黏着磨损和滑动磨损性能，特别是在干摩擦和润滑不良的情况下所具有的优异的耐磨性能。此外，还利用了球墨铸铁的密度低于钢，吸震降噪、阻碍裂纹扩展能力强等优点。
然而，常用的球磨铸铁牌号力学性能较低，难以满足驱动轮的工作要求。因此本公开通过调整球墨铸铁中的合金元素含量，可在保证铸件韧性的前提下，大幅度提升铸件的力学性能。
本公开严格控制Mn元素含量，从而避免Mn元素含量的增加对产品韧塑性的影响。并且适量加入Re元素，以改善组织，促进球化，有益于提高产品的韧塑性。
在一些实施例中，该驱动轮基体的重量百分比组成还包括0.5wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～1.0wt％的Ni，和0.05wt％～0.15wt％的Mo。
本公开通过适量加入Cu、Ni、Mo元素，利用了Cu、Mo元素可使等温淬火后获得的贝氏体组织增多，从而提高强度的特定，并利用了Ni元素可强烈稳定奥氏体组织，有益于提高球铁坯料的韧塑性的特定。但是，当Cu、Mo元素加入量过大时，会增加碳化物的析出从而降低韧塑性，而Ni元素加入量过大时，则不利于等温淬火处理时的贝氏体相转变。因此本公开通过优化Cu、Ni、Mo元素含量，有助于获得较优的强韧性
为了使驱动轮基体获得更优的耐磨性能与综合力学性能，在一些实施例中，该驱动轮基体的重量百分比组成包括3.5wt％～3.7wt％的C，2.8wt％～3.0wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，0.025wt％～0.030wt％的S，0.015wt％～0.025wt％的P，0.6wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～0.6wt％的Ni，0.08wt％～0.12wt％的Mo，不多于0.008～0.012wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质。
在一些实施例中，通过配比各元素含量，并采用适当的等温淬火工艺处理后，使驱动轮基体获得优异的综合力学性能：该驱动轮基体经热处理后获得贝氏体、奥氏体和球状石墨的复相组织，该驱动轮基体的抗拉强度Rm≥950MPa，条件屈服强度Rp0.2≥730MPa，无缺口冲击试样的冲击韧性≥110J/cm2。
在一些实施例中，为了使驱动轮基体获得更高的力学性能及更优的耐磨性能，所述驱动轮基体经退火处理后的铸态毛坯件的球化率为1～2级，球径大小4～7级。
在一些实施例中，该轮齿工作面经感应淬火处理后形成包括马氏体、球状石墨和残余奥氏体的复相组织，该轮齿工作面的硬度介于58HRC～63HRC，淬硬层深度介于3mm～8mm。
由此，本公开所提供的驱动轮的轮齿工作面硬度高：同样经感应淬火处理，由于元素含量的不同，淬硬能力也不同，本发明提供的驱动轮硬度更高，预期可表现出更优的耐磨性能。本公开所提供的驱动轮的轮齿工作面摩擦系数低：由于驱动轮的显微组织中存在大量弥散分布的球状石墨，具有良好的润滑性能，使得轮齿工作面具有较低的摩擦系数，有助于保护相互接触运动的零部件，进一步提升驱动轮的耐磨性能。
在本公开的另一个方面，提供一种工程机械用驱动轮的制备方法，包括以下步骤：
1)浇注毛坯：按照配比配料并熔化原料，经孕育、球化处理后，将熔化的原料浇注成型以获得驱动轮铸态毛坯件，该铸态毛坯件按重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，0.5wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～1.0wt％的Ni，和0.05wt％～0.15wt％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质；
2)粗加工：对铸态毛坯件进行粗加工；
3)退火处理：控制退火温度为880℃～920℃，保温时间120min～240min，随炉冷却至小于600℃后出炉空冷；
4)奥氏体化：加热奥氏体化温度为870℃～910℃，保温时间60min～90min；
5)等温淬火：利用硝盐或等温淬火液进行等温淬火，等温淬火温度为290℃～330℃，保温时间45min～90min；
6)低温回火处理：控制回火温度为185℃～220℃，保温时间90min～150min；
7)感应淬火处理：对轮齿工作面进行中频感应淬火处理；
8)精加工。
本公开提供的球墨铸铁驱动轮，其制备方法易实现，成本可控，在整体力学性能满足使用要求的前提下，获得了球墨铸铁优良的抗接触疲劳磨损、黏着磨损和滑动磨损性能，在润滑不良工况下耐磨性能优异，可大幅度提升履带式工程机械行走机构用驱动轮的耐磨性能和使用寿命。
在一些实施例中，所述铸态毛坯件按重量百分比组成包括3.6wt％的C，2.9wt％的Si，0.15wt％的Mn，0.03wt％的S，0.02wt％的P，0.7wt％Cu，0.5wt％Ni，0.1wt％Mo，0.01wt％的Re，余量为Fe。
在一些实施例中，所述退火处理步骤中，控制退火温度为910℃，保温时间150min，所述奥氏体化步骤中，控制奥氏体化温度880℃，保温时间60min，所述等温淬火步骤中，控制等温淬火温度310℃，保温时间60min。
在一些实施例中，所述低温回火处理步骤中，控制回火温度200℃，保温时间120min。
具体实施例1：本公开所提供的驱动轮，以质量百分比计，其元素组分为，C：3.6wt％，Si：2.9wt％，Mn：0.15wt％，S：0.03wt％，P：0.02wt％，Cu：0.7wt％，Ni：0.5wt％，Mo：0.1wt％，Re：0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
原材料浇铸成型后，经910℃保温150min退火，冷却并粗加工后进行奥氏体化和等温淬火处理；奥氏体化温度880℃，保温时间60min，利用硝盐或等温淬火液进行等温淬火温度310℃，保温时间60min；随后进行回火处理，回火温度200℃，保温时间120min。经以上热处理工艺处理后，所述球墨铸铁驱动轮可获得贝氏体+奥氏体+球状石墨复相组织，整体力学性能优异，Rm≥950MPa，Rp0.2≥730MPa，无缺口冲击试样的冲击韧性≥110J/cm2，满足履带式工程机械行走机构用驱动轮的力学性能要求。
为提高所述驱动轮轮齿的耐磨性能，对驱动轮的轮齿工作面进行中频感应淬火处理，使轮齿工作面获得马氏体+球状石墨+残余奥氏体的复相组织，完成精加工并探伤检验后，按要求喷丸、涂装获得最终成品驱动轮。
对上述方法获得的驱动轮进行显微组织观察，其基体组织主要由贝氏体+奥氏体+球状石墨组成，球化率2级，球径大小5级，Rm＝1070MPa，Rp0.2＝810MPa，无缺口冲击试样的冲击韧性达125J/cm2。轮齿工作面显微组织主要为马氏体+球状石墨+残余奥氏体，硬度58HRC～61HRC，淬硬层深度3mm～5mm。
该实施例获得的驱动轮整体力学性能优异，满足履带式工程机械对驱动轮的力学性能要求，采用的球墨铸铁材质抗接触疲劳磨损、黏着磨损和滑动磨损性能优异，特别适用于润滑不良的零部件，经感应淬火处理后获得了较高的工作面硬度。在6吨挖掘机上装机应用时，表现出较优的耐磨性能，较常规中碳合金钢驱动轮的耐磨性能提升70％以上。
因此，根据本公开实施例，能够使得驱动轮在满足整体力学性能要求的前提下，具备更优的耐磨性能。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种履带式工程机械用驱动轮的制备方法，其特征在于，所述履带式工程机械用驱动轮被配置为将发动机的动力传递给履带，且包括：驱动轮基体，外圆柱面构造有轮齿，所述轮齿与履带上的链轨节相啮合以传递动力；以及轮齿工作面，成型于所述轮齿的外表面；所述制备方法包括以下步骤：
1)浇注毛坯：按照配比配料并熔化原料，经孕育、球化处理后，将熔化的原料浇注成型以获得驱动轮铸态毛坯件，该铸态毛坯件按重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，0.5wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～1.0wt％的Ni，和0.05wt％～0.15wt％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质；
2)粗加工：对铸态毛坯件进行粗加工；
3)退火处理：控制退火温度为880℃～920℃，保温时间120min～240min，随炉冷却至小于600℃后出炉空冷；
4)奥氏体化：加热奥氏体化温度为870℃～910℃，保温时间60min～90min；
5)等温淬火：利用硝盐或等温淬火液进行等温淬火，等温淬火温度为290℃～330℃，保温时间45min～90min；
6)低温回火处理：控制回火温度为185℃～220℃，保温时间90min～150min；
7)感应淬火处理：对轮齿工作面进行中频感应淬火处理；
8)精加工。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述铸态毛坯件按重量百分比组成包括3.6wt％的C，2.9wt％的Si，0.15wt％的Mn，0.03wt％的S，0.02wt％的P，0.7wt％Cu，0.5wt％Ni，0.1wt％Mo，0.01wt％的Re，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述退火处理步骤中，控制退火温度为910℃，保温时间150min，所述奥氏体化步骤中，控制奥氏体化温度880℃，保温时间60min，所述等温淬火步骤中，控制等温淬火温度310℃，保温时间60min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述低温回火处理步骤中，控制回火温度200℃，保温时间120min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述驱动轮基体的重量百分比组成包括3.2wt％～3.8wt％的C，2.7wt％～3.2wt％的Si，不多于0.3wt％的Mn，不多于0.03wt％的S，不多于0.03wt％的P，不多于0.03wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质，该驱动轮基体的显微组织中存在弥散分布的球状石墨；
该驱动轮基体经热处理后获得贝氏体、奥氏体和球状石墨的复相组织，该驱动轮基体的抗拉强度Rm≥950MPa，条件屈服强度Rp0.2≥730MPa，无缺口冲击试样的冲击韧性≥110J/cm2；该轮齿工作面经感应淬火处理后形成包括马氏体、球状石墨和残余奥氏体的复相组织，该轮齿工作面的硬度介于58HRC～63HRC，淬硬层深度介于3mm～8mm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，该驱动轮基体的重量百分比组成还包括0.5wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～1.0wt％的Ni，和0.05wt％～0.15wt％的Mo。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，该驱动轮基体的重量百分比组成包括3.5wt％～3.7wt％的C，2.8wt％～3.0wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，0.025wt％～0.030wt％的S，0.015wt％～0.025wt％的P，0.6wt％～0.8wt％的Cu，0.5wt％～0.6wt％的Ni，0.08wt％～0.12wt％的Mo，0.008～0.012wt％的Re，余量为Fe和不可避免的杂质。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述驱动轮基体经退火处理后的铸态毛坯件的球化率为1～2级，球径大小4～7级。
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