提高國產礦用挖掘機斗齒性能的研究

石 晉 偉，宋 自 平

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

緬甸萊比塘露天銅礦采礦項目擁有數量眾多的進口大型礦用液壓挖掘機，備件占用資金巨大，其中作為使用量大、易磨損的消耗性材料——斗齒的資金占用首當其沖。進口廠家的原裝斗齒不僅價格高，而且供貨周期長(一般為半年以上)，造成不得不增大庫存數量；而國產挖掘機斗齒具有價格低、供貨周期短等優勢。為縮短采購周期、減少庫存數量和資金占用，萊比塘采礦項目確定了進口原裝斗齒國產化的目標，對正在使用的各種型號的進口挖掘機斗齒在結構、材料、加工工藝、表面處理等方面進行了深入研究，以便合理地選擇中國國內斗齒供應商。筆者介紹了具體的研究過程。

2 斗齒具有的功能和常用材料及失效形式分析

2.1 斗齒具有的功能

在挖掘過程中，挖掘機斗齒具有的主要功能為：一是在有效分離物料的同時減少挖掘阻力，有斗齒挖掘的阻力比無斗齒挖掘的阻力小大約20%左右；二是保護鏟斗前臂，挖掘機在挖掘期間斗齒與物料之間會產生相互沖擊摩擦，使斗齒不斷磨損，進而降低其使用壽命，但卻有效保護了鏟斗，可以大大延長鏟斗的使用壽命。緬甸萊比塘露天銅礦的開采條件較為復雜，大致可以分為四種開采面：表面沙土、風化石、巖石、礦石；其中沙土和風化石比較軟，而巖石和礦石硬度比較大，有些巖石開采面有時會碰到連續的火山巖，其硬度極大，從而大大增加了斗齒的工作負荷量，挖掘機斗齒承擔著很大的沖擊載荷，因此，所選用的斗齒需要具備更高的承載能力與抗磨損能力。

2.2 制造斗齒的常用材料及其存在的不足

傳統國產挖掘機的斗齒材質大多為高錳鋼，高錳鋼是一類高錳奧氏體鑄鋼，在強力沖擊載荷下會發生冷作硬化，具有高抗沖擊磨損性能。由于高錳鋼很容易加工硬化，因而很難鍛壓成型，絕大多數是鑄件，極少用鍛壓的方法加工[1]。經過高沖擊載荷，其表面硬度可以達到HB500～800，表面硬化深度可達20 mm；低沖擊載荷時，其表面硬度只有HB300～400，且其表面硬化深度一般不超過10 mm，表面硬度偏低、耐磨性差，所以，對于那些沖擊載荷不大的工況，由于其不能充分得到加工硬化，硬度和耐磨性將無法提高，在這種工況條件下，使用高錳鋼是不合理的，從而就不難理解為什么在沙漠、戈壁灘里施工以及散碎石料裝車等明明挖掘阻力不大，但高錳鋼材料的斗齒卻不耐磨的原因。事物總有兩面性，當存在較大的沖擊能量時，高錳鋼的硬度、耐磨程度雖然提高了，但加工硬化后其屈服強度卻降低了，在較大的挖掘作用下增加了斗齒彎曲、斷裂的幾率，以致于降低了其預期的使用壽命。

2.3 斗齒的失效形式

安裝于挖掘機鏟斗前端的斗齒直接接觸礦巖、沙土等物料，在挖掘接觸物料的過程中會受到來自礦巖、沙土的沖擊載荷和摩擦，斗齒的磨損不可避免，尖部會出現變形、犁溝等甚至表面耐磨層脫落[2]。在斗齒失效形式中，磨損失效占比為90%～95%，斷裂、變形等失效模式的占比約為5%～10%，其他失效形式的占比小于1%，比如酸蝕、銹蝕等。斗齒失效的主要類型為磨損失效。為了進一步延長斗齒的使用壽命，主要應針對如何使用合理的材料、提高其抗磨性能并采用有效的工藝技術進行研究。

3 提高挖掘機斗齒性能的對策

近年來，我國的裝備制造水平不斷提高，但不可否認的是仍與西方發達國家存在差距。筆者結合萊比塘采礦項目大型挖掘機施工工況，認為可從以下幾個方面提升斗齒的實際使用性能。

3.1 合理選擇斗齒材料

應根據斗齒的具體工況合理地選擇材料。當斗齒處于較高沖擊載荷下，高錳鋼的屈服強度較低、容易折斷。為了有效提升高錳鋼的耐磨性與屈服強度，應采用添加合金元素的方法增強其韌性，一般可添加的合金元素包括Cr、Mo、V、Ti等，可以有效提升斗齒的使用性能、韌性以及硬度和抗變形能力[3]；對于具有較高沖擊載荷的礦巖開挖，高錳合金鋼斗齒的性價比還是比較高的，而且已在國內廣泛采用，萊比塘銅礦采礦項目針對巖礦層開挖在國內定制的斗齒均選用了高錳合金鋼材料。

目前礦用挖掘機的斗容量越來越大，挖掘機斗齒越來越厚大，萊比塘采礦項目的大型挖機亦屬于這一類。為使厚大鑄件中心部位也充滿強韌性的奧氏體組織，進一步提高其加工硬化能力，超高錳合金鋼(Mn15、Mnl7、Mn20、Mn25)是不錯的選擇，通過提高錳含量可以固溶更多的合金元素，再通過熱處理和硬化處理，可以進一步提高材料的強韌性和加工硬化能力。應用在高沖擊載荷工況下，超高錳合金鋼具有優越的硬韌性配合[4]，加工后其硬化效果顯著。針對花崗巖、石英巖、火山巖等極為堅硬巖石的開挖，超高錳合金鋼斗齒具有廣闊的應用前景。通過以往得到的數據可以看出：采用一般高錳合金鋼斗齒開挖礦巖其斗齒的壽命是開挖火山巖等堅硬巖石的3～4倍。雖然超高錳合金鋼斗齒的成本高一些，但從國內生產廠家針對火山巖的小范圍試用數據看：使用超高錳合金鋼斗齒帶來的經濟效益顯而易見，大面積的推廣應用應該是指日可待的。

由于在低沖擊載荷下高錳鋼的耐磨性較差，因此而衍生了低碳合金鋼材，這種鋼材利用熱處理工藝可以獲得微合金馬氏體組織，該組織具備較強的適應性，性能優良，從而保證了斗齒的塑韌性、硬度以及耐磨性。但其缺點是：如遇到大的沖擊載荷會發生塑性變形甚至折斷[5]，但因其成本較低，采用該材料研制的斗齒目前已開始在國內推廣使用，適合于沙漠、戈壁地區施工以及黏土開挖和松散物料的裝卸。針對萊比塘露天銅礦采礦項目具體的開采情況，含有微合金馬氏體組織的低碳合金鋼斗齒可以用作表面沙土層和風化石的開挖，效果不錯。

西方發達國家不僅能夠做到針對不同的施工環境使用不同材料的斗齒，而且針對嚴寒地區、酸堿腐蝕等特殊環境也對斗齒材料內部的合金元素配比做了調整。萊比塘采礦項目在雨季施工時，其礦坑底部的酸性積水對鏟斗包括斗齒腐蝕較大，除盡可能地減少積水這一途徑外，積水酸腐問題目前仍沒有得到很好的解決。針對這一問題，有必要聯系國內耐磨材料生產廠家一起攻關解決。

3.2 優化斗齒結構設計

通過對損壞斗齒的觀察可以看出：部分斗齒尖并未發生嚴重的磨損，但卻會斷裂、變形，由此可以看出斗齒結構在一定程度上影響了其使用壽命。斗齒的形狀、安裝方式等均屬于斗齒結構，應采用仿真軟件模擬斗齒的工況環境，有針對性地優化結構、提高斗齒的使用壽命。我國在斗齒結構方面也進行了很多有效的改進，比如將硅油橡膠減震墊套安裝于齒座與斗齒之間可以有效彌合間隙，改進后的斗齒結構簡單，制造成本較低。硅油橡膠減震墊套在挖掘硬物時具備減振作用，可以有效減少對液壓系統、電器系統乃至整機的沖擊，起到了有效的保護作用，保證了挖掘機的安全運行，延長了斗齒的使用壽命。萊比塘采礦項目也對各種型號挖機斗齒的結構進行了優化改進，斗齒各處的磨損程度也比較合理并極少發生斷裂、變形情況。目前，萊比塘采礦項目尚未引進硅油橡膠減震墊套，如有條件，可以選擇某種型號挖機進一步優化斗齒結構并安裝試用硅油橡膠減震墊套。

3.3 優化制造工藝，強化處理斗齒表面

為了充分發揮斗齒材料的性能，除了做好選材工作外，還應采用恰當的熱處理工藝，以免斗齒材料過早失效。熱處理的目的是為了獲得所需要的金相組織，改善斗齒內部的組織均勻性， 使材料達到最佳性能。斗齒的使用壽命受熱處理工藝的影響很大，在鑄造成型后應針對不同材料的鑄件采用不同的方式實施熱處理，比如對高錳合金鋼的鑄件必須進行正火環節，通過使鑄件內部晶粒細化和碳化物分布均勻化達到提高硬度、減少磨損的目的，進而提高其使用壽命。在相同的工況條件下，經過合理熱處理的斗齒使用壽命是沒有經過熱處理的2倍左右[6]。低碳合金鋼比高錳合金鋼的韌性更強，為了增強其耐磨性，可以在其表面采用強化技術以保證斗齒的塑韌性。強化處理技術包括炸藥爆炸、堆焊以及錘擊等方法，尤以堆焊技術應用的最為廣泛，常被使用的堆焊材料有鎢鈷類硬質合金以及Ni、Mo高鉻白口鑄鐵材料等。

4 結 語

在滿足挖掘機鏟斗原有結構和技術性能的前提下，緬甸萊比塘露天銅礦采礦項目與國內有資質的斗齒生產廠家進行了密切合作，大部分型號的進口挖掘機已經在批量試用國產斗齒，從目前的使用效果、性價比、供貨周期等方面看效果不錯，取得的經濟效益良好。目前，萊比塘采礦項目從國內定制的斗齒仍為高錳合金鋼斗齒，并且將來也要引進超高錳合金鋼和低碳合金鋼斗齒，爭取做到所使用的斗齒與施工環境相匹配，早日攻克礦坑內積水酸腐這一難題。盡管斗齒國產化研究取得了一些進展，但與國外挖掘機斗齒的使用壽命相比仍需要不斷努力和探索，還應根據挖掘機的具體施工環境選擇更合理的斗齒材料、設計科學的結構類型、改善制造工藝并采用有效的表面強化技術，以達到延長斗齒使用壽命、提高生產效率、降低成本的目的。