挖掘機廣泛用于采掘、土建、水利及國防工程,挖掘機斗齒是機上的重要部件,也是易損件。目前,我國約有二萬臺以上不同型號的挖掘機在不同工況下服務,其斗齒消耗量很大。一個大型水利工程或一個中等規(guī)模礦山,通常有十臺以上挖掘機處于使用狀態(tài),每年消耗的斗齒達數(shù)百萬噸,每噸在一萬以上。因此提高使用壽命,開發(fā)新型耐磨材料,減少磨損造成的損失,越來越受到重視。
國內(nèi)斗齒材料最常用的為高錳鋼(Mn13),高錳鋼水韌處理后的組織為單相奧氏體,在劇烈沖擊、擠壓負荷的反復作用下,具有加工硬化的特點。沖擊能量越大,硬化效果越好,但是如果加工硬化效果不充分,表面硬度偏低,耐磨性就差。近期研究發(fā)現(xiàn),在高沖擊應力狀況下,高錳鋼也非最優(yōu)秀的耐磨材料,因為在鑿削式磨損的工作狀況下,高錳鋼的加工 硬化峰不在最表層,而在亞表層,此處的組織脆化萌生裂紋會引起磨損表面的剝落。因此,高錳鋼適用于受到強烈沖擊的采掘工況,對既受沖擊又受磨粒磨損的軟介質(zhì)就不適用。
斗齒一般裝在挖掘機鏟斗的前端,系懸臂梁構件,直接與礦石、砂土、巖石等物料接觸。在接觸物料時,既承受沖擊作用,又承受彎矩作用。服役過程中,斗齒尖部受到較大的沖擊滑動磨粒磨損,尖部表面常出現(xiàn)各式犁溝、變形,造成表面磨損或脫落。某礦九十年代進口美國的斗齒,成本高,使用壽命大大超過國內(nèi)產(chǎn)品,且綜合性能好。因此,研究適合礦山挖掘工況條件下使用的耐磨鋼,是擺在材料工作者面前的一項重要任務。
材料設計
斗齒的抗磨性與力學性能、物理性能有所區(qū)別,不是單一性能,而是綜合性能;既受材料本身性能的影響,又受磨料性質(zhì)、工作介質(zhì)、工作條件的影響。
服役過程中,斗齒尖部受到較大的沖擊滑動磨粒磨損,尖部表面常出現(xiàn)各式犁溝、變形,造成表面磨損或脫落。因此,材料本身應具有相當高的強度、硬度,還必須具有足夠的塑性、韌性。板條馬氏體(位錯型馬氏體)既有相當高的強度、硬度又具有一定的塑性和韌性,其綜合性能較高。故板條馬氏體是軟質(zhì)工況斗齒材料的理想組織。
耐磨板的研究發(fā)展目標,應滿足使用工況條件,提高其耐磨性、強度及韌性。其設計準則中除滿足用戶的力學性能、焊接性能、抗應力、腐蝕、開裂性能等指標外,還應注意選取適宜的合金成分,達到如下要求: 足夠的淬透性以保證整個界面性能均勻;得到強而韌的板條馬氏體;Ms點不能壓得過低,以免淬火開裂;6s>980Ma,U>45%,AKu>39J,HR>C43;少用貴重元素以降低成本。
由于希望得到的組織為單一板條馬氏體,而鋼中含碳量0.25%才能得到單一板條馬氏體。另外,馬氏體的強度主要取決于其間隙固溶體的碳原子數(shù)。因此,耐磨板中含碳量應在0.20%~0.27%之間,以保證材料有足夠的強度。
為提高耐磨板的綜合性能及焊接、抗腐蝕等性能,應加入碳化物形成元素Cr、Mn、Mo。Cr、Mn、Mo還能提高材料的硬度和耐磨性。為提高耐磨板的韌性和淬透性還應加入Ni。故Cr、Mn、Mo、Ni為主加元素。但考慮成本,加入量不易過多。可以參考法鋼特種鋼材（上海）有限公司的進口耐磨鋼板JFE系列和DILLIDUR系列。