一種高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒及其制備方法

　　【技術(shù)領(lǐng)域】

　　[0001]本發(fā)明涉及挖掘機(jī)斗齒，具體是一種高強(qiáng)韌性貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒及其制備方法。

　　【背景技術(shù)】

　　[0002]挖掘機(jī)是一種多用途土石方施工機(jī)械，主要進(jìn)行土石方挖掘、裝載，還可進(jìn)行土地平整、修坡、吊裝等作業(yè)。完成同樣的土石方工作量，采用挖掘機(jī)作業(yè)比用裝載機(jī)、推土機(jī)消耗的能量要少，且有的土石方施工，裝載機(jī)、推土機(jī)無法完成，所以挖掘機(jī)在公路、鐵路等道路施工、礦山開采，橋梁建設(shè)，城市建設(shè)、機(jī)場港口及水利施工中得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，挖掘機(jī)越來越在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中顯示出巨大的作用。

　　[0003]在土石方作業(yè)中，挖掘機(jī)主要依靠其前端的斗輪旋轉(zhuǎn)與臂架回轉(zhuǎn)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動不斷將物料切下并裝入輪斗后進(jìn)行相關(guān)操作。挖掘機(jī)斗齒由鏟頭、鏟座和環(huán)形卡子組成，斗齒在挖掘機(jī)不斷的切下物料的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。斗齒的主要功能是:(I)分離物料，斗齒刃口首先與礦物接觸并分離物料，同時起導(dǎo)向作用以利裝頭；(2)保護(hù)鏟車前壁，在挖掘中，物料對斗齒的沖擊產(chǎn)生的鑿削磨損使斗齒尺寸不斷減少，從而保護(hù)了鏟斗前壁并延長其使用壽命。

　　[0004]斗齒是在挖掘機(jī)采掘作業(yè)中磨損最嚴(yán)重的零件。其作業(yè)對象是礦石、砂土、巖石和土等，工況條件十分惡劣。在接觸物料時，物料的快速運(yùn)動使得斗齒受到強(qiáng)大的沖擊作用，裝入物料過程中又要承受一定的彎矩作用。在工作時，斗齒尖部受到物料強(qiáng)大的沖擊滑動而磨損，通常出現(xiàn)各種犁溝、變形等，表面很容易由于磨損而脫落，所以斗齒的壽命往往很短，消耗量巨大。與此同時，因設(shè)備損壞停機(jī)、停產(chǎn)而造成的間接經(jīng)濟(jì)擬失更是巨大的和無法統(tǒng)計(jì)的，由此可見，我們有必要對斗齒的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、作用機(jī)理進(jìn)行研究。提高斗齒的壽命，可以提尚生廣效率、降低成本和提尚廣品質(zhì)量，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

　　[0005]目前挖掘機(jī)斗齒多采用高錳鋼和低合金鋼。高錳鋼雖然具有良好的韌性，但在沖擊力不大的工作條件下，由于沖擊力不足而不能產(chǎn)生加工硬化，使其耐磨性不能得到充分發(fā)揮，壽命較短。低合金耐磨鋼是很有發(fā)展前途的一類耐磨材料，具有良好的綜合性能，合金含量低，價格較低生產(chǎn)靈活方便。由于其化學(xué)成分、熱處理工藝可在很大范圍內(nèi)變化，最終產(chǎn)品的機(jī)械性能指標(biāo)差距很大，硬度為40-60HRC，沖擊韌性為10-100J/Cm2，因此可根據(jù)易損件的應(yīng)用工況條件，分析其主要磨損機(jī)制，優(yōu)化和選擇合金鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能，從而達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理的選用。采用低合金鋼制造挖掘機(jī)斗齒值得大力研究。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0006]為克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒，其制備材料為貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼，該挖掘機(jī)斗齒材料金相組織合理，工件綜合性能優(yōu)異，硬度高，耐磨性好，沖擊韌性高，使用壽命長。

　　[0007]本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒，其制備材料為貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼，所述貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼的組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:c:0.40-0.60、S1:0.60-1.2、Μη: 0.8-1.2、Cr:0.25-0.35、Μο:0.30-0.50、Cu:0.40-0.60、Re:0.2-0.3、P:0-0.01、S:0-0.01，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0008]在上述化學(xué)成分中，C是通常鋼中所采用的最廉價的強(qiáng)化元素。碳在鋼中主要以固溶或生成碳化物的形式存在，碳化物可作為增強(qiáng)相增加鋼的硬度和強(qiáng)度。

　　[0009]Mo元素主要作用是使貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變曲線分離，同時提高貝氏體鋼的淬透性;Cr元素和Mn元素可以與C元素形成多種碳化物，細(xì)化晶粒，提高貝氏體鋼的耐磨性，同時降低Bs和Ms溫度，提高貝氏體鋼的淬透性;Mn還能起脫氧和脫硫作用，凈化貝氏體鋼;Si能阻止貝氏體轉(zhuǎn)變過程中滲碳體析出，減少了過冷奧氏體中析出的碳化物量，在回火過程中，Si亦能阻止?jié)B碳體從殘余奧氏體中析出，提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性;加入Cu元素，除了提高鋼的淬透性外，還可以改善鋼的耐腐蝕性;稀土 (Re，全部稀土元素中的一種或多種)加入鋼中具有脫氧脫硫和除氣作用，還有加速凝固的形核作用，細(xì)化晶粒，減輕合金元素偏析，提高機(jī)械性能和耐磨性;P元素和S元素可使鋼產(chǎn)生熱脆和冷脆，因此應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中P元素和S元素含量。

　　[0010]上述成分組成的貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼制備的挖掘機(jī)斗齒，是高硬度高韌性的挖掘機(jī)斗齒，表面硬度高，耐磨性好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)又確保有良好的韌性，在受到?jīng)_擊時能吸收更多的能量，提尚抗沖擊性，可提尚其使用壽命。

　　[0011]本發(fā)明還提供一種上述高強(qiáng)韌性挖掘機(jī)斗齒的制備方法。

　　[0012]該方法包含下述步驟:

　　1)熔煉:堿性感應(yīng)爐熔煉；

　　2)采用消失模鑄造成型，澆注溫度1560-1600°C;

　　3)澆注完成后待鑄件冷卻到800-900°C度時空冷至室溫；

　　4 )將所得的鑄件加熱到820-860 °C進(jìn)行奧氏體化；

　　5)然后放入淬火介質(zhì)中淬火；

　　6)待鑄件表面溫度冷卻至200-320°C時取出；

　　7)將鑄件帶溫立即轉(zhuǎn)入260-330°C保溫爐中進(jìn)行貝氏體等溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時間l_2h，然后取出空冷，得到所述的挖掘機(jī)斗齒。

　　[0013]進(jìn)一步的改進(jìn)在于:

　　在步驟4)，加熱升溫速度為每分鐘〈5 °C。

　　[0014]在步驟5)，所述的淬火用淬火介質(zhì)為有機(jī)溶液、無機(jī)水溶液或油類。

　　[0015]更進(jìn)一步，在步驟5)，淬火介質(zhì)為濃度5_10%PAG淬火液。

　　[0016]奧氏體化后的鑄件放入淬火介質(zhì)中淬火，當(dāng)其表面溫度到一定溫度時，就需要將鑄件從淬火介質(zhì)中取出，這個溫度稱為出液溫度。出液溫度需小于Ms溫度，這是因?yàn)楫?dāng)高溫奧氏體化的鑄件快速淬入Ms點(diǎn)以下低溫介質(zhì)中，會產(chǎn)生許多小晶核，這些晶核是從面心立方母相中轉(zhuǎn)變而來的體心立方，這種體心立方核胚可以作為貝氏體或馬氏體的核心，但是要成為馬氏體核心，必須提供較高的能量，需要更大的驅(qū)動力，因?yàn)镸s以下的淬火時間是短暫的，不可能提供足夠大的動力，核胚來不及長大，也不可能形成大量馬氏體，這些核胚和少量的馬氏體在隨后的Ms以上等溫轉(zhuǎn)變中，為貝氏體的形成提供了核心和基底，從而細(xì)化了貝氏體組織，加快了貝氏體相變速度，縮短了相變時間，因此硬度和韌性都較高。

　　[0017]本發(fā)明中，淬火介質(zhì)選用依據(jù)是，當(dāng)鑄件在淬火介質(zhì)中時，鑄件應(yīng)在C曲線鼻尖附近的溫度范圍內(nèi)快冷，使奧氏體不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。PAG淬火介質(zhì)冷卻速度介于N32號機(jī)械油和水之間，相比于水可避免淬裂等情況的發(fā)生，相比于油可提高鑄件的硬度和強(qiáng)度。同時PAG淬火介質(zhì)生產(chǎn)成本低，無閃點(diǎn)，不燃燒，無毒無氣味，屬于清潔環(huán)保產(chǎn)品。水溶性PAG淬火介質(zhì)濃度優(yōu)選為5-10%。從淬火介質(zhì)取出后需快速放入保溫爐中進(jìn)行保溫，以實(shí)現(xiàn)貝氏體等溫轉(zhuǎn)變。

　　[0018]本發(fā)明通過保溫爐保溫，維持出液后鑄件的緩慢降溫，然后形成從鑄件內(nèi)部到表面的合理的溫度梯度，建立緩慢

　　穩(wěn)定的符合要求的降溫速度，對保溫溫度進(jìn)行有效的控制，從而實(shí)現(xiàn)奧氏體向貝氏體的等溫轉(zhuǎn)變，更有利于貝氏體組織的形成。這個過程中，表面產(chǎn)生下貝氏體、少量馬氏體加合金碳化物，內(nèi)部的奧氏體逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w和上貝氏體，最終形成由里到外的組織為:上貝氏體加奧氏體一下貝氏體一表面為10-15%馬氏體加下貝氏體加合金碳化物;這樣的組織結(jié)構(gòu)更為合理，且貝氏體組織均勻細(xì)小，表面硬度高、耐磨性好，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)又能確保有良好的韌性，在受到?jīng)_擊時能吸收更多的沖擊能量，提高了抗沖擊性。所以本發(fā)明所得到的挖掘機(jī)斗齒是貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼斗齒，綜合性能優(yōu)異。

　　【具體實(shí)施方式】

　　[0019]以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

　　[0020]實(shí)施例1

　　制備高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒的材料的貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼的組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:(::0.5、51:1.0、]\111: 0.9、Cr:0.3、Mo:0.4、Cu:0.5、Re:0.25、P:0.01、S:0.01，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0021]用It堿性感應(yīng)爐熔煉。金屬爐料為煉鋼用生鐵、回爐碳素鋼、硅鐵、鉻鐵、鉬鐵、廢銅、稀土 (Re，全部稀土元素中的一種或多種)，其中的鐵合金(硅鐵、鉻鐵、鉬鐵)打碎后加入，粒度為10-20mm，按上述配方計(jì)算投料。采用消失模鑄造成型，澆注溫度1560-1600 V，澆注完成后待鑄件冷卻到800-900 °C時扒出去殼進(jìn)行空冷至室溫。

　　[0022]將所得的鑄件在加熱設(shè)備中以每分鐘4°C的速度升溫至850°C進(jìn)行奧氏體化，然后將鑄件取出放入8%PAG淬火介質(zhì)中淬火，當(dāng)鑄件表面溫度冷卻至為250°C時取出，迅速放入保溫爐中，保溫溫度300°C時間，保溫時間lh，隨后取出空冷，得到所述的挖掘機(jī)斗齒。

　　[0023]將得到的挖掘機(jī)斗齒經(jīng)取樣處理后，用掃描電鏡分析，表面組織為15%_25%的馬氏體加下貝氏體加合金碳化物，貝氏體組織細(xì)小，里層組織為下貝氏體，心部組織為上貝氏體加下貝氏體。這種組織分布表面強(qiáng)度高、硬度好、耐磨，心部組織韌性好。測試結(jié)果為:表面硬度HRC49-55 ；沖擊韌性達(dá)30-35J/cm2。

　　[0024]實(shí)施例2

　　制備高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒的材料的貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼的組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:(::0.6、51:0.6、]\111: 1.2、Cr:0.25、Mo:0.5、Cu:0.6、Re:0.3、P:

　　0.01、S:0.01，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0025]用It堿性感應(yīng)爐熔煉。金屬爐料為煉鋼用生鐵、回爐碳素鋼、硅鐵、鉻鐵、鉬鐵、廢銅、稀土 (Re，全部稀土元素中的一種或多種)，其中的鐵合金(硅鐵、鉻鐵、鉬鐵)打碎后加入，粒度為10-20mm，按上述配方計(jì)算投料。采用消失模鑄造成型，澆注溫度1560-1600 V，澆注完成后待鑄件冷卻到800-900 °C時扒出去殼進(jìn)行空冷至室溫。

　　[0026]將所得的鑄件在加熱設(shè)備中以每分鐘3°C的速度升溫至850°C進(jìn)行奧氏體化，然后將鑄件取出放入5%PAG淬火介質(zhì)中淬火，當(dāng)鑄件表面溫度冷卻至為300°C時取出，迅速放入保溫爐中，保溫溫度300°C時間，保溫時間2h，隨后取出空冷，得到所述的挖掘機(jī)斗齒。

　　[0027]將得到的挖掘機(jī)斗齒經(jīng)取樣處理后，用掃描電鏡分析，表面組織為15%_25%的馬氏體加下貝氏體加合金碳化物，貝氏體組織細(xì)小，里層組織為下貝氏體，心部組織為上貝氏體加下貝氏體。這種組織分布表面強(qiáng)度高、硬度好、耐磨，心部組織韌性好。測試結(jié)果為:表面硬度HRC45-50 ；沖擊韌性達(dá)33-40J/cm2。

　　[0028]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

　　【主權(quán)項(xiàng)】

　　1.一種高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒，其特征在于:其制備材料為貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼，所述貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼的組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:C:0.40-0.60、S1:0.60-1.2、Μη: 0.8-1.2、Cr:0.25-0.35、Μο:0.30-0.50、Cu:0.40-0.60、Re:0.2-0.3、P:0-0.01、S:0-0.01，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2.權(quán)利要求1所述的挖掘機(jī)斗齒的制備方法，其特征在于:包含下述步驟: 1)熔煉:堿性感應(yīng)爐熔煉;金屬爐料包括煉鋼用生鐵、回爐碳素鋼、硅鐵、鉻鐵、鉬鐵、廢銅、稀土，其中的鐵合金打碎后加入，粒度為10-20_，按配方計(jì)算投料， 2)采用消失模鑄造成型，澆注溫度1560-1600°C; 3)澆注完成后待鑄件冷卻到800-900°C度時空冷至室溫； 4 )將所得的鑄件加熱到820-860 °C進(jìn)行奧氏體化； 5)然后放入淬火介質(zhì)中淬火； 6)待鑄件表面溫度冷卻至200-320°C時取出； 7 )將鑄件帶溫立即轉(zhuǎn)入260-330 0C保溫爐中進(jìn)行貝氏體等溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時間I _2h，然后取出空冷，得到所述的挖掘機(jī)斗齒。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:在步驟4)，加熱升溫速度為每分鐘〈5Γ。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:在步驟5)，所述的淬火用淬火介質(zhì)為有機(jī)溶液、無機(jī)水溶液或油類。5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的制備方法，其特征在于:在步驟5)，淬火介質(zhì)為濃度5-10%PAG淬火液。

　　【專利摘要】本發(fā)明提供一種高強(qiáng)韌性低合金耐磨鋼挖掘機(jī)斗齒及其制備方法，其制備材料為貝氏體/馬氏體復(fù)相低合金耐磨鋼，組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：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，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其制備方法包含下述步驟：1）熔煉；2）采用消失模鑄造成型；3）澆注完成后待鑄件冷卻到800-900℃度時空冷至室溫；4）將所得的鑄件加熱到820-860℃進(jìn)行奧氏體化；5）淬火；6）待鑄件表面冷卻至200-320℃時取出；7）將鑄件帶溫立即轉(zhuǎn)入260-330℃保溫爐中進(jìn)行貝氏體等溫轉(zhuǎn)變，然后取出空冷。所得挖掘機(jī)斗齒表面硬度高、耐磨性好，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)又能確保有良好的韌性，在受到?jīng)_擊時能吸收更多的沖擊能量，提高了抗沖擊性。

　　【IPC分類】E02F9/28, C21D1/20, C22C38/04, C22C38/12, C22C38/18, C21D1/18, C22C38/16, C22C38/02

　　【公開號】CN105568142

　　【申請?zhí)枴緾N201610132310

　　【發(fā)明人】王榮, 高 浩, 李新凱, 鐘盛, 曲賓, 魏德強(qiáng), 張曉媛

　　【申請人】桂林電子科技大學(xué)

　　【公開日】2016年5月11日

　　【申請日】2016年3月9日