新型耐磨铲齿的开发与应用

作者：信息来源:模具 2008-6-9

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摘要: 在ZGMn13材料的基础上，通过合金化处理，调整成分，采用合理的热处理工艺提高材料的耐磨性，同时改变铲齿的形状，延长使用寿命，新型铲齿比原有的使用寿命提高122。关键词：高锰钢。铲齿形状文献标识码： A文章编号：1000-8365（1999）03-0003-04Development and ...

摘要: 在ZGMn13材料的基础上，通过合金化处理，调整成分，采用合理的热处理工艺提高材料的耐磨性，同时改变铲齿的形状，延使用寿命，新型铲齿比原有的使用寿命提高122.5%。
关键词： 高锰钢；合金化；热处理；铲齿形状
文献标识码： A　　文章编号：1000-8365（1999）03-0003-04

Development and Application of New-style Wear-Resistant Dipper Tooth

LIU Zhong-hai¹，SHAN Yi-ying¹,WANG Yu-ling¹，WANG Jie-min²
(1.Institute of Metal Metallurgy, Chinese Academy Sciences,Beijing 110015, China;2.Shenyang Cement Mechanical Factory, Shenyang 110025, China)

Abstract： On the basis of the hadfield steel, new-style wear-resistant dipper tooth which had improved wear-life by 122.5% over the original dipper tooth was developed by adjusting composition of the high manganese steel and adapting stationary heat-treatment for improving wear properties. Meanwhile changing the the shape of orginal dipper tooth for increasing the service life.
Key words: High-manganese steel;Alloy-treatment;Heat-treatment;form of dipper tooth

　　目前，我约有2万台以上不同型号的挖掘机在不同的工况条件下服役。铲齿挖掘机工作的主要磨损件，一个中等规模的矿山每年消耗铲齿近百吨，价值80～100万元，如果矿石的普氏硬度16～18,铲齿的消耗量还要大，因此进一步提高铲齿的使用寿命具有十分重要的意义。
　　“过铁”是矿山在倒料过程中时常发生的现象，主要是装载设备的零部件脱落或废旧钢铁进入料石中，随矿料被装入运载车或传送带，再进入破碎设备，造成颚板或破碎壁破碎，甚至使传动轴弯曲，造成巨大的经济损失，是矿石破碎过程中绝不可以发生的事故，如铲齿品质不好，挖矿或装料过程中断裂，特别是在夜间作业，极易引起过铁。

1　设计思路

　　高锰钢广泛用于冶金、矿山、建材、电力机械、铁路运输、煤炭工程机械等部门，主要是由于它有良好的加工硬化性能，在冲击磨料磨损的工况条件下有较高的耐磨性，其它材料无法与之比拟。因此自高锰钢问世100年来，虽然不断地研制和使用一些新的耐磨材料，如近几年出现的低合金钢ZG42Cr2MnSi2MoCe、ZG40CrMn2SiMo、ZG35Cr2MnSiMoRe等及高铬铸铁与铸钢等，在某些工况条件下大有取代传统ZGMn13之势，但就承受强冲击耐磨金属材料来讲，高锰钢仍占有重要的位置。仍在发挥它的作用，是其它合金耐磨材料无可代替的。同时在高锰钢的化学成分、组织和性能的研究方面不断地进化，生产工艺也不断地改进，以适应不同程度、不同角度的冲击磨料磨损，不断地提高其耐磨性^［1］。
　　我国每年生产几十万吨高锰钢，目前无论是在高锰钢的冶炼、铸造、热处理等工艺方面及高锰钢的品质检验等方面都存在不少问题。如何根据高锰钢的性能、特点和工作条件，选择化学成分，确定组织和性能；如何提高高锰钢铸件的品质和进一步提高耐磨性；如何制定合理的生产工艺，减少材料和能源的消耗等。都涉及生产者和使用者的经济效益，都是目前生产中迫切需要解决的问题^［2］。
　　在确保不断齿过铁的条件下，提高原有铲齿一倍的使用寿命，预订对铲齿制造采用如下方案：
1.1　铲齿的成分选择
　　根据资料［3］介绍，在高锰钢中加入合金元素，如Cr、Ni、Mo、V、Ti等，些元素的碳化物，如合金渗碳体及特殊化合物，经过固溶处理弥散分布在奥氏体的基体中，这些弥散分布的碳化物强化奥氏体的基体，提高了材料的耐磨性，同时，这些碳化物质点在铸件的凝固过程中形核，阻止枝状晶的长大，细化了高锰钢的铸态组织，特别是在高锰钢的热处理过程中明显细化晶粒，提高了钢的强韧性和耐磨性。在诸多元素中，V和Ti的碳氮化合物有强烈的形核作用；V和Ti的共同加入，明显提高高锰钢的屈服强度及原始硬度，经变形硬化后可得到较高的硬度。另外坚硬而难溶的V、Ti碳氮化物分布于奥氏体的基体中，提高了钢的抗磨料磨损能力。特别是高冲击磨料磨损的耐磨性，铲齿的成分选择，见表1。

表1　铲齿的化学成分
Tab.1　Composition of dipper tooth　%

CSiMnPVTi1.15～1.350.4～0.712～14＜0.07——

1.2　热处理工艺的选择
　　由于合金元素V、Ti的加入，适当改变其传统的水韧处理工艺：1 050～1 100 ℃保温水冷。为了充分的改变铸态组织，充分发挥V、Ti高熔点碳化物的强化作用，预采用2个阶段热处理：
　　(1) 改变铸态组织，将铸态的铲齿加热到950～980 ℃保温，空冷至＜200 ℃
　　(2) 固溶处理，重新加热至1 080～1 120 ℃，水冷固溶。
　　第一阶段：基本上改变了铸态组织，使奥氏体成分更均匀。在空冷过程中，奥氏体通过共析转变温度范围时，奥氏体发生分解，有碳化物析出。
　　第二阶段：从低温再加热升温过程中，奥氏体发生再结晶，组织有所细化，原奥氏体中脱溶析出的碳化物和共析组织中的碳化物，由于含有V、Ti，溶解温度高，在升温过程中保存下来，最终形成细化的奥氏体组织且其中有弥散分布的碳化物，这种组织对提高材料的强韧性及加工硬化性能有很大的影响，提高V、Ti高锰钢的耐磨性。
1.3　铲齿形状的改变
　　根据铲齿的工作受力状况，其主要磨损的部位是尖部和上、下2个表面，据此改变其原有的形状，即在上、下表面采用凹型表面设计，把节约下来的材料用于增加铲齿的尖部，即增加有效长度。一方面，增加了铲齿的长度而延长了使用寿命。另一方面，两侧凸棱的存在增加了铲齿在使用过程中矿石对凸棱加工硬化作用力，提高上、下表面耐磨性，如图1(a)(b)所示。

2　实验过程
2.1　冶炼
　　用500 kg感应电炉进行共熔法熔炼，浇注铲齿及拉力和冲击试样，其操作要点如下：
　　(1) 装料　在炉底按一定比例铺一层石灰，然后按规定配料、装料。Mn、C成分要下限，P＜0.070%，炉底加1%～2%石灰石。
　　(2) 熔化期　尽可能大功率送电，熔清后扒渣。

图1　改进前后的斗齿结构示意图
Fig.1　Sketch map the original and after improve of dipper tooth

　　(3) 取样分析　扒渣后，炉前取分析样，分析C、Mn、P。
　　(4) 扩散脱氧还原　加入FeSi粉和SiCa粉及电石造白渣。
　　(5) 合金化　加入锰铁、钒铁，调整C、Mn、V含量，进一步扩散脱氧。
　　(6) 终脱氧　加Al或复合脱氧剂(1.0～1.5 kg/t)，调整出钢温度。
　　(7) 采用钢包加Ti。
2.2　铸造
　　(1) 采用金属砂箱，手工造型。
　　(2) 潮模铸造，内涂涂料。
　　(3) 抬包浇注，浇注温度控制在1 400～1 450 ℃。
　　(4) 机械落砂，预除冒口。
2.3　热处理
2.3.1　热处理工艺的选择
　　据有关文献，高锰钢在加热过程中，在400～700 ℃时，碳化物不断的析出和长大，700～900 ℃时碳化物逐渐溶解，加热至950 ℃以上时，即使晶界上残余的碳化物也会全部溶解。对于加钒、钛的高锰钢，由于难溶的碳化物的存在，有必要提高其固溶温度，试验过程如下：取两组拉力试样，处理及结果，见表2。室温拉力及布氏硬度测试结果，从表2可以看出，980 ℃空冷后，1 080 ℃水淬，其抗拉强度和硬度平均值均较高。
2.3.2　热处理工艺
　　采用高温电阻炉加热，随炉升温，加热速度80 ℃/h（＜700 ℃)～150 ℃/h(＞700 ℃)，到温后保温时间4～5 h，水淬后水温不超过60 ℃。加热过程及加热温度，如图2所示。
2.4　喷丸强化及表面处理

表2　热处理工艺及性能
Tab.2　Heat treatment technique and properties

编号热处理工艺机械性能(室温)抗拉强度/MPa硬度/HB1组：(1—1)/(1—2)930 ℃×45 mm，空冷
再加热1 080 ℃×45 min，水淬795
785198
2462组：(2—1)/(2—2)980 ℃×45 min,空冷
再加热1 080 ℃×45 min，水淬840
785234
239

图2　热处理加热过程
Fig.2　Heat treatment technique

　　通过喷丸处理达到清洁表面及加工预硬化的目的。

3　实验结果
3.1　成分分析，见表3。

表3　化学成分　Tab.3　Chemical composition　%

CSiMnSPVTi1.250.4013.700.0140.060——

3.2　机械性能及拉伸断口形貌分析
3.2.1　同普通ZGMn13机械性能相比，见表4。

表4　两种材质的机械性能对比
Tab.4　Compare between two type meterial and properties

种类机械性能屈服值
MPa强度值
MPa延伸率
δ/%硬度
HB冲击值
α_K /(J.cm^-2)ZGMn1340674033189267ZGMn13VTi47281832321129

3.2.2　同普通ZGMn13的拉伸断口相比，见图3。
　　从图3断口形貌可以看出，V、Ti的加入抑制了柱
状晶的长大，细化了晶粒组织，断口由片层状变成纤维状撕裂，其中夹杂物能谱分析，如图4所示。
3.2.3　金相及夹杂物
　　图5金相可以看出其组织为奥氏体基体上分布碳化物。
3.3　现场使用结果
　　经过两套铲齿的矿山现场挖掘矿石实验，使用性能基本稳定，无“断齿”现象，单齿平均使用寿命约为原来ZGMn13使用寿命的2.225倍(2.06～2.39)，达到矿山公司对此试验的要求。平均使用寿命，见表5。

ZGMn13拉伸断口　　　　ZGMn13VTi拉伸断口

图3　Mn13和Mn13VTi试样拉伸断口对比

Fig.3　Compare fractographs of ZGMn13 and ZGMn13VTi after tensile testing at 250 ℃

图4　夹杂物能谱分析
Fig.4　Spectral energy analyses of inclusion

图5　ZGMn13VTi金相组织　×320

Fig.5　Optical micrograph of ZGMn13VTi　×320

4　经济效益分析

　　以弓长岭露天矿为例，通过比较新与旧挖掘机铲齿的价格和使用寿命，测算使用新型铲齿经济效益；弓长岭露天矿年采矿能力440万吨，采剥总量1 850 万吨，4 m³挖掘机31台，使用普通高锰钢铲齿约1 000个，每只铲齿质量125 kg，共需125 t，若每吨铲齿铸件价格8 040 元/t，则所需费用100.5万元。采用新型铲齿，需使用450 个，铲齿铸件56.25 t，新型铲齿售价比普通铲齿价格仅提高1/3，即10 720 元/t，则所需费用约60.3万，仅铲齿一项为弓长岭露天矿节约费用40.2万元/年。

表5　2种铲齿使用寿命对比
Tab.5　Comparision on the service life of two type dipper tooth

<DIV align=left>铲齿类型使用时间单齿平均挖矿量/t原有ZGMn13铲齿约2周8 880～10 280新型铲齿约40天21 200

　　若以全国用量计算，2万台挖掘机约用铲齿64万个/a，采用新型铲齿节约费用3.0亿元/a，可见经济效益是巨大的。

5　总结

　　所研制的新一代挖掘机铲齿主要是针对4 m³挖掘机矿山作业，挖掘矿石，以适应恶劣的作业条件，满足铲齿的韧性、强度和耐磨性的使用要求。
　　通过调研，现场考察、实验分析，要想在保证不断齿的情况下，提高铲齿的使用寿命，只有在ZGMn13材料的基础上，通过合金化处理，调整成分，改变热处理工艺，提高材料的耐磨性及改变铲齿的形状，延长使用寿命。同时钒、钛的加入增加了高锰钢的铸造工艺，减小了废品率，减少了使用过程中的铲齿断裂造成的过铁现象。新型铲齿比普通铲齿使用寿命提高122.5%。

科研项目：辽宁省科委攻关项目
作者简介： 刘忠海(1966-　)，男，满族，辽宁黑山，工程师、硕士，发表论文3篇.
作者单位:刘忠海　单以银王毓麟　中国科学院金属研究所，北京市 110015
　　　　　汪解民　沈阳水泥机械厂，辽宁沈阳 110025