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摘要：在挖掘机中挖掘机斗齿属于一种易磨损件，因此斗齿铸件工艺要求齿尖具有高的耐磨性、高硬度的要求，而其他的部位在强韧性方面具有较高的要求。采用真空熔模+钢丸激冷振动的复合工艺进行挖掘机斗齿制造，可以将具有高韧性和高强度的挖掘机斗齿制造出来。在对其进行热处理之后，与其他方法制造的斗齿产品相比，其具有明显更好的性能，能够达到50的硬度，21．3J•cm－2的冲击韧度，1673Mpa的抗拉强度，同时也形成了更多的马氏体组织。与其他普通熔模铸件相比，其具有高出70%的耐磨性。
关键词：挖掘机斗齿；真空熔模铸造；钢丸激冷振动
0.引言
在挖掘机和装载机中斗齿属于最为主要的一种损耗件，其在具体的作业过程中需要直接的接触矿物、砂、岩石、土等，由于其具有非常恶劣的工况条件，因此会产生非常严重的磨损和较大的消耗量。如何对挖掘机斗齿的生产新工艺进行大力的研究和开发，有效的降低由于磨损而导致的损失，确保挖掘机斗齿实现国产化，属于一个亟待解决的问题。挖掘机斗齿具有特殊的结构，因此并不适合采用砂型铸造的方式制造斗齿。相对于普通的水玻璃砂型铸件而言，通过消失模铸造工艺对低合金钢铸件进行生产，在铸件消除某些铸造缺陷、尺寸精度和表面粗糙度等方面具有较大的优越性，然而其同时也具有铸件夹渣和增碳等一系列的问题，最终进一步导致铸件质量受到了较大的影响。
1.挖掘机斗齿的试验设备和材料成分
以前的大型挖掘机大多都是采用高锰钢作为斗齿的制作材料。然而有一些工况本身具有较小的冲击荷载，因此无法将高锰钢加工硬化的特点充分的发挥出来，在挖掘机斗齿的生产中采用高锰钢具有不太理想的效果。在使用挖掘机斗齿的过程中，与高锰钢相比，采用同等成本制造出来的积碳合金钢具有高出2到4倍的耐磨性能。因此在高频率、高应力的冲击荷载磨粒摩擦磨损条件下低碳低合金耐磨钢属于一种比较理想的耐磨材料[1]。以30CrMnSiBRE的规范中的标准配料为根据设置挖掘机斗齿的配料，其主要质量分数如下：0．25%到0．29%的C；0.8%到1.1%的Si；1.0%到1.5%的Mn；0.8%到1.2%的Cr；0.01%到0.015%的RE；0.005%到0.007%的B；小于0.03%的S；小于0.04%的P。使用500千克中频炉对斗齿材料进行熔炼，并使用相应成分来配置配料。使用0.1千克硼铁和6千克高碳烙铁，291.2千克低碳废钢和0.74千克硅铁。将1千克稀土含量为30%的稀土硅加入100千克铁水之中，并进行熔炼。完成熔炼之后对其进行浇注，使其成为卡特345斗齿。浇注完成的斗齿的质量应该在27-28千克的范围内，并适应距离斗齿尖50毫米的切割试样作为材料的金相试样和力学性能试样[2]。
图1 卡特345斗齿示意图
运用10毫米×10毫米×5毫米的U型缺口试样来进行冲击试样，选择100KN的试样机，对试样的拉伸强度进行测试。硬度测量则使用电动洛氏硬度计，耐磨性能的测试则使用动载磨粒磨损试验机。在金相试样中主要使用百分之八的硝酸酒精溶液，并使用光学显微镜对显微组织进行显示。图1为卡特345斗齿示意图。
2.工艺流程
斗齿的主要制作工艺包括铸造熔模、真空浇注、钢丸激冷振动，在完整的生产工艺流程中，首先要设计和制作模具，然后再制作蜡模，进行面层涂料的涂刷，并加入砂和硬化剂，进行背层涂料的涂刷，同样加入砂和硬化剂。进而进行蒸汽脱蜡和烘干脱水，将其放进激冷箱里，并使用钢丸进行填充，将其放进负压箱内，进行覆膜，并将浇口杯安装上去，将空气抽出，并进行熔炼和浇注。完成上述过程之后就可以拆箱，并对其进行清理和热处理，最后将斗齿精整入库[3]。该工艺的制作原理如图2，其中1-11分别代表振动台、砂箱、平砂、钢丸、薄膜、熔模型壳、石棉布、激冷箱、抽气口、振动电机和橡胶弹簧。
2.1制壳工艺
制壳工艺主要使用水玻璃，在负压箱下埋设钢丸，然后进行浇注。首先要进行压蜡，也就是压制蜡模，压力为0.4-0.6MPa，并在冷水中对模具进行冷却，使蜡凝固，将蜡模取出后进行组树，并对浇注系统进行焊接。其次要制作型壳，主要过程包括涂面层涂料和撒砂，面层涂料使用石英粉，石英砂的目粒度为200-220。将其放置在结晶ALCI3溶液中，使其硬化。背层涂料选用高铝粉涂料，重复撒砂和硬化的程序，共重复4次。再次进行脱蜡，主要使用热水对型壳进行脱蜡，并使用烘干炉进行1小时的烘干，烘干温度为300摄氏度左右。最后进行装箱，在负压箱中放入激冷箱，然后进行填砂，并将薄膜盖放上去，将浇口杯安装上去。
2.2浇注工艺
配料熔炼要根据相应的配料比，将钢丸激冷和振动浇注工艺结合起来，对晶粒进行细化。浇注的温度范围为1560-1620摄氏度，出炉温度为1680摄氏度，通过抽真空保持0.45MPa的压力[4]。
2.3热处理
在进行热处理时，先将温度升至650摄氏度，然后再升至1050摄氏度，进行3-4小时的保温，再进行出炉水淬。在150-200摄氏度的回火温度中进行3小时的保温，就可以出炉并进行空冷。
图2 345斗齿复合浇注工艺原理示意图
3.试验结果分析
3.1挖掘机斗齿力学性能比较
对比和分析采用普通熔模铸造的工艺制造的斗齿2与采用熔模铸、真空浇筑以及钢丸激冷的淬火加回火热处理工艺处理之后的斗齿1，选择两种不同斗齿的相同部位进行取样，针对其进行冲击韧度和硬度等不同方面的测试，下表1为具体的测试结果。
通过表1我们可以发现，利用真空激冷工艺能够使冲击韧度得以强加，但是在抗拉强度和硬度方面具有不明显的变化。
3.2挖掘机斗齿的耐磨动载磨粒磨损试验机性能分析
通过动载磨粒磨损试验机对相关式样的耐磨性能进行测量，下表2为相关的参数。
采用一次拟合的方式，得出磨损量与时间的函数关系：
斗齿1：0．202481τ1=Δ1；斗齿2：0．343616τ2=Δ2
在该公式中：磨损量为Δ，单位为g；磨损时间为τ，单位为h。这样就能够将相对磨损性得出：η=0．343616/0．202481≈1.70。
3.3比较斗齿的金相组织
图3 斗齿1的金相组织示意图
在两个斗齿的相同部位各选取一块试样，其规格完全相同。对两块试样进行打磨和抛光，并使用百分之八的硝酸酒精对其进行腐蚀，将各自的金相组织得出来，分别为图3和图4。球状夹杂物、回火碳化物、少量残余奥氏体和板条马氏体是马氏体耐磨钢淬火回火组织的主要成分。
通过对图3和图4进行对比可以发现，铸件的耐磨性和硬度都有了显著的提高。这是由于钢丸激冷+真空浇注的复合工艺以及淬火回火热处理能够使铸件中的马氏体组织的比例提高。
图4斗齿2的金相组织示意图
比较其他铸造工艺和熔模铸造工艺可以发现，熔模铸造工艺具有更强的适应性，能够铸造薄壁、异形复杂小孔铸件，而且铸件具有更低的表面粗糙度和更高的尺寸精度。但是由于7-8层的制壳，型壳的强度会有所增加，而且耗能较大，工序时间较长。因此使用真空浇注能够对高温焙烧进行省略，使其经济效益提高。通过振动能够促进小的等轴晶的形成，使铸件的力学性能和密度也得到显著的提高。
4.结语
综上所述，综合使用熔模和真空浇注的复合工艺，并对铸件进行淬火回火处理，能够增加斗齿中的马氏体组织比例，并使斗齿的韧性和硬度都得到一定的提升，其抗拉强度、耐磨性均由于一般熔模铸件。
参考文献：
[1]孙方红,马壮,黄凤岐,董世知,赵斌.提高矿用挖掘机斗齿性能的研究进展[J].热加工工艺.2011(21).
[2]顾勇,袁鸿斌,吴小涛.斗齿模锻数值模拟关键问题的处理及实现[J].机械制造.2016(02).
论文作者:潘结春
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/12
标签：挖掘机论文; 铸件论文; 试样论文; 工艺论文; 金相论文; 磨损论文; 真空论文; 《基层建设》2016年11期论文;