挖掘机广泛用于采掘、土建、水利及国防工程,挖掘机斗齿是机上的重要部件,也是易损件。目前,我国约有二万台以上不同型号的挖掘机在不同工况下服务,其斗齿消耗量很大。一个大型水利工程或一个中等规模矿山,通常有十台以上挖掘机处于使用状态,每年消耗的斗齿达数百万吨,每吨在一万以上。因此提高使用寿命,开发新型耐磨材料,减少磨损造成的损失,越来越受到重视。
国内斗齿材料最常用的为高锰钢(Mn13),高锰钢水韧处理后的组织为单相奥氏体,在剧烈冲击、挤压负荷的反复作用下,具有加工硬化的特点。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,表面硬度偏低,耐磨性就差。近期研究发现,在高冲击应力状况下,高锰钢也非最优秀的耐磨材料,因为在凿削式磨损的工作状况下,高锰钢的加工 硬化峰不在最表层,而在亚表层,此处的组织脆化萌生裂纹会引起磨损表面的剥落。因此,高锰钢适用于受到强烈冲击的采掘工况,对既受冲击又受磨粒磨损的软介质就不适用。
斗齿一般装在挖掘机铲斗的前端,系悬臂梁构件,直接与矿石、砂土、岩石等物料接触。在接触物料时,既承受冲击作用,又承受弯矩作用。服役过程中,斗齿尖部受到较大的冲击滑动磨粒磨损,尖部表面常出现各式犁沟、变形,造成表面磨损或脱落。某矿九十年代进口美国的斗齿,成本高,使用寿命大大超过国内产品,且综合性能好。因此,研究适合矿山挖掘工况条件下使用的耐磨钢,是摆在材料工作者面前的一项重要任务。
材料设计
斗齿的抗磨性与力学性能、物理性能有所区别,不是单一性能,而是综合性能;既受材料本身性能的影响,又受磨料性质、工作介质、工作条件的影响。
服役过程中,斗齿尖部受到较大的冲击滑动磨粒磨损,尖部表面常出现各式犁沟、变形,造成表面磨损或脱落。因此,材料本身应具有相当高的强度、硬度,还必须具有足够的塑性、韧性。板条马氏体(位错型马氏体)既有相当高的强度、硬度又具有一定的塑性和韧性,其综合性能较高。故板条马氏体是软质工况斗齿材料的理想组织。
耐磨板的研究发展目标,应满足使用工况条件,提高其耐磨性、强度及韧性。其设计准则中除满足用户的力学性能、焊接性能、抗应力、腐蚀、开裂性能等指标外,还应注意选取适宜的合金成分,达到如下要求: 足够的淬透性以保证整个界面性能均匀;得到强而韧的板条马氏体;Ms点不能压得过低,以免淬火开裂;6s>980Ma,U>45%,AKu>39J,HR>C43;少用贵重元素以降低成本。
由于希望得到的组织为单一板条马氏体,而钢中含碳量0.25%才能得到单一板条马氏体。另外,马氏体的强度主要取决于其间隙固溶体的碳原子数。因此,耐磨板中含碳量应在0.20%~0.27%之间,以保证材料有足够的强度。
为提高耐磨板的综合性能及焊接、抗腐蚀等性能,应加入碳化物形成元素Cr、Mn、Mo。Cr、Mn、Mo还能提高材料的硬度和耐磨性。为提高耐磨板的韧性和淬透性还应加入Ni。故Cr、Mn、Mo、Ni为主加元素。但考虑成本,加入量不易过多。可以参考法钢特种钢材（上海）有限公司的进口耐磨钢板JFE系列和DILLIDUR系列。