專利名稱：裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃的材料、熱處理及焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于施工機(jī)械裝載機(jī)，特別是涉及裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃的材料、熱處理及焊接工藝。
背景技術(shù)：
鏟刀刃是鏟斗前沿刀板，為帶有刀口地長(zhǎng)板件，如ZL50型裝載機(jī)鏟刀刃，尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為2990×300×30mm。其工作條件十分惡劣，對(duì)鋼材的要求較苛刻。工作時(shí)，在強(qiáng)力作用下，鏟刀刃直接鏟入物料(如礦石、沙、煤等)與物料發(fā)生強(qiáng)力摩擦和撞擊，因此要求有足夠的硬度和韌性，以抵擋磨損、變形和斷裂。對(duì)于長(zhǎng)板鋼，熱處理后極易變形，且變形不易控制。圖紙對(duì)變形有極苛刻的要求全長(zhǎng)變形量δ≤6mm或每300mm變形量δ≤1.5mm。
目前我國(guó)使用的裝載機(jī)的鏟刀刃為四片式普通鑄鋼拼焊或由16Mn等鋼板制成，未經(jīng)熱處理，其強(qiáng)度低、韌性差、易變形和斷裂，耐磨性差。
常林股份有限公司采用中頻淬火熱處理工藝進(jìn)行鏟刀刃熱處理，雖可提高鏟刀刃的硬度和耐磨性，但由于中頻淬火的特性決定此工藝只能對(duì)鏟刀刃刀口部份的表面淬火，鏟刀刃的壽命無(wú)法大幅度提升。淬火時(shí)采用的CW-A型淬火介質(zhì)成本相對(duì)較高，且對(duì)環(huán)境有一定的污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種裝載機(jī)鏟刀刃的材料，它具有強(qiáng)度高、韌性好、不易變形和斷裂、耐磨、可焊性好的特點(diǎn)，同時(shí)提供由該材料制成的整體式鏟刀刃的整體淬火熱處理工藝及設(shè)備，使充分發(fā)揮該材料的性能，使鏟刀刃壽命提高3倍以上，成本低，有利于環(huán)保，并且能夠達(dá)到產(chǎn)品變形量的要求。提供一種該材料鏟刀刃與鏟斗焊接的工藝，在不預(yù)熱和焊接坡口清凈的情況下，接頭質(zhì)量即可以防止裂紋，不出現(xiàn)脆化，接頭強(qiáng)度接近鏟斗QJ63鋼的強(qiáng)度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃材料，其特征是所述的鏟刀刃材料為國(guó)產(chǎn)鋼材1E921，所述的鋼材1E921含C0.15-0.20，Si0.15-0.35，Mn0.95-1.30，P≤0.035，S≤0.040，Cr0.40-0.65，Mo0.25-0.35，B0.0005-0.0030。
裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃材料熱處理工藝，其特點(diǎn)是將整體式鏟刀刃由推料機(jī)推入淬火加熱爐整體加熱至910～950℃，保溫一定時(shí)間后推入淬火壓床進(jìn)行壓力淬火，再經(jīng)回火爐整體回火，使鏟刀刃硬度達(dá)到HRC40～48。
裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是焊接工藝可以采用實(shí)芯焊絲Co2焊、藥芯焊絲Co2焊、Ar+Co2混合氣體保護(hù)焊和手工電弧焊，焊接線能量控制在9～20KJ/cm之間，并應(yīng)嚴(yán)格清理焊根。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明使用的1E921鋼制造鏟刀刃，其使用壽命比傳統(tǒng)鏟刀刃提高了3倍以上；2、1E921鋼是目前國(guó)內(nèi)用于焊接結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度最高的新鋼種，其焊接性能研究尚屬空白，與美國(guó)卡特公司工藝比較，取消預(yù)熱工序，簡(jiǎn)化工藝，提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，其焊接接頭質(zhì)量達(dá)到美國(guó)卡特產(chǎn)品水平。3、鏟刀刃熱處理生產(chǎn)線可滿足1E921鋼制鏟刀刃生產(chǎn)的需要，使用可靠，產(chǎn)品達(dá)到美國(guó)卡特公司1E921鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；4、本發(fā)明組成部分充分吸收、消化了引進(jìn)國(guó)外設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，整個(gè)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，具有全線自動(dòng)操作、單機(jī)自動(dòng)操作和手動(dòng)操作三種功能，實(shí)現(xiàn)了加熱、淬火、回火各工藝參數(shù)可控；熱處理爐采用幅射管加熱、耐火纖維爐襯、爐門曲柄壓緊機(jī)構(gòu)、滾輪式軌道、氮基保護(hù)氣氛等先進(jìn)技術(shù)，獨(dú)創(chuàng)了我國(guó)最大規(guī)格的大型板件淬火壓床，其結(jié)構(gòu)新穎，具有壓力可調(diào)，行程速度可變、噴水均勻的特點(diǎn)；設(shè)計(jì)了浮動(dòng)輥道，與壓床混為一體，使鏟刀刃直接從淬火加熱爐接到淬火壓床，可隨壓床升降，實(shí)現(xiàn)最省時(shí)和簡(jiǎn)便的輸送操作。5、本發(fā)明具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)高性能裝載機(jī)鏟刀刃國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，其生產(chǎn)成本比進(jìn)口件下降30-60％。


圖1為本發(fā)明裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝最佳焊接線能量范圍。
圖2為本發(fā)明裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃熱處理生產(chǎn)線工藝框圖。
具體實(shí)施方案
本發(fā)明研制國(guó)產(chǎn)鋼材1E921，具有強(qiáng)度高、韌性好、不易變形和斷裂、耐磨、可焊性好的特點(diǎn)。為使其具有上述特點(diǎn)，自制熱處理生產(chǎn)線，其特點(diǎn)是滿足鏟刀刃熱處理要求，熱處理工藝由設(shè)備控制和保證；探索出一套1E921鋼與鏟斗材料QJ63鋼的焊接方法、焊接材料及相應(yīng)的焊接工藝措施，以滿足鏟刀刃與鏟斗焊接的質(zhì)量要求。
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
1、鏟刀刃用鋼1E921的成份
表1 1E921鋼 化學(xué)成分(％)
該鋼的相變點(diǎn)如下Ac1＝730℃；Ac3＝850℃；Ar1＝562℃；Ar3＝754℃；Ms＝400℃。
該鋼屬低碳高強(qiáng)度合金鋼。
2、1E921鋼淬透性
按GB225-88標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行淬透性末端淬火試驗(yàn)，奧氏體化溫度為920±10℃。
表2 淬火性試驗(yàn)結(jié)果 硬度值(HRC)
根據(jù)此鋼淬透性性能，當(dāng)鏟刀刃采用與末端淬火試驗(yàn)相近的加熱和冷卻條件，可滿足鏟刀刃性能要求。
3、金相組織與晶粒度
試樣的熱處理狀態(tài)920±10℃淬火，200℃回火奧氏體晶粒度7-8級(jí)，少數(shù)為6級(jí)(約占20％)，保持細(xì)晶粒狀態(tài)。金相組織板條狀馬氏體。
4、機(jī)械性能
鏟刀刃的機(jī)械性能隨熱處理工藝而異，其拉力試驗(yàn)結(jié)果如表3。
1E921鋼機(jī)械性能表3
由此看出，鋼的強(qiáng)度(σs σb)隨回火溫度升高而降低，延伸率(δs％)隨溫度升高而升高，但在150～350℃回火溫度下變化不大。面積縮減率(Ψ％)也隨回火溫度而升高，但在200～250℃時(shí)較平穩(wěn)。綜合鋼的強(qiáng)度和韌性，制作中，線能量9.4KJ/cm時(shí)過(guò)熱段的韌性最高。
綜合對(duì)1E921鋼焊接性的認(rèn)識(shí)，又顧及QJ63鋼的焊接特點(diǎn)，最佳的焊接線能量范圍如圖1。
研究表明，采用國(guó)產(chǎn)焊接材料在不預(yù)熱和焊接坡口清凈的條件下，用上述焊接工藝，配合合理的焊接順序，質(zhì)量即可以防止裂紋，不出現(xiàn)脆化，接頭強(qiáng)度接近鏟斗鋼材的強(qiáng)度，長(zhǎng)期使用，即使刀板磨損失效，接頭仍可以完好，其焊接質(zhì)量能達(dá)到與美國(guó)卡特公司同等水平。
6、鏟刀刃熱處理工藝
根據(jù)前述1E921鋼性能選用鏟刀刃熱處理工藝參數(shù)如下
加熱溫度920±10℃—保溫時(shí)間45～60min(根據(jù)鏟刀刃厚度)—噴水淬火-200℃回火2小時(shí)。
下面結(jié)合圖2進(jìn)一步闡述熱處理工藝的實(shí)施例。
如圖2所示，該生產(chǎn)線由推料機(jī)1、淬火加熱爐2、淬火壓床3、中間輸送輥道4、回火爐5、末端輸送輥道6、供水及冷卻系統(tǒng)7、保護(hù)氣供氣系統(tǒng)8及微機(jī)控制系統(tǒng)9等部份組成，鏟刀刃工藝過(guò)程為鏟刀刃由推料機(jī)1推入淬火加熱爐2，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中加熱至淬火溫度920±10℃，并保溫40～60min，然后迅速推入淬火壓床3，在上下壓頭壓住后強(qiáng)烈噴水，再經(jīng)中間輥道4進(jìn)入回火爐5回火，回火后送至末端輸送輥道6，處理完畢。整個(gè)熱處理過(guò)程由微機(jī)系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。經(jīng)熱處理后，鏟刀刃表面硬度達(dá)到HRC40～48，芯部硬度大于HRC35。由于采用淬火壓床壓力淬火，且特別設(shè)計(jì)的供水及冷卻系統(tǒng)使上下噴頭同時(shí)噴水，噴水均勻，保證鏟刀刃變形量達(dá)到要求，即全長(zhǎng)變形量小于6mm，或300mm內(nèi)變形量小于1.5mm。本發(fā)明的熱處理過(guò)程使用的氮?dú)馊∽源髿?，淬火介質(zhì)為水，并進(jìn)行回收，成本低廉，加熱爐保溫性好，采用輻射管加熱，熱效率高，符合環(huán)保要求。
該熱處理生產(chǎn)線具有如下特點(diǎn)
(1)設(shè)備專用性強(qiáng)。裝載機(jī)鏟刀刃是長(zhǎng)薄板狀工件，必須要有大型的專用保護(hù)氣氛加熱爐和淬火壓床來(lái)實(shí)現(xiàn)其熱處理工藝，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。
(2)技術(shù)難度大。該生產(chǎn)線在熱工、熱處理、鍛壓、機(jī)械、保護(hù)氣氛和電控等方面協(xié)同工作，把專用淬火加熱爐、大型淬火壓床、大型專用回火爐、機(jī)鏟刀刃宜選擇200℃回火。此時(shí)性能為σs＝1310Mpa，σb＝1410Mpa，δs％＝10，Ψ％＝43。
5、焊接性能及焊接工藝
裝載機(jī)的鏟斗為焊接結(jié)構(gòu)，斗壁采用低碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度合金鋼QJ63，其強(qiáng)度σs＝830Mpa，硬度為HRC25，鏟刀刃直接焊接在鏟斗上。
(1)焊接方法
可按生產(chǎn)條件選用實(shí)芯焊絲CO2焊、藥芯焊絲CO2焊、Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊和手工電弧焊。
從綜合質(zhì)量看以Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊最好，但成本較高；從經(jīng)濟(jì)角度考慮用實(shí)芯焊絲CO2焊有利；缺乏設(shè)備條件的可用手工電弧焊，其電焊條為E5016，焊前經(jīng)350℃×2小時(shí)，烘干隨取隨焊。必須選用低氫型焊條，盡量減少氫的來(lái)源。
(2)焊接材料
對(duì)于裝載機(jī)鏟斗的具體結(jié)構(gòu)，按低匹配原則選擇焊接填充材料是合理的。建議用熔敷金屬?gòu)?qiáng)度為500MPa的填充材料，焊后接頭強(qiáng)度已接近母材(QJ63鋼)，可在不預(yù)熱條件下施焊而不產(chǎn)生裂紋。
推薦表4所列焊接材料
表4 推薦用焊接材料
大于500MPa級(jí)別的焊接材料，須經(jīng)試驗(yàn)后才使用。
(3)焊接工藝參數(shù)
一般低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接線能量是以抗裂性和韌性要求為依據(jù)的。合理的線能量范圍應(yīng)控制在9～20KJ/cm之間，上限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化組織，下限取決于不產(chǎn)生冷裂紋。經(jīng)抗裂性試驗(yàn)表明，線能量在16KJ/cm的斷面裂紋率最低，低于或高于此值，裂紋率均增加；力學(xué)性能試驗(yàn)中，用14KJ/cm線能量焊接，其熱影響區(qū)和熔合線韌性最高，隨著線能量的增加而降低；熱模試驗(yàn)械傳動(dòng)、制氮及微機(jī)控制聯(lián)合組成全自動(dòng)生產(chǎn)線，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
(3)把鏟刀刃熱處理工藝參數(shù)控制和工藝操作過(guò)程有機(jī)地融入生產(chǎn)線各部分裝置中，操作過(guò)程體現(xiàn)了鏟刀刃熱處理生產(chǎn)過(guò)程，保證熱處理工藝圓滿地實(shí)施，控制了長(zhǎng)件的熱處理變形。
(4)淬火加熱爐采用了輻射管加熱、耐火纖維預(yù)制爐襯、爐門曲柄壓緊機(jī)構(gòu)、滾輪式軌道、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體等先進(jìn)技術(shù)，獲得少無(wú)氧化加熱和省電、節(jié)氣、節(jié)時(shí)的熱處理效果。
(5)獨(dú)創(chuàng)我國(guó)最大規(guī)格的大型板件淬火壓床；把輸送輥道與淬火壓床融為一體的浮動(dòng)式輥道，實(shí)現(xiàn)最省時(shí)和簡(jiǎn)便的輸送操作；把淬火冷卻參數(shù)控制與淬火壓床結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合，把影響淬火件變形諸因素的控制融入淬火壓床結(jié)構(gòu)中。
(6)實(shí)施近代控制手段，整條生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用PLC與微機(jī)儀表控制熱處理工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)加熱、淬火、回火各工藝階段全部工藝參數(shù)可控。
本發(fā)明解決了裝載機(jī)鏟刀刃從材料選用、熱處理工藝到與鏟斗焊接工藝等一系列技術(shù)難點(diǎn)，并提供熱處理生產(chǎn)線，成功解決熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的難題。
1E921鋼是目前國(guó)內(nèi)用于焊接結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度最高的新鋼種，經(jīng)熱處理后具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、不易變形和斷裂、焊接性好，滿足鏟刀刃的工作需求。其焊接工藝研究尚屬空白，經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用，證明該工藝方法先進(jìn)，與美國(guó)卡特公司工藝比較，取消預(yù)熱工序，簡(jiǎn)化工藝，提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接質(zhì)量達(dá)到美國(guó)產(chǎn)品水平。自制的熱處理生產(chǎn)線使用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，滿足1E921鋼制鏟刀刃生產(chǎn)需求，使用可靠，填補(bǔ)了我國(guó)大型鏟刀刃整板件熱處理生產(chǎn)線的空白。
權(quán)利要求
1、裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃材料，其特征是所述的鏟刀刃材料為國(guó)產(chǎn)鋼材1E921，所述的鋼材1E921含C 0.15-0.20，Si0.15-0.35，Mn 0.95-1.30，P≤0.035，S≤0.040，Cr 0.40-0.65，Mo0.25-0.35，B 0.0005-0.0030。
2、裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃材料熱處理工藝，其特點(diǎn)是所述的熱處理為將整體式鏟刀刃推入淬火加熱爐整體加熱至910～950℃，保溫一定時(shí)間后推入淬火壓床進(jìn)行壓力淬火，再經(jīng)回火爐整體回火。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃熱處理工藝，其特征是所述的保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)鏟刀刃的厚度而選用，一般為45-60分鐘，所述的回火時(shí)間為2小時(shí)。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃熱處理工藝，其特征是所述的加熱并保溫工序中采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，其氮?dú)饧兌葹?9.5％。所述的壓力淬火為鏟刀刃由淬火壓床壓住后上下噴頭同時(shí)均勻、強(qiáng)烈噴水冷卻，淬火壓床壓力2000千牛。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃熱處理工藝，其特征是鏟刀刃熱處理后表面硬度達(dá)到HRC40-48，芯部硬度大于HRC35，全長(zhǎng)變形量小于6mm，或每300mm變形量小于1.5mm。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃熱處理工藝，其特征是所述的淬火加熱溫度最好為920±10℃，所述的低溫回火溫度最好為200℃。
7、裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是焊接工藝可以采用實(shí)芯焊絲Co2焊、藥芯焊絲Co2焊、Ar+Co2混合氣體保護(hù)焊和手工電弧焊，焊接線能量控制在9～20KJ/cm之間，并應(yīng)嚴(yán)格清理焊根。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是所述的實(shí)芯焊絲Co2焊，其焊接填充材料為H08Mn2SiA焊絲。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是所述的藥芯焊絲Co2焊，其焊接填充材料為BF035041焊絲。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是所述的Ar+Co2混合氣體保護(hù)焊，其焊接填充材料為H08Mn2SiA焊絲。
11、根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是所述的手工電弧焊，其電焊條為E5016，焊前經(jīng)350℃×2小時(shí)，烘干隨取隨焊。
全文摘要
裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃材料，其特征是所述的鏟刀刃材料為國(guó)產(chǎn)鋼材1E921，所述的鋼材1E921含C 0.15－0.20，Si0.15－0.35，Mn 0.95－1.30，P≤0.035，S≤0.040，Cr 0.40－0.65，Mo0.25－0.35，B 0.0005－0.0030。裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃材料熱處理工藝，其特點(diǎn)是將整體式鏟刀刃由推料機(jī)推入淬火加熱爐整體加熱至910～950℃，保溫一定時(shí)間后推入淬火壓床進(jìn)行壓力淬火，再經(jīng)回火爐整體回火，使鏟刀刃硬度達(dá)到HRC40～48。裝載機(jī)整體式耐磨鏟刀刃焊接工藝，其特征是焊接工藝可以采用實(shí)芯焊絲Co2焊、藥芯焊絲Co2焊、Ar+Co2混合氣體保護(hù)焊和手工電弧焊，焊接線能量控制在9～20KJ/cm之間，并應(yīng)嚴(yán)格清理焊根。本發(fā)明具有強(qiáng)度高、韌性好、不易變形和斷裂、耐磨、可焊性好的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E02F9/28GK1544682SQ20031010385
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者李勁鋒 申請(qǐng)人:廈門廈工協(xié)華機(jī)械有限公司