一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿及其制备方法与流程

本发明涉及挖泥船刀齿的技术领域，具体涉及一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿及其制备方法。

背景技术：

目前，挖泥船被广泛应用于港口及沿海疏浚工程中，主要用来提高防洪以及船舶的河流和湖泊通行能力，铰刀齿是影响挖泥船工作效率的主要原因之一，由于在工作过程中刀齿直接与沙土岩石等物料接触，在工作中大量承受冲击和摩擦作用。刀齿尖部在工作过程中受到强烈的泥沙磨损，使铰刀齿尖部产生严重变形，造成表面磨损，甚至表面材料脱落，挖泥船刀齿的主要失效形式为磨料磨损以及折断。刀齿的磨损大幅减少了铰刀的使用期限，降低了耐磨铰刀齿的工作效率。

目前，国内市场上铰刀齿主要材料为中碳合金钢，这种铰刀齿经过热处理后硬度通常在48hrc左右，冲击韧性较好，虽然能满足铰刀齿的使用需求，但是工作时间不长，磨损非常严重，一般使用寿命低于50小时。工作过程中需要频繁更换刀齿，不仅刀齿消耗量大，而且更换刀齿花费了大量时间，大大降低生产效率，因此开发出一种具有高强韧性且高耐磨的铰刀齿，解决挖泥船铰刀齿在使用过程中的磨损及折断，增加刀齿的使用寿命，对促进国内疏浚业的发展有着巨大的帮助。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿，刀齿有一定的强度和韧性，齿尖处通过设置耐磨熔敷层，具有高硬度和高耐磨性能。

本发明的另一目的在于提供一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿的制备方法，利用热处理和表面熔覆工艺，使得刀齿部分有一定的强度和韧性，耐磨熔敷层材料具有高硬度和高耐磨性能，两者复合作用提供一种便于实现，经济实用，不仅有着良好综合性能，且有较长的使用寿命的复合刀齿。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿，包括刀齿和熔敷于所述刀齿齿尖处的耐磨熔敷层，所述刀齿的制备材料为中碳合金钢，所述刀齿包括以下质量百分比的元素组分：c：0.30％-0.32％，si：1.35％-1.43％，mn：1.40％-1.60％，cr：1.40％-1.45％，mo：0.10％-0.20％，ni：0.20％-0.25％，re：0.03％-0.07％，余量为fe和一些不可避免的杂质，所述杂质中s和p的质量百分比小于0.035％，所述耐磨熔敷层为铁基碳化钨层，其中碳化钨含量为50％-55％。

本发明中，c含量为0.30％-0.32％，随着合金中c元素的增加，材料硬度会不断提高，到达一个临界值后，材料硬度变化速度开始不明显，但是抗冲击性能下降迅速，本发明通过将c含量控制在0.30％-0.32％之间得到刀齿具有较好的材料综合性能。si含量为1.35％-1.43％si，材料的硬度和抗冲击性能都随着si元素的含量的提升先增加然后减小，本发明通过将si含量控制在1.35％-1.43％之间，刀齿的硬度和抗冲击性能均取得最大值，更为优选的，si元素含量为1.40％。mn含量为1.40％-1.60％，由于mn元素对金属材料具有强化作用，使合金和和碳化物得到增强，大幅提高刀齿的强度和硬度，但是mn的含量过高会对刀齿产生一种切割作用，大幅降低刀齿的抗冲击性能，必须通过热处理让材料中碳化物全部溶解重新形核来消除有害作用，本发明通过控制mn含量为1.40％-1.60，使mn对刀齿硬度提升最大且负面影响可通过热处理进行消除。cr的含量为1.40％-1.45％，cr元素的作用包括提高刀齿的强度和硬度；提高刀齿的抗腐蚀性能；大幅提升刀齿在高温下的机械性能；提高淬透性；缺点是提高了刀齿的脆性温度区间，这点必须在热处理工艺中重点注意，随着cr含量不断提高，刀齿强度和硬度上升，韧性下降，当cr含量超过1.5％时，基体材料韧性降低幅度剧烈增大，因此必须控制cr含量在1.5％以下，本发明通过控制cr元素的含量在1.40％-1.45％，大幅度的提高了刀齿的硬度、轻度和韧性。mo的含量为0.1％-0.2％，mo元素在合金中与碳组成碳化物，不均匀的分散在刀齿中，这种碳化物可以提高刀齿的强韧性，但是这种碳化物过多时会对刀齿产生切割作用，降低刀齿的韧性，刀齿的抗冲击韧性在mo含量取0.2％时最大，之后开始明显降低，在mo含量小于0.1％时，元素对刀齿的硬度及韧性的影响表现不明显，因此mo元素的含量选取在0.1％-0.2％之间，越接近0.2％提升效果越大。ni的含量为0.2％-0.25％，ni提升了刀齿的抗变形能力，耐腐蚀性，以及耐高温能力，无需加入太多，但加入小于0.2％时对材料性能改善不明显，因此ni元素加入比例选择在0.2％-0.25％之间。铼的含量为0.03％-0.07％，用于去除合金中的杂质，起到脱氧脱硫的作用，并且一定程度提高刀齿的耐高温和耐腐蚀性能。

本发明的复合刀齿，其耐磨熔敷层的磨损性能远大于传统耐磨刀齿材料，复合刀齿的使用寿命远大于传统材料刀齿的使用寿命。

优选地，所述刀齿的制备材料为中碳合金钢，所述刀齿包括以下质量百分比的元素组分：c：0.31％，si：1.40％，mn：1.50％，cr：1.43％，mo：0.15％，ni：0.22％，re：0.05％，余量为fe和一些不可避免的杂质，所述杂质中s和p的质量百分比小于0.035％，所述耐磨熔敷层为铁基碳化钨层，其中碳化钨含量为50％。

优选地，所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

本发明通过将耐磨熔敷层完全覆盖在刀齿的齿尖处，刀齿的其他部分未设置耐磨熔敷层，使齿尖表面硬度大幅度提升，而刀齿的齿身部分本身具有一定的强度和韧性，使齿尖在工作不易被磨损而刀齿整体又不易在工作中折断，提高了工作效率同时也降低了生产成本。

本发明的另一目标通过以下技术方案实现：一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿的制备方法，包括以下步骤：(1)向中频感应熔炼炉中依次加入废钢、铬铁、钼铁、镍板、硅铁、中碳锰铁合金原料并加热至原料全部熔化成金属液；

(2)将re加入浇包，然后将步骤(1)得到的金属液倒入浇包镇定一定时间，再加入脱氧剂后出钢；

(3)采用消失模铸造成型，冷却至室温后出箱，得到铸件；

(4)将步骤(3)得到的铸件加热至860℃-880℃，保温一定时间，进行奥氏体化；

(5)将步骤(4)得到的奥氏体化铸件在淬火介质中进行淬火，得到淬火态铸件；

(6)将步骤(5)得到的淬火态铸件加热至260℃-280℃，回火后保温1.5-2h，得到基体材料为马氏体和残余奥氏体相的刀齿；

(7)使用钨极氩弧熔敷工艺在步骤(6)得到的刀齿的齿尖处熔敷铁基wc涂层得到复合刀齿。

本发明的制备方法的材料加入顺序应尽早加入对氧亲和力差的元素：cr，mo，ni，后加入对氧亲和力强的元素：si，mn，应尽量在出炉前，脱氧良好条件下加入。

浇注：将高温金属液静置之后快速倒入刀齿消失模型腔中，待冷却到室温取出。

热处理：将刀齿在箱式电阻炉中随炉升温至860℃-880℃，保温1.5-2小时后进行淬火，淬火介质为水；之后在箱式电阻炉中升温至260-280℃，回火保温1.5-2小时后取出，得到基体材料为马氏体+残余奥氏体相的刀齿。

表面熔敷：运用氩弧熔敷工艺，熔敷前对待熔敷表面进行除油除污处理。熔敷材料为管条状铸造碳化钨条，碳化钨条内合金粒度为30-40目，wc含量约为50-55％，用丙酮清洗焊条，并用铁锤将焊条锤扁。

本发明的制备方法，利用热处理和表面熔覆工艺，使得刀齿有一定的强度和韧性，耐磨熔敷层的材料具有高硬度和高耐磨性能，两者复合作用提供一种便于实现，经济实用，不仅有着良好综合性能，且有较长的使用寿命的复合刀齿。本发明的制备方法制得的刀齿为马氏体+残余奥氏体相，保证了刀齿的强度和韧性，通过淬火和回火配合的热处理工艺得到理想材料组织。淬火主要使材料得到马氏体相，回火工艺来减少材料应力，一定程度上提高材料韧性，得到综合性能良好的刀齿。相比于现有技术中，刀齿一般只运用热处理技术得到硬度且韧性都不错的刀齿材料，但是刀齿尖部的硬度并不突出，在工作中大多数情况下刀齿整体没有出现折断但是齿尖部分磨损速度极快，使用寿命很低。

优选地，所述步骤(1)中，加热过程如下：先升温至200-300℃，加入三分之一重量的废钢，继续升温至废钢熔化，然后加入剩下的废钢并继续升温至熔化，待升温至1600-1650℃后，依次加入铬铁、钼铁、镍板、硅铁、中碳锰铁合金原料并依次熔化，得到金属液。

优选地，所述步骤(2)中，将浇包预热至500-600℃，然后加入re，再倒入金属液,镇定时间为2-4min。

优选地，所述步骤(4)中，加热升温速率为4-5℃/min，保温时间为1.5-2h。

优选地，所述步骤(5)中，淬火介质为水。

优选地，所述步骤(7)中，熔敷参数为：电流为145-155a，电压为18-22v，氩气流量为6-8l/min，热源移动速度为36-44mm/min，熔敷每层层高为1.5-1.8mm，熔敷层数为2-3层，熔敷层厚度为3-5mm，所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

本发明的制备方法中，熔敷使用焊机型号为yc-300wx3的焊接波形控制多功能交，直流tig焊机，使用直流正接方式进行熔覆，工作电流定为150a，电压为20v，氩气流量为6-8l/min，控制热源移动速率约36-44mm/min。在水平方向运送焊枪，将电弧对准刀齿表面，同时另一手缓慢送入铸造碳化钨条，使电弧指向熔敷层，焊炬沿着交界线缓慢而平稳地向前移动，每层厚度控制在1.5mm左右，熔敷2层最后获得厚度3mm表面耐磨熔敷层，再根据情况观察是否需要在特定部位继续加焊1层。

通过控制以上熔敷工艺参数，配合本发明的刀齿材料配方，使在熔敷过程中，刀齿的基体材料不易被熔化损坏，并且使耐磨熔敷层顺利熔敷至刀齿的齿尖处。

本发明的有益效果如下：本发明的复合刀齿，其耐磨熔敷层的磨损性能远大于传统耐磨刀齿材料，复合刀齿的使用寿命远大于传统材料刀齿的使用寿命。

本发明通过将耐磨熔敷层完全覆盖在刀齿的齿尖处，刀齿的其他部分未设置耐磨熔敷层，使齿尖表面硬度大幅度提升，而刀齿的齿身部分本身具有一定的强度和韧性，使齿尖在工作不易被磨损而刀齿整体又不易在工作中折断，提高了工作效率同时也降低了生产成本。

本发明的制备方法，利用热处理和表面熔覆工艺，使得刀齿有一定的强度和韧性，耐磨熔敷层的材料具有高硬度和高耐磨性能，两者复合作用提供一种便于实现，经济实用，不仅有着良好综合性能，且有较长的使用寿命的复合刀齿。本发明的制备方法制得的刀齿为马氏体+残余奥氏体相，保证了刀齿的强度和韧性，通过淬火和回火配合的热处理工艺得到理想材料组织。淬火主要使材料得到马氏体相，回火工艺来减少材料应力，一定程度上提高材料韧性，得到综合性能良好的刀齿。相比于现有技术中，刀齿一般只运用热处理技术得到硬度且韧性都不错的刀齿材料，但是刀齿尖部的硬度并不突出，在工作中大多数情况下刀齿整体没有出现折断但是齿尖部分磨损速度极快，使用寿命很低。

附图说明

图1为氩弧熔敷碳化钨覆层示意图。

其中，1、刀齿；11、刀齿齿尖；2、耐磨熔敷层；3、碳化钨焊条；4、氩气；5、喷嘴；6、钨电极。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿，包括刀齿和熔敷于所述刀齿齿尖处的耐磨熔敷层，所述刀齿的制备材料为中碳合金钢，所述刀齿包括以下质量百分比的元素组分：c：0.30％，si：1.35％mn：1.40％，cr：1.40％，mo：0.10％，ni：0.20％，re：0.03％，余量为fe和一些不可避免的杂质，所述杂质中s和p的质量百分比小于0.035％，所述耐磨熔敷层为铁基碳化钨层，其中碳化钨含量为50％。

所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

所述的挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿的制备方法，包括以下步骤：(1)将中频感应熔炼炉先升温至200-220℃，加入三分之一重量的废钢，继续升温至废钢熔化，然后加入剩下的废钢并继续升温至熔化，待升温至1600-1610℃后，依次加入铬铁、钼铁、镍板、硅铁、中碳锰铁合金原料并依次熔化，得到金属液。(2)将浇包预热至500℃左右，将re加入浇包，然后将步骤(1)得到的金属液倒入浇包镇定2min，再加入脱氧剂后出钢；

(3)采用消失模铸造成型，冷却至室温后出箱，得到铸件；

(4)将步骤(3)得到的铸件加热至880℃，保温2小时后，进行奥氏体化，加热升温速率为4℃/min；

(5)将步骤(4)得到的奥氏体化铸件在水中进行淬火，得到淬火态铸件；

(6)将步骤(5)得到的淬火态铸件加热至260℃℃，回火后保温2h，得到基体材料为马氏体和残余奥氏体相的刀齿；

(7)使用钨极氩弧熔敷工艺在步骤(6)得到的刀齿的齿尖处熔敷铁基wc涂层得到复合刀齿，如图1所示，为本发明的钨极氩弧熔敷过程示意图。

熔敷参数为：电流为150a，电压为20v，氩气流量为6l/min，热源移动速度为40mm/min，熔敷每层层高为1.5mm，熔敷层数为2层，熔敷层厚度为3mm，所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

实施例2

一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿，包括刀齿和熔敷于所述刀齿齿尖处的耐磨熔敷层，所述刀齿的制备材料为中碳合金钢，所述刀齿包括以下质量百分比的元素组分：c：0.31％，si：1.40％，mn：1.50％，cr：1.43％，mo：0.15％，ni：0.22％，re：0.05％，余量为fe和一些不可避免的杂质，所述杂质中s和p的质量百分比小于0.035％，所述耐磨熔敷层为铁基碳化钨层，其中碳化钨含量为50％。

所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

所述的挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿的制备方法，包括以下步骤：(1)将中频感应熔炼炉先升温至250℃左右，加入三分之一重量的废钢，继续升温至废钢熔化，然后加入剩下的废钢并继续升温至熔化，待升温至1620℃左右后，依次加入铬铁、钼铁、镍板、硅铁、中碳锰铁合金原料并依次熔化，得到金属液。

(2)将浇包预热至600℃左右，将re加入浇包，然后将步骤(1)得到的金属液倒入浇包镇定3min，再加入脱氧剂后出钢；；

(3)采用消失模铸造成型，冷却至室温后出箱，得到铸件；

(4)将步骤(3)得到的铸件加热至870℃左右，保温一定1.5h，进行奥氏体化，加热升温速率为4℃/min；

(5)将步骤(4)得到的奥氏体化铸件在水中进行淬火，得到淬火态铸件；

(6)将步骤(5)得到的淬火态铸件加热至270℃左右，回火后保温2h，得到基体材料为马氏体和残余奥氏体相的刀齿；

(7)使用钨极氩弧熔敷工艺在步骤(6)得到的刀齿的齿尖处熔敷铁基wc涂层得到复合刀齿，熔敷参数为：电流为145a，电压为18v，氩气流量为8l/min，热源移动速度为36mm/min，熔敷每层层高为1.8mm，熔敷层数为2层，熔敷层厚度为5mm，所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

实施例3

一种挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿，包括刀齿和熔敷于所述刀齿齿尖处的耐磨熔敷层，所述刀齿的制备材料为中碳合金钢，所述刀齿包括以下质量百分比的元素组分：c：0.32％，si：1.43％，mn：1.60％，cr：1.45％，mo：0.20％，ni：0.25％，re：0.07％，余量为fe和一些不可避免的杂质，所述杂质中s和p的质量百分比小于0.035％，所述耐磨熔敷层为铁基碳化钨层，其中碳化钨含量为55％。

所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

所述的挖泥船高强韧高耐磨复合刀齿的制备方法，包括以下步骤：(1)将中频感应熔炼炉先升温至280-300℃，加入三分之一重量的废钢，继续升温至废钢熔化，然后加入剩下的废钢并继续升温至熔化，待升温至1630-1650℃后，依次加入铬铁、钼铁、镍板、硅铁、中碳锰铁合金原料并依次熔化，得到金属液。

(2)将浇包预热至550℃左右，将re加入浇包，然后将步骤(1)得到的金属液倒入浇包镇定4min，再加入脱氧剂后出钢；

(3)采用消失模铸造成型，冷却至室温后出箱，得到铸件；

(4)将步骤(3)得到的铸件加热至880℃，保温1.5h，进行奥氏体化，加热升温速率为5℃/min；

(5)将步骤(4)得到的奥氏体化铸件在水中进行淬火，得到淬火态铸件；

(6)将步骤(5)得到的淬火态铸件加热至280℃，回火后保温1.5h，得到基体材料为马氏体和残余奥氏体相的刀齿；

(7)使用钨极氩弧熔敷工艺在步骤(6)得到的刀齿的齿尖处熔敷铁基wc涂层得到复合刀齿，熔敷参数为：电流为155a，电压为22v，氩气流量为6l/min，热源移动速度为44mm/min，熔敷每层层高为1.5mm，熔敷层数为3层，熔敷层厚度为3mm，所述耐磨熔敷层完全覆盖所述刀齿的齿尖。

对实施例1-3得到的复合刀齿进行性能测试，使用jb-300b半自动冲击试验机，测得刀复合齿的冲击功≥22j/cm2，执行国标《gb/t229金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。使用洛氏硬度计测得复合刀齿的硬度≥50hrc，耐磨熔敷层表面的硬度≥56hrc。执行国标gb/t230-2002，使用转动式泥沙磨损试验机，给定泥沙浓度50％(质量比)；试样线速度6m/s；磨损时长2h条件下测得耐磨熔敷层相对刀齿齿身的相对耐磨性为8.1，耐磨熔敷层相对已有耐磨刀齿材料的相对耐磨性为3.4。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。