【提要】就挖掘机斗齿的各种结构形式、使用材料、生产工艺等国内外情况进行了介绍,并列举数据加以对比说明。认为双金属复合斗齿表面硬度高、心部韧性好,成为一种斗齿主要生产方法。  

关键词:挖掘机斗齿　耐磨材料　双金属复合

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,亦是易损件。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。一个大型水利工程或一个中等规模矿山,通常有10台以上的挖掘机处于使用状态,每年消耗的斗齿达数百吨,价值在百万元人民币以上。因此,提高斗齿使用寿命,开发新型耐磨材料,减少斗齿磨损造成的损失,越来越受到重视。

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,斗齿尖部受到较强烈的冲击滑动磨料磨损,尖部表面常出现各式犁沟、变形,造成表面磨损或脱落。因此,要求斗齿柄必须具有足够的强度和韧性,斗齿尖部必须具有良好的抗磨性,才能使斗齿经久耐用。

一、斗齿的结构形式

最初的挖掘机斗齿基本上是整体斗齿,当斗齿尖端严重磨损而失效后,须更换整个斗齿。由于整体斗齿　用料量大,整体更换损失较大,以后发展起来一种组合斗齿,又称套装斗齿。

1整体斗齿

至今,整体斗齿仍是被普遍使用的斗齿。这种斗齿,其齿尖和齿柄一次直接铸造成型,主要缺点是用料量大、更换困难、损失大。

国内使用的改进型P&H22100BL整体斗齿,其几何形状为曲线型,特别是下表面呈光滑连续曲线,斗齿尖上、下表面不对称。这样的结构更符合斗齿在挖掘中的运动轨迹,使斗齿面与挖掘过程中的磨损曲面相吻合,减少挖掘阻力,也增加了齿尖部位的有效工作区域,使斗齿结构更合理,材料利用充分,斗齿使用寿命提高(齿尖部位有效工作材料)体积增加15%,斗齿平均寿命可提高30%以上

2组合斗齿

由齿尖、齿座两部分组成,靠销连接。当斗齿磨损失效时,只须简单地更换齿尖即可。

美国P&H公司早期设计的组合式斗齿为对称结构,形状与国内斗齿相似,其棱角分明,挖掘阻力较大,因而磨损较快。

美国ABE公司和AMSCO公司设计了一种光滑连续的椭圆形的组合斗齿,如图3所示〔3〕这种斗齿无。棱角,齿尖部分材料较多(约占30%)。

日本加藤公司生产的HD2350型挖掘机斗齿也采用了两节式结构,齿尖为高硅铸钢,其硬度在HV444以上,使用效果较好。　　

二、斗齿材料　　

多年来,研究者在斗齿抗磨材料的选择上进行了大量探索,多数工作以高锰钢为基础,通过加入一些合金来改进高锰钢的性能,取得了一定效果。

1高锰钢斗齿

(1)普通高锰钢斗齿(ZGMn13)被较早地用作斗齿材料。用该材料制成的斗齿的优点是受到高冲击时加工硬化能力强(矿山使用过程中,斗齿表面硬度可达HB400HB500)。～高锰钢斗齿适合挖掘高硬度物料,不适合挖掘软物料(煤炭、泥土等),因软物料不能使之充分加工硬化,故抗磨性能较差。

鞍钢某矿山研究所和首钢等单位用爆炸硬化法对高锰钢斗齿进行硬化处理,经考核,寿命可提高35～40%。

(2)改性高锰钢斗齿　

为提高高锰钢斗齿的屈服强度、韧性和耐磨性,美国的AMSCO公司和ESCO公司采用了普通高锰钢添加Cr、Mo或对合金钢进行弥散处理来制作适合不同工况条件下使用的斗齿。原苏联采石场上使用的一种挖掘机斗齿,也采用了改性高锰钢,其中含有V、Ti成分,斗齿寿命提高50%。

(3)含镍高锰钢斗齿　

美国的一些拖拉机厂研制出含Ni高锰钢(含1.5-2.0%Ni),同时改进铸造工～艺,斗齿寿命有很明显提高。

2低碳马氏体多元合金钢斗齿

美国的AMSCO公司开发的含Ni2r2o低碳马CM氏体多元合金钢,是一种高强度与良好耐磨性结合的材料,经不同热处理,可以扩大其力学性能和硬度的适用范围。年代后,美国鹰的露天矿使用的2802型70B挖掘机斗齿尖等采用了这种材料;美国的Marion公司制造的斗容量为77m3的拉铲铲斗斗唇也用的是这种钢。

3低合金抗磨斗齿

日本一家公司1970年研制成的SSA系列新型抗磨材料。用该材料生产的斗齿抗磨性有一定提高,但其热处理工艺受诸多因素的限制,加之碳含量较低,耐磨性还不够理想。

4高硅强韧抗磨斗齿

日本近年来采用不含Ni,只含少量Cr、Mo的高硅钢生产斗齿,成分示于表2。德国O&K公司的RH75挖掘机也选含Cr量较高的高硅钢制造斗齿,但这些钢制作的斗齿的抗磨性不够理想。

5白口铁

低合金白口铁、高铬铸铁、镍硬铸铁等抗磨性良好,但韧性较差。若用作斗齿材料,只适合在冲击、物料硬度低的条件下应用。

显而易见,上述各种材料的性能均有其局限性。人们希望有一种既能抵抗硬磨料磨损,又能承受强烈冲击的斗齿,于是双金属(钢和铁)复合斗齿应运而生,这代表了近年来斗齿材料和结构的一种发展趋势。

三、双金属复合斗齿

目前,制造双金属复合斗齿主要有三种方法:堆焊、镶块、电渣熔铸。　　

1堆焊斗齿

堆焊斗齿是在铸造成形的斗齿齿尖部位堆焊上一层耐磨合金。日本神户制钢所生产的1900AL型挖掘机斗齿(5m3),齿尖部用HF2800K焊条堆焊,宽约30mm,其余部分用HF600焊条呈格子式焊接,行距约25mm。用这种方法制作的斗齿心部韧性好,表面硬度高,耐磨性和抗冲击性均较好,适于中等硬度的物料采掘。堆焊法复合可在任意位置进行,具有灵活性,可满足局部对材料性能的特殊要求。一般,

堆焊后的硬质合金可不进行热处理。但若焊接质量不理想,易在使用中发生焊层剥落。

2镶块斗齿

镶块斗齿是把耐磨材料预制块置于齿尖部位,浇注时一起镶在斗齿上。卡奇卡纳尔斯克矿山设备制造厂成批生产了镶块复合斗齿,镶块厚10～12mm,孔隙率50%,材料为显微硬度HV1200～1250的高铬粉末,

用水玻璃粘结而成。沈阳铸造研究所研制的双金属复合斗齿,是把高铬铸铁预制块镶铸到高锰钢斗齿的齿尖部位,齿尖的耐磨性有一定提高。

镶铸法制作复合斗齿的两种金属结合是否牢固至关重要,因而成为技术决窍之所在。此法的优点是易于控制耐磨部分的比例,生产工艺并不复杂;缺点是预制块要进行预处理,两种金属难于熔接,若工艺不过关,则结合强度低,使用中镶块易脱落。

3电渣熔铸斗齿电渣熔铸是在电渣重熔工艺基础上,把电渣重熔精炼金属与铸造成型工艺结合成一体获得优质铸件的方法,近年来发展很快。

原苏联的斗轮式挖掘机上使用整体电渣堆焊斗齿(材质为HCCL)比普通堆焊斗齿的寿命提高10-20倍。原苏联还用V、Cr、Mn的合金白口铁材料,经电渣重熔制作挖掘机齿尖、扇形齿轮等,以提高铸件的冲击韧性。分析发现,这类铸铁的组织是韧性的片状奥氏体和弥散分布于其上的碳化物硬质点。还可以通过改变含Mn量和热处理来获得不同的奥氏体和马氏体基体组织。以奥氏体为基体的斗齿,冲击韧性一般可达7-12J/cm2;以马氏体为基体的斗齿,与热处理后硬度为HRC60-HRC63的65Г钢相比较,相对冲击韧性为2.2-2.5%。　　

四、结语长期以来,挖掘机斗齿的抗磨性及制作工艺一直为国内外有关人士所关注,虽说取得了一些技术成果,但仍显不足。当前,双金属复合斗齿形成了占据主要位置的形势,并逐步向双液——加筋双重复合生产斗齿的方向发展,从而使斗齿的性能日臻完善。

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