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挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究实验 摘要 带碳化物的等温淬火球墨铸铁( c a r b d i ca u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ，简称 c a d i ) ，具有优异的综合力学性能，是铸铁在强韧化进程中取得重大突破 的一种新型金属材料。根据c a d i 的性能优势，可以用其制造汽车、柴油 机和工程机等机械上的一些要求高强度、较高疲劳性能同时兼顾一定韧性 和良好耐磨性的零部件。对此，广西玉柴机器股份有限公司联合配件公司 等共同对c a d i 材料进行了基础研究，并选用挖掘机斗齿做试制性试验研 究。 实验中通过加入不同配比的合金元素来调整化学成分，探索一定成分 及金相组织的球铁进行等温淬火时的性能与工艺的关系，从而优化能获得 预期性能的热处理工艺。 针对c a d i 材料挖掘机斗齿的试验研究是非常必要的。通过数据分析 为今后挖掘机斗齿新材料的更换选择决策提供了参考依据，为公司新产品 开发提供了重要的参考价值。开发斗齿新材料，不但减少了因磨损而造成 的损失，并且提高了斗齿性能的可靠性和竞争力，对实现国产化，具有重 要的经济意义。 关键词：挖掘机斗齿等温淬火奥贝球铁疲劳性能 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nn e wa d im 队t e r i a lu s e da s g r a bt u b et o o t h a bs t r a c t 1 1 1 ec a r b d i c a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ( c a d i ) m a t e r i a l h a sp e r f e c t c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t y i ti s an e wt y p eo fm e t a l l i cm a t e r i a li n p r o c e s so fi m p r o v i n gt h ec a s ti r o n st e n s i o na n dt e n a c i t y a c c o r d i n gt ot h e c a d i ss u p e r i o r i t yp r o p e r t y ，i tc a nb eu s e da s s p a r ep a r t sw h i c hh a v eh i g h t e n s i o n ，g o o d a b r a s i o nr e s i s t a n c ea n dh i g h f a t i g u ep r o p e r t y i n m a c h i n e r y i n d u s t r ys u c ha sc a r , d i e s e le n g i n ea n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g t h u s ，g u a n g x i y u c h a im a c h i n e r yc o ，l t d c o o p e r a t e sw i t hu n i t i n ga c c e s s o r yc o m p a n yi n b a s i cr e s e a r c ho nt h ec a d im a t e r i a lu s e da st h e 铲a bt u b et o o t h a no p t i m i z a t i o no fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa i m i n gt oa n t i c i p a t e dp r o p e r t i e s w a sc a r d e do u tb ye x p l o r i n gt h em u t u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o p e r t i e sa n d p r o c e s sf o rt h ec a d im a t e r i a lt h eg i v e nc h e m i s t r ya n dm i c r o s t r u c t u r e sd u r i n g a u s t e p e r i n gi nt e r m so fa l l o y i n ge l e m e n t c o n c e n t r a t i o n i t s i m p o r t a n tt os t u d yt h ec a d im a t e r i a lu s e da sg r a bt u b et o o t h s i t p r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ef o rr e p l a c i n gt h em a t e r i a lo ft h eg r a bt u b et o o t h ，a n d d e v e l o p i n gn e wp r o d u c t sf o ro u rc o m p a n y w ec a nr e d u c et h ea b r a s i o nl o s i n g ， a n di m p r o v et h et u b et o o t h s r e l i a b i l i t ya n dc o m p e t i t i o nb yd e v e l o p i n gn e w m e t a l l i cm a t e r i a l s k e yw o r d s ：g r a bt u b et o o t h ； a u s t e m p e r i n g ；a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ； f a t i g u ep r o p e r t y - - 西大掌工程硕- - a = w - 业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 1 1 概述 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 图1 1 玉柴重工某型号挖掘机 f i g 1 1t h ee x c a v a t o ro f y c 挖掘机作为一种“机、电、液”一体化的工程机械，广泛应用于采掘、土建、电力、 水利及国防等领域。斗齿是挖掘机上的重要易耗部件，因其在作业过程中直接与砂、 土、岩石等接触，工作条件恶劣，使用寿命短，更换十分频繁。目前，我国约有2 万台以 上不同型号的挖掘机在不同工况下服役，其斗齿消耗量很大。例如一个大型的水利工程 或一个中等规模的矿山，通常都有1 0 台以上的挖掘机处于使用状态，每年消耗的斗齿价 值都在百万元以上【l 】。耐磨材料在冶金矿山等工业领域整个能量和经济成本的消耗中占 有相当大的比例。据国内不完全统计【2 】，仅破碎设备及采掘机斗齿、渣浆泵等损失，每年 不少于7 0 亿。美国每年的磨损损失近1 2 0 0 亿美元，约占国民经济的4 左右。 由此可见，如何提高冶金、矿山等工业领域的易损件使用寿命，降低生产成本，一直 是国内外研究和生产企业所重视的课题。所以如何改善和提高挖掘机斗齿的使用寿命， 开发和研制新型斗齿的耐磨材料，减少磨损造成的损失，越来越受到人们的重视。 广西大掌工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 1 1 2 斗齿的有关规定 1 1 2 1 斗齿组成 斗齿是由齿尖、齿座和齿销组成的。斗齿各部分金相组织要求见表1 1 。 表1 1 斗齿各部分金相组织要求 种类金相组织 l 齿 2 回火马氏体。允许存在少量分散的铁素体，但不允许有网状铁素体存在。 全部为奥氏体组织。允许存在少量分散的碳化物，但在晶界处不允许有连续网状 尖3 碳化物存在。奥氏体晶粒度不小于2 级。 4 回火马氏体。允许存在少量分散的铁素体，但不允许有网状铁素体存在。 齿座回火屈氏体。不允许有网状组织存在。 齿销 回火索氏体 1 1 2 2 斗齿齿尖的分类及应用 根据液压挖掘机工况条件的不同，斗齿齿尖町分为1 、2 、3 、4 四种，其特点和应用 范围见表1 2 ，其机械性能见表1 3 。 表1 2 斗齿齿尖特点和应用范围 种类特点应用范围 1 硬度、冲击韧性适中 一般工况条件 2 硬度高、冲击韧性适中用于冲击不很严重的磨损型工况条件 起始硬度低、冲击韧性高且具有加工硬化 3 用于冲击严重的工况条件 作用 4 高硬度、高冲击韧性用于磨损、冲击均很严重的工况条件 表1 3 斗齿齿尖机械。i 生能( j g t5 0 0 1 9 2 ) 机械性能指标 种类 屈服强度o 。抗拉强度吼 断面收缩率 冲击韧性酞 表面硬度延伸率6 、| 基 ( n m m 2 )( n m m 2 ) 、i ，u 1h r c4 4 4 8| 1 1 0 0 | 三2 0 2h r c4 6 5 2f兰1 2 0 0三2 0 齿尖 3 h b1 7 9 2 3 0 _ 3 0 0 6 4 0 三2 5 2 5 三1 5 0 4h r c4 6 5 2 1 2 0 0 | 3 5 1 1 3 挖掘机斗齿材料应用现状 目前，国内最常用的斗齿材料为高锰钢( z g m n l 3 ) 。高锰钢水韧处理后的组织为单 相奥氏体( a u s t i n i t e ，标记为”a ”) ：在强烈冲击、挤压载荷的反复作用下具有加工硬化的特 点，并且冲击能量越大，硬化效果越好。但是如果加工硬化效果不充分，表面硬度就偏低， 其耐磨性就差。近期研究还发现，即使在高冲击应力状况下，高锰钢也并非是最优秀的耐 磨材料。因为在凿削式磨损的工况下，高锰钢的加工硬化峰不是在最表层，而在亚表层， 广西大掌工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 此处的组织脆化萌生裂纹会引起磨损表面的剥落【3 】。因此，高锰钢适合于受到强烈冲击的 采掘工况，而对既受冲击又受磨粒磨损的软介质就不适用。斗齿是悬臂梁构件，一般装在 挖掘机铲斗的前端，直接与矿石、砂土、岩石等物料接触。在接触物料时，斗齿既承受冲 击，又承受弯矩作用。服役过程中，斗齿尖部会受较大的冲击滑动磨粒磨擦磨损，齿尖部 表面常出现各式凿削、变形，犁沟、造成表面磨损或剥落。国内某矿进口了国外的斗齿， 花费了大量的资金，其斗齿使用寿命约为2 个月，大大超过国内产品的寿命，并且其综合 力学性能好。因此研究出适合矿山挖掘工况条件下使用的不但强度高，韧性好，硬度高， 还具有优良的耐磨性的斗齿是摆在材料学科工作者面前的一项重要任务【4 j 。 1 1 4c a d i 斗齿等零件国内外研究现状 目前，挖掘机斗齿研制方向有镶铸斗齿，堆焊斗齿和合金结构钢斗齿等。一般来说 提高钢的合金性能是建立在增加钢的合金元素的基础上，但目前在全世界范围内，各种铁 合金的价格都猛涨，致使耐磨材料的制造成本大幅上升，所以就需要从另一途径研发具 有强韧性的耐磨材料。带碳化物的等温淬火球墨铸铁( c a d i ) 正是在这样的条件下发 展起来的一种新型抗磨材料。 自中国、美国和芬兰等国科学家于1 9 7 8 年在捷克召开的第1 5 届国际铸造学术会议上 发表学术论文中不约而同地宣布：“奥贝”球铁齿轮己研制成功了。随后不久，曲轴等重 要零部件也在许多国家得到推广和应用【5 】。由于等温淬火球铁具有优越的静态和动态力 学性能、降噪音的独特优势，以及低成本的吸引力，使其在轿车、载重车、火车和军工 产品的关键零部件上发挥着重要的作用哺8 1 。c a d i 是带碳化物的等温淬火球铁。它是 将球墨铸铁铸态碳化物的含量控制在适量范围内，并随后进行等温淬火而形成。所形成 的显微结构由贝氏体、碳化物和石墨球所组成。至今，c a d i 新材料的主要应用领域是农 业机械零件。早在1 9 9 2 年，美国利用c a d i $ l j 造农业机械铲尖。我国大连三明铸造有限 公司王怀林教授研究开发生产的c a d i 在农机犁桦上获得成功应用，c a d i 犁桦的硬度 h r c 5 3 5 8 ，冲击韧性为l1 - 2 8 j c m 时，实际装机试验表明，c a d i 犁桦的使用寿命是低合 金钢犁桦的3 倍以上，生产成本降低2 0 ，具有很好的技术经济效益。 1 1 5c a d i 材料的特点及应用前景 c a d i 是近几年来由等温淬火球墨铸铁派生出的一种新型的球铁材料。在c a d i 的熔 炼过程中加入强碳化物形成元素，如铬等，使得基体中弥散分布着一部分由铬等元素形 成的碳化物，提高其硬度。c a d i 的铸态组织包括有珠光体、碳化物和石墨球。经过等温 淬火处理后，组织由贝氏体、残余奥氏体和碳化物组成。其组织转变过程是：在加热时， 3 广西大学工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 珠光体先转变成为奥氏体，将试样放入等温盐浴中淬火，起初奥氏体没有发生变化，经过 一个短暂的孕育期，针状铁素体在奥氏体中形成并生长。随着针状铁素体的生长，所排出 的碳就向奥氏体逐渐扩散，从而增加了奥氏体的碳含量。随着等温时问延长，针状铁素体 的长大，奥氏体中的碳含量也逐渐增加。 奥氏体的含碳量较低时，奥氏体在室温时的力学上是不稳定的，在受力时奥氏体会转 变成马氏体。但是在奥氏体的含碳量达到1 8 2 2 时，奥氏体不仅在热力学上稳定，在力 学上也稳定。此时的奥氏体在受力时不会转变成马氏体。这种富碳的奥氏体有两种形态， 一种是存在于针状铁素体之间的块状奥氏体，一种是存在于铁素体片之间的条状奥氏体。 球铁在等温转变的过程中形成的贝氏体没有碳化物的析出，因此这种贝氏体与传统意义 上的贝氏体不同，这种无碳化物析出的贝氏体与富碳、热力学与力学上都稳定的奥氏体组 成了一种混合组织，最终使其力学性能得以提高，同时又保留了原来铸造工艺的好处， 如可制造形状复杂零件、可对材料回用等t 9 - 1 1 l 。 c a d i 材料具有以下特点： 1 ) 、价格成本低。每公斤c a d i 比锻钢及铝铸件都要低，如果以屈服强度单位强度的成 本计算，c a d i 是最低的。如下表1 4 一表1 9 所示成本调查及比较。 2 ) 、材料比重小于钢。零件体积相同的情况下比锻钢约轻1 0 。 3 ) 、综合性能优良。强度和延伸率都较高：抗拉强度达1 0 0 0 m p a 时，延伸率可达1 0 以 上。 4 ) 、c a d i 有着优良的动态力学性能，它比锻钢、铸钢以及微合金钢要好得多，因其缺 口敏感性( 敏感系数1 2 1 6 ) 比锻钢( 2 2 2 4 ) 小，这是提高g 1 的有利因素。 5 ) 、减音性能和减震效果好。c a d i 中的石墨有很强的吸引性能，工作时噪声小；c a d i 弹性模量( e = 1 7 0 0 m p a ) 钢的弹性模量( e = 2 1 0 0 m p a ) f f 。2 0 ，组织中的石墨有吸震作 用。 6 ) 、好的抗摩擦磨损性能。在磨料磨损的条件下a d i 耐磨性要比同样硬度下的钢的耐 磨性好。硬度为h r c 3 0 - - 4 0 的a d i 耐磨性相当于硬度h r c 6 0 的淬火回火钢。c a d i 是在a d i 的基础上加入一部分碳化物形成元素，足一种带碳化物的a d i 材料，具有更 加优良的耐磨性能。 此外，c a d i 的加工性能要比普通球铁差，这是由于其独特的金相基体显微组织 针状铁素体和充分反应的、热力学稳定的、力学上也稳定的高碳奥氏体的混合组织， 具有比普通球铁更高的强度、硬度和韧性的原因。这可以通过选用合适刀具、调整工艺 广西大学工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 过程、优化刀具加工参数解决。 表1 4 价格调查与对比：2 0 1 0 6 月市场价( 单位：埏) 原材料计划价市场价市场价( 含税) 生铁( 本溪低钛) 3 1 8 3 6 84 3 0 5 6 废钢( 油底壳边角料) 2 6 62 9 93 4 9 8 3 硅铁( f e s i 7 5 a l1 5 ) 5 7 46 2 17 2 6 5 7 增碳剂d e s u c o9 0 1 2 s 8 5 18 6 81 0 1 5 5 6 铬铁( f e c r 5 5 c 1 0 0 0 ) 7 9 51 0 4 5 镍 1 0 3 31 6 9 铜( 废铜) 4 5 35 2 6 56 1 6 0 0 5 钼 1 0 9 41 4 1 1 3 锰铁 7 2 47 3 48 5 8 7 8 球化齐l j ( f e s i m 9 8 r e 5 ) 9 1 69 8 31 1 5 0 1 1 球化齐o ( f e s i m 9 6 r e1 ) 8 8 69 2 31 0 7 9 9 1 孕育剂f e s i m 9 8 r e 5 9 1 6 6 2 17 2 6 5 7 表1 5 铸钢的化学成分要求及其配比 元素cs i m n psc rm on ir ec u 要求范围 0 2 0 2 7 0 4 0 6 0 6 1 0 郢0 1郢0 10 6 0 80 4 0 80 8 1 4 郢0 6 o 1 0 2 成分1 0 4 5 0 4 5 1 2 0 0 0 0 1 00 0 1 01 3 5 00 3 50 4 微量 成分2 0 2 50 40 8 0 0o 0 1 0o 0 1 0 0 7 5 00 61 20 0 3 00 2 表1 6 按成分1 配比的铸钢的成本 t l b l e 6t h ep r i c eo ft h ec a s ts t e em a d eu pa sc o m p o s i t i o nf i r s t 市场 重量 s im ncc r m 0n ir e 总价 单价 废钢 9 4 00 4 0 40 0 9 4 3 53 2 9 0 0 增碳剂4 50 4 4 51 0 1 64 5 7 2 硅铁 00 0 0 0 7 2 7o 0 0 锰铁1 61 0 3 98 61 3 7 6 0 铬铁 2 4 51 3 4 61 0 4 5 2 5 6 0 2 5 钼 7 0 3 5 01 4 1 1 39 8 7 9 1 0 镍 4 0 4 0 01 6 96 7 6 0 0 0 稀土 5 0 0 1 01 15 5 0 0 0 合计 1 0 0 10 4 0 41 1 3 30 4 4 51 3 4 60 3 5 00 4 0 00 0 1 0 5 4 4 8 2 5 5 铸钢7 3 7 9 表1 7 按成分2 配比的铸钢的成本 市场 重量 s im ncc rm on ir ec u 总价 单价 废钢 9 4 00 4 0 40 0 9 33 5 3 2 9 0 0 0 0 增碳剂2 50 2 4 61 0 1 62 5 4 0 0 硅铁00 0 0 0 7 2 70 0 0 0 锰铁 1 10 7 0 9 8 69 4 6 0 0 广。西? 大掌工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 续表1 7 按成分2 配比的铸钢的成本 铬铁 1 3 5 0 7 3 71 0 4 51 4 1 0 7 5 铜( 1 0 0 ) 2 o 1 9 8 钼1 20 5 9 51 4 1 1 316 9 3 5 6 0 镍 1 21 1 9 01 6 92 0 2 8 0 0 0 稀土 1 5 0 0 3 01 l1 6 5 0 0 0 合计1 0 0 80 4 0 40 8 0 30 2 4 60 7 3 70 5 9 51 1 9 00 0 3 00 1 9 87 4 3 7 6 3 5 铸钢 7 3 7 9 表1 8c a d i 材料配比 l 材料 c s i m npsc rm on ir ec u m g a d i3 7 + 0 22 7郢2郢0 l郢0 1 0 5 0 2 0 30 0 1 00 70 0 3 0 表1 9c a d i 斗齿材料单位成本 t l b l e1 9t h eu n i tc a s tf o rc a d im a t e r i a l 比例 市场 重量 cs im nc um oc rn i 总价 ( ) 单价 生铁 ( 9 0 ：4 3 4 8 03 6 7 3 l1 5 4 30 1 5 80 0 5 94 3 3 4 4 5 1 增碳剂 52 2 9 6 2 2 7 31 0 1 65 0 8 ( 9 9 ) 硅铁( 7 5 ) 52 2 9 61 7 2 27 2 73 6 3 5 废钢 1 2 05 5 0 9 60 0 7 20 0 8 33 5 4 2 0 铬铁( 5 5 ) 1 40 6 4 30 3 5 4 1 0 4 51 4 6 3 1 4 1 1 钼铁( 5 0 ) o 90 4 1 30 2 0 7 1 2 7 0 1 3 铜( 1 0 0 ) 1 60 7 3 50 7 3 5 6 1 69 8 5 6 o 3 镍( 1 0 0 ) 0 70 3 2 11 6 91 1 8 3 2 1 孕育硅 10 4 5 90 3 4 07 2 7 7 2 7 球化剂5 8 1 10 5 0 50 2 2 01 1 51 2 6 5 球化剂1 6 1 1 0 5 0 5 0 2 2 01 0 81 1 8 8 o 3 合计 2 1 7 81 0 0 0 03 8 1 52 7 3 10 1 4 10 7 3 50 2 0 70 3 5 4 2 1 c a d i5 6 6 9 奥贝球铁兼有高强度、高韧性和高耐磨性，比重比钢低1 0 ，有较好的减少噪音的 阻尼性能，在综合力学性能上优于碳素锻钢和一般的合金铸钢( 见表1 1 2 ) ，可与合金锻 钢相媲美。通过采用不同的等温温度可获得覆盖面较宽的力学性能，以满足多种重要的 结构零件要求。奥贝球铁零件毛坯材料成本定位，应略高于普通珠光体球铁，而大大低 于合金锻钢。 c a d i 不但拥有a d i 的各种优越性能，它还表现出l k a d i 更加卓越的耐磨性，是一种应 用前景较广的优良工程材料。在美国，c a d i 已经被广泛用于农用机械，在建筑、采矿以 及铁路方面也有很大的应用空间。由于c a d i 具有更加优良的强韧性和耐磨性，已成为2 1 广西大学工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 世纪人们关注的热点材料和技术之一。c a d i 的性能特点已被人们逐渐认识并加以利用， 生产工艺技术条件和相应的热处理设备也逐渐被人们所掌握，c a d i 的应用领域将不断 拓宽，其产量将有较大幅度的提高，生产技术水平也将逐渐提高。 表1 1 0 奥贝球铁与其它球铁及钢的常规力学性能范围 t a b l e 1 1 0 t h eg e n e r a lm e c h a n i c a lp r o p e r t yr a n g ef o ra d ia n do t h e rk i n d ss p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o n 材料 抗攒度屈徽度嚣延笺率 表1 11 奥贝球铁与其它球铁在不同温度下的冲击韧性( 无缺口) j ，c m 2 t a b l e 1 1 1 t h ed y n a m i cd u c t i l i t ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef o ra d ia n do t h e rk i n d ss p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o n 球铁种类 1 0 0 。c5 0 。c2 5 * c o * c- 4 0 c 表1 1 2 奥贝球铁与珠光体及锻钢的断裂韧一 生k i c t a b l e1 12t h ef r a c t u r et o u g n e s sp r o p e r t yk i cf o ra d is p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o n 、p e r l i t ea n df o r g e ds t e e l 材料奥贝球铁3 2 5 等温珠光体球铁锻钢 鉴! 堡【巡堑! 丝21 兰：2 1兰兰兰堡i q ：! 兰1 1 1 6 课题的选择及意义 影响斗齿使用寿命的因素很多，除矿石结构、软硬程度、爆破情况以及使用单位对 挖掘机的维修、保养和司机的操作水平外，斗齿的结构和形状对其寿命影响也非常大。 随着计算机技术的飞速发展，有限元分析等技术大量应用于产品结构设计中，斗齿的结 构和形状已经定型并系列化，因而材料及制造工艺方法就成为研究的主要内容。在我国 大规模的工程建设中，挖掘机使用量不断增加，斗齿的需求量很大，因此改善斗齿材料 的耐磨损性能，是提高斗齿寿命的有效途径，具有重要的经济价值。 1 2 本文研究的内容 国内外对c a d i 的熔炼及其热处理工艺研究还较少，本文企想从分析c a d i 的性能特 点出发，寻求其提高性能和质量的材料和工艺，以降低成本的发展方向和途径，为c a d i 产业化出谋划策。 1 通过浇注熔炼过程中调整合金元素及化学成分的试验寻求适合斗齿的新材料。 e - 西大掌工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 2 调整斗齿材料的热处理工艺，获得期望的某一一蚪1 2 1 ：厶匕i = j l 二的热处理工艺。 3 对斗齿的磨损进行实验研究及数据分析，通过改进斗齿材料，提高斗齿的耐磨损 性能，减少因磨损带来的损失。 广西大掌工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 2 1 试验原理 第二章试验研究原理及方案制定 2 1 1 试验研究对象 按要求浇注斗齿本体及附铸试块，然后对浇注样件进行等温淬火处理。 2 1 2 试验目的 对浇注出一定成分的c a d i 材料的斗齿本体及试块，分别研究其铸态及经过等温淬 火热处理后的机械性能( 强度、硬度等) 以及抗冲击性和斗齿的金相组织。研究不同成分 及不同热处理工艺斗齿的硬度值，揭示其与斗齿耐磨性的关系。试制出符合预期要求的 斗齿新材料。 2 2 试验方案 2 2 1 试验中斗齿本体及附铸试块的熔炼、浇注情况及要求。 l 、试验样件生产车间的条件及对化学成分的要求。 样件毛坯的制备在玉柴配司曲轴车间进行，采用中频感应电炉熔炼铁液。试验样件 铸态化学成分要求如表2 1 所示。 表o l 试制斗齿铸态成分要求 元素 cs im nc um oc rn ips m g r e 要 含量( ) 3 72 7 郢2 0 70 20 5 50 3 1 卯0 4兰d 0 2少量 求偏差士0 2士0 2士0 0 5士0 0 3士o 0 3士0 1 2 、熔炼过程的控制 熔炼和浇注过程严格按照工艺文件执行，以期获得所要求碳化物含量的球墨铸铁铸 态样件毛坯。 2 2 2 试验中斗齿本体及附铸试块的等温热处理工艺 对铸态斗齿及试块试样进行等温热处理。等温热处理工艺参数根据每次试验情况确 定，采用不同的等温热处理工艺参数( 奥氏体化温度及保温时间、等温温度和保温时间 9 广西大学工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 等) 对斗齿及试块试样进行等温热处理。 1 ) 绑定：将斗齿用0 2 x 1 0 0 0 m m 铁线，打双，穿过斗齿销孔，在斗齿开口向打结绑 好。 2 ) 预热：将绑定好的斗齿调至料篮，装到井式炉进行预热，预热温度3 5 0 + 3 。c ，保 温时间3 0 + 2 m i n 。 3 ) 奥氏体化：用盐浴炉专用吊钩装炉将工件垂直装入熔盐中，熔盐要全部淹没工件。 装炉时斗齿开口朝上。每炉装3 5 件即可，当待盐浴炉的熔盐测定温度达到设定奥氏体 化温度时，便开始计时，奥氏体化保温一定时间，并做好过程记录。 4 ) 等温处理：待奥氏体化保温时间到后，将斗齿逐件取出，沥尽工件表面和凹槽处 的熔盐，然后迅速将工件淬入设定好温度的硝盐槽中( 全过程需耗时约3 5 s ) ，并将专用 吊钩更换成长吊钩( 更换工件在硝盐槽中完成，工件不许露出液面) 。使斗齿在一定的等 温温度下保温一定时间，并做好过程记录。 ( 注意：装炉前用m p l 0 0 防脱碳涂料在表面涂一层o 1 0 2 m m 厚的放脱碳涂料。a 在工件淬入之前，硝盐必须已经完全熔化，并温度在等温温度范围内，可以比设定温度 略低1 2 ；b 在工件淬入硝盐槽前几分钟，务必将搅拌机打开，确保溶液温度均匀；c 当工件进入硝盐槽后，温度将有所提升，这时可根据温度偏差量，打开盐液冷却系统降 温确保等温温度偏差值在工艺范围内。) 5 1 空冷：保温时间到后，将工件取出沥尽工件表面和凹处的盐液，空冷。 6 1 清洗：待工件冷却到常温后，将工件泡到清洗水槽进行浸泡清洗处理，洗净粘附 在工件表面的残盐。 2 2 3 试验要求 2 2 3 1 金相试样及检验要求 图2 1斗齿本体试样取样位置 f i g 2 1t h es a m p l i n gp o i n to fg r a bt u b et o o t h 广西大学工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 图2 2 斗齿本体试样取样位置示例 f i g 2 2t h es a m p l i n gp o i n to fg r a bt u b et o o t he x a m p l e 1 1 对金相试样取样位置作如上图2 1 所示的规定。 2 1 金相检验要求 a 斗齿：检验斗齿( 距表面3 - 5 _ m m 处和心部) 的金相，分析碳化物比率及形态； b 冲击试样：检验冲击试样的冲击断口形貌，分析断口金相等。 2 3 试验方法 整个试验中均用f t m o a b 2 a 型i c p 光谱仪分析化学成分；用o l y m p u s g x 7 1 倒 置式系统金相显微镜检验铸态斗齿及试块试样的金相组织以及检测等温热处理后的斗 齿及试块试样金相组织并进行分析研究。用h r l5 0 a 型洛氏硬度计检测硬度；用d y - 3 0 t 万能材料试验机和j b n 3 0 b 冲击试验机检测试样的抗拉强度和冲击功等。试块尺寸取样 按g b t1 3 4 8 _ 2 0 0 9 执行。 2 4 样件制取及热处理工艺控制的要求 按照要求备料，化学成分控制到要求范围，熔炼和浇注过程按照工艺文件执行。热 处理过程要严格控制奥氏体化温度和等温时间，奥氏体化时要记录好到温时间和到温温 度，严格按照工艺文件执行，同样对等温控制也是如此。 广西大学工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材料钼0 研究试验 第三章c a d i 样件铸态毛坯制备的研究 c a d i 材料是带碳化物的等温淬火球墨铸铁。它是将球铁铸态碳化物的含量控制在 适量范围内，并且随后进行等温淬火而形成。由此可见，获得含有适量碳化物的球墨铸 铁铸态毛坯是制备c a d i 材料的关键工艺之一。本章对c a d i 样件铸态毛坯的制备进行 了深入的研究。 3 1 球墨铸铁铸态毛坯各元素作用概述及选择 碳：可以提高球墨铸铁的石墨化程度，减少白口倾向。一般来说，碳高，镁的吸收率高， 这对球化的进行有利。但碳量也不能过高，过高的碳量易引起石墨飘浮，这对于c a d i 材料冲击功是不利的。综合考虑，研制中选择c 含量为：3 7 。 硅：是强烈促进石墨化的元素，主要用来防止白口。硅含量高些，对形成球状石墨有利。 但s i 量增加，球墨铸铁的冲击韧性明显下降。有文献指出：s i 含量每提高1 ，球铁的 脆性转变温度就提高5 5 6 。因此，对具有冲击性能要求的c a d i 材料中s i 含量不 宜过高。综合考虑，研制中选择s i 含量为：2 7 。 锰：是较强的碳化物形成元素，且极易富集到共晶团的边界形成珠光体或碳化物，严重 的时候碳化物甚至形成网状，极大地影响了材料的力学性能。所以锰对球铁的冲击韧性 和脆性转变温度都特别不利。有资料表明：每提高o 1 的含锰量，球墨铸铁的脆性转 变温度将提高1 0 1 2 。因此，对c a d i 材料来说，锰含量应严格控制。考虑到热处 理时的需要，研制中m n 含量控制茎0 2 。 铜和镍：c u 和n i 两者都能降低奥氏体转变温度，扩大奥氏体相区，形成固溶体，提高 淬透性，细化并增加珠光体量，但不形成碳化物，能降低冷脆性转变温度，所以二者能 明显提高c a d i 的塑性和韧性。但考虑到生产成本，研制中镍含量选择0 3 ，铜含量选 择0 7 。 钼：有资料表明：当m o 0 6 时，钼具有一定的稳定碳化物的作用，并有较强的细化 珠光体和细化石墨的作用，其对球墨铸铁有较大的强化作用。研制中选取钼含量为o 2 。 磷和硫：p 和s 对c a d i 材料的生产和性能都有特别不利的影响，因此应严格控制，研 制中硫控制s o 0 2 ，磷控制s o 0 4 。 铬：铬是碳化物形成元素。在球墨铸铁中，它能与碳生成c r 3 c 等金属化合物。在c a d i 广西大学工程硕士毕业论文 挖掘机斗齿c a d i 新材丰糊：制研究试验 材料的制备过程中，为了获得含有适量碳化物的球墨铸铁铸态毛坯，c r 是关键元素。 表3 1 是前期研究得到的铬含量对球铁中碳化物含量和c a d i 材料性能的影响数据。 表3 1 铬含量对球铁中碳化物含量和c a d i 材料性能的影响 t i b l e3 1c h r o m i u mc o n t e n t si n f l u e n c eo nt h ec a r b i d ec o n t e n to fd u c t i l ec a s ti r o na n dc a d im a t e r i a l c r 元素含量碳化物珠光体抗拉强度延伸率硬度 冲击强度 ( )( )( )( 噼a )( )( h r c ) ( j c m 2 ) 0 465 51 1 4 82 1 54 11 8 0 4 5 85 8 1 2 5 82 2 4 52 0 o 5 1 06 01 2 6 7 2 1 4 82 0 0 5 51 36 81 3 8 6 2 2 5 02 3 0 62 85 01 0 4 41 8 55 11 5 0 6 53 24 5 9 7 51 25 21 0 从表3 1 可以看到，随着铬含量的增加，基体中碳化物量增多，珠光体量减少，虽 然硬度提高了，但冲击韧度降低了，说明了铬含量对c a d i 材料的硬度和冲击韧度有着 显著的影响，随着碳化物的改变，会造成c a d i 材料的组织和力学性能发生相应的变化。 铬含量与c a d i 材料性能的这一变化规律，也表明：铬含量低的c a d i 材料适用于冲击韧 度较大、硬度要求不高的工况；而铬含量高的c a d i 材料适用于硬度要求较高、冲击韧 度不高的工况。 根据前期的研究结果和分析，并结合斗齿的工况，研制中选取铬含量为0 5 5 。 综上所述，得到试验样件铸态化学成分如表3 2 所示。 表3 2 试制斗齿铸态成分要求 元素 cs im nc um oc rn i ps m g r e 要含量( ) 3 72 7 郢2 0 70 2o 5 50 3 郢0 4郢0 2少量 求偏差士0 2士0 2士0 0 5士0 0 3士o 0 3士0 1 3 2c a d i 样件球墨铸铁铸态毛坯的制备工艺探讨 c a d i 样件球墨铸铁铸态毛坯技术要求和质量要求较高，其主要技术难点是既要满 足综合力学性能要求，又要减少缩松和表面夹渣，还要求含有适量碳化物。因此，其制 备工艺较一般球墨铸铁复杂，难度也更大。 3 2 1 熔炼设备的选择 根据c a d i 样件球墨铸铁铸态毛坯技术要求和熔炼特点，熔炼设备选用中频感应电 13 广西大学工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 炉。 中频感应电炉的优点是，加热速度快，炉子的热效率比较高，在熔炼过程中氧化烧损较 轻，吸收气体较少。因此，采用中频感应电炉熔炼，可避免金属液增硫和增磷，较易得 到符合要求的合格铁水。 3 2 2 原材料选择 硫是消耗球化剂的元素，生产中希望硫越低越好，硫越低球化效果就越稳定。由此 可见，稳定地控制原铁水中硫含量在较低的范围内，是成功地制备c a d i 样件球墨铸铁 铸态毛坯的关键。 为了制备出合格的c a d i 样件球墨铸铁铸态毛坯，从源头上进行了严格的控制，精 选原材料。所谓精选原材料即是严把原材料关，选择优质材料作为球墨铸铁的生产原材 料，研究中使用的球墨铸铁原材料组成如下： 生铁：q l o 或q 1 2 生铁，含硫量 0 0 2 。 回炉铁：球墨铸铁件废品、浇昌口、披锋等。o o i s o 0 2 。 废钢：碳素钢( 边角料) ，s 0 0 4 。 3 2 3 球化剂选择 为使铸铁中的石墨结晶成为球状而加入铁液中的添加剂称为球化剂，往铁液中加入 球化剂是目前获得球铁的主要手段之一。球化剂的选选，一般根据熔炼设各、出铁温度 及铁液的纯净度( 如含硫量、氧化程度等) 而定。由于选用中频感应电炉作为熔炼设备， 并精选原材料，因此出铁温度较高，铁液较纯净，所以研究中选用m 9 8 r e 5 和m 9 6 r e l 两 种牌号的球化剂。由于m 9 8 r e 5 和m 9 6 r e l 这两种规格的球化剂中含硅量较高，可大大降 低镁处理时反应的剧烈程度，同时也能因为增硅而具有一定的孕育作用，这对制备c a d i 样件球墨铸铁铸态毛坯有利。m 9 8 r e 5 矛h m 9 6 r e l 球化剂的化学成分见表3 3 。 表3 3 球化剂m 9 8 r e 5 和m 9 6 r e l 化学成分 t a b l e3 3t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f m o d u l i z e rm 9 8 r ea n dm 9 6 r e l 球化剂牌号 s 球化剂成分 m g r es i m g s r e 5墨o 0 2 7 o 一9 04 0 - 6 0 4 4 0 m 9 6 r e l 三卫0 25 o 一7 01 o 4 4 0 3 2 4 金属熔化 为了获得低硫、低氧化的合格铁水，金属熔化严格按以下规程执行： ( 1 ) 、熔炼前备好并检查工作时需要用到的相关物料，如铁液搅拌用到的工具、试验中所 1 4 广西大学工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 用到的球化剂和增碳剂以及孕育剂等等。 ( 2 ) 、配料：将生铁、废钢、回炉铁等按一定比例准确称量。废钢用量控制在6 0 以上， 这样可以减少铁液中的s 、p 元素含量，以获得洁净度较高的铁液。废钢料中要防止如t i 、 s n 、c u 等干扰球化的元素进入，并且废钢料还应该去除锈蚀。随着废钢加入量的增加， 要特别注意预防因废钢中n 元素的带入而引起球墨铸铁件气孔缺陷的产生。 ( 3 ) 、熔炼过程中应适当提高中频炉功率，以使电炉快速升温，减少氧化。应控制在大约 1 5 小时左右使金属炉料全部熔化，然后进行保温约4 0 分钟左右。 3 2 5 球化和孕育处理 球化处理和孕育处理是c a d i 样件球墨铸铁铸态毛坯制备中的两个重要环节，应特 别注意。研制中操作过程如下： ( 1 ) 、新包或相隔4 d , 时没有使用过的铁水包必须经过烫包才能使用，为了准确计算合金 加入量，使用前需要称量空浇包和装满铁水的浇包来计算铁液的重量。 ( 2 ) 、准确计算球化剂和孕育剂的加入数量，处理前孕育剂、球化剂合金需经预热，预热 温度一般为1 5 0 4 0 0 。c ，温度越高越好，但不能超出上限值，并且预热时不能与明火接 触； ( 3 ) 、在堤坝式铁水包包底按比例放入球化剂、孕育剂、覆盖剂( 稻草灰或珍珠岩) 等。 合金应放置最底层，并按照由下至上的顺序放置球化剂、孕育剂、覆盖剂。放置时要尽 量塞实，如必要时还应加压- d , 块生铁或钢板。其中孕育剂只能加入计算量的7 0 ，其 余的应在处理时再加入。倒入的铁液落点位置应在堤坝对面没有放置合金的方向，这主 要是为了避免球化剂过早反应。示意图见图3 1 。 图3 1 球化处理示意图 f i g3 1t h es k e t c hm a po fs p h e r o i d i z i n g ( 4 ) 、铁液出炉前应做光谱成分分析。确定c 、s i 元素含量。若成分分析没有达到预期 广西大学工程硕士毕业论文挖掘机斗齿c a d i 新材料试制研究试验 要求，应对铁液进行重新调整。球化和孕育处理后为了避免铁液停留时间过长，引起“返 硫”现象而造成球化衰退，铁液应在处理完成后2 0 分钟内完成浇注。对球化和孕育处理 后不合格或已经球化衰退的铁水应立即采取挽救措施。 ( 5 ) 、调整温度并使用测温仪测温、记录铁液的处理温度。 铁液出炉温度控制在1 4 0 0 - - - 1 4 5 0 。c ，浇注温度1 3 5 0 1 3 8 0 。c 。浇注速度应尽量快，防止球 化及孕育衰退。力争短时间内将吊包内处理好的铁液迅速浇注完，再处理炉内剩余