石 晉 偉，宋 自 平

(中國(guó)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(xiàng)目擁有數(shù)量眾多的進(jìn)口大型礦用液壓挖掘機(jī)，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(dāng)其沖。進(jìn)口廠家的原裝斗齒不僅價(jià)格高，而且供貨周期長(zhǎng)(一般為半年以上)，造成不得不增大庫(kù)存數(shù)量；而國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)斗齒具有價(jià)格低、供貨周期短等優(yōu)勢(shì)。為縮短采購(gòu)周期、減少庫(kù)存數(shù)量和資金占用，萊比塘采礦項(xiàng)目確定了進(jìn)口原裝斗齒國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo)，對(duì)正在使用的各種型號(hào)的進(jìn)口挖掘機(jī)斗齒在結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝、表面處理等方面進(jìn)行了深入研究，以便合理地選擇中國(guó)國(guó)內(nèi)斗齒供應(yīng)商。筆者介紹了具體的研究過(guò)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(guò)程中，挖掘機(jī)斗齒具有的主要功能為：一是在有效分離物料的同時(shí)減少挖掘阻力，有斗齒挖掘的阻力比無(wú)斗齒挖掘的阻力小大約20%左右；二是保護(hù)鏟斗前臂，挖掘機(jī)在挖掘期間斗齒與物料之間會(huì)產(chǎn)生相互沖擊摩擦，使斗齒不斷磨損，進(jìn)而降低其使用壽命，但卻有效保護(hù)了鏟斗，可以大大延長(zhǎng)鏟斗的使用壽命。緬甸萊比塘露天銅礦的開(kāi)采條件較為復(fù)雜，大致可以分為四種開(kāi)采面：表面沙土、風(fēng)化石、巖石、礦石；其中沙土和風(fēng)化石比較軟，而巖石和礦石硬度比較大，有些巖石開(kāi)采面有時(shí)會(huì)碰到連續(xù)的火山巖，其硬度極大，從而大大增加了斗齒的工作負(fù)荷量，挖掘機(jī)斗齒承擔(dān)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(tǒng)國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)的斗齒材質(zhì)大多為高錳鋼，高錳鋼是一類高錳奧氏體鑄鋼，在強(qiáng)力沖擊載荷下會(huì)發(fā)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(shù)是鑄件，極少用鍛壓的方法加工[1]。經(jīng)過(guò)高沖擊載荷，其表面硬度可以達(dá)到HB500～800，表面硬化深度可達(dá)20 mm；低沖擊載荷時(shí)，其表面硬度只有HB300～400，且其表面硬化深度一般不超過(guò)10 mm，表面硬度偏低、耐磨性差，所以，對(duì)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(wú)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(dāng)存在較大的沖擊能量時(shí)，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(qiáng)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(yù)期的使用壽命。

2.3 斗齒的失效形式

安裝于挖掘機(jī)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(guò)程中會(huì)受到來(lái)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(huì)出現(xiàn)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(jìn)一步延長(zhǎng)斗齒的使用壽命，主要應(yīng)針對(duì)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(shù)進(jìn)行研究。

3 提高挖掘機(jī)斗齒性能的對(duì)策

近年來(lái)，我國(guó)的裝備制造水平不斷提高，但不可否認(rèn)的是仍與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距。筆者結(jié)合萊比塘采礦項(xiàng)目大型挖掘機(jī)施工工況，認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面提升斗齒的實(shí)際使用性能。

3.1 合理選擇斗齒材料

應(yīng)根據(jù)斗齒的具體工況合理地選擇材料。當(dāng)斗齒處于較高沖擊載荷下，高錳鋼的屈服強(qiáng)度較低、容易折斷。為了有效提升高錳鋼的耐磨性與屈服強(qiáng)度，應(yīng)采用添加合金元素的方法增強(qiáng)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(duì)于具有較高沖擊載荷的礦巖開(kāi)挖，高錳合金鋼斗齒的性價(jià)比還是比較高的，而且已在國(guó)內(nèi)廣泛采用，萊比塘銅礦采礦項(xiàng)目針對(duì)巖礦層開(kāi)挖在國(guó)內(nèi)定制的斗齒均選用了高錳合金鋼材料。

目前礦用挖掘機(jī)的斗容量越來(lái)越大，挖掘機(jī)斗齒越來(lái)越厚大，萊比塘采礦項(xiàng)目的大型挖機(jī)亦屬于這一類。為使厚大鑄件中心部位也充滿強(qiáng)韌性的奧氏體組織，進(jìn)一步提高其加工硬化能力，超高錳合金鋼(Mn15、Mnl7、Mn20、Mn25)是不錯(cuò)的選擇，通過(guò)提高錳含量可以固溶更多的合金元素，再通過(guò)熱處理和硬化處理，可以進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)韌性和加工硬化能力。應(yīng)用在高沖擊載荷工況下，超高錳合金鋼具有優(yōu)越的硬韌性配合[4]，加工后其硬化效果顯著。針對(duì)花崗巖、石英巖、火山巖等極為堅(jiān)硬巖石的開(kāi)挖，超高錳合金鋼斗齒具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)以往得到的數(shù)據(jù)可以看出：采用一般高錳合金鋼斗齒開(kāi)挖礦巖其斗齒的壽命是開(kāi)挖火山巖等堅(jiān)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家針對(duì)火山巖的小范圍試用數(shù)據(jù)看：使用超高錳合金鋼斗齒帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)，大面積的推廣應(yīng)用應(yīng)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(qiáng)的適應(yīng)性，性能優(yōu)良，從而保證了斗齒的塑韌性、硬度以及耐磨性。但其缺點(diǎn)是：如遇到大的沖擊載荷會(huì)發(fā)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(kāi)始在國(guó)內(nèi)推廣使用，適合于沙漠、戈壁地區(qū)施工以及黏土開(kāi)挖和松散物料的裝卸。針對(duì)萊比塘露天銅礦采礦項(xiàng)目具體的開(kāi)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(fēng)化石的開(kāi)挖，效果不錯(cuò)。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家不僅能夠做到針對(duì)不同的施工環(huán)境使用不同材料的斗齒，而且針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)、酸堿腐蝕等特殊環(huán)境也對(duì)斗齒材料內(nèi)部的合金元素配比做了調(diào)整。萊比塘采礦項(xiàng)目在雨季施工時(shí)，其礦坑底部的酸性積水對(duì)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(wèn)題目前仍沒(méi)有得到很好的解決。針對(duì)這一問(wèn)題，有必要聯(lián)系國(guó)內(nèi)耐磨材料生產(chǎn)廠家一起攻關(guān)解決。

3.2 優(yōu)化斗齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)損壞斗齒的觀察可以看出：部分斗齒尖并未發(fā)生嚴(yán)重的磨損，但卻會(huì)斷裂、變形，由此可以看出斗齒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，應(yīng)采用仿真軟件模擬斗齒的工況環(huán)境，有針對(duì)性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高斗齒的使用壽命。我國(guó)在斗齒結(jié)構(gòu)方面也進(jìn)行了很多有效的改進(jìn)，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(jìn)后的斗齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低。硅油橡膠減震墊套在挖掘硬物時(shí)具備減振作用，可以有效減少對(duì)液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)乃至整機(jī)的沖擊，起到了有效的保護(hù)作用，保證了挖掘機(jī)的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)了斗齒的使用壽命。萊比塘采礦項(xiàng)目也對(duì)各種型號(hào)挖機(jī)斗齒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，斗齒各處的磨損程度也比較合理并極少發(fā)生斷裂、變形情況。目前，萊比塘采礦項(xiàng)目尚未引進(jìn)硅油橡膠減震墊套，如有條件，可以選擇某種型號(hào)挖機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化斗齒結(jié)構(gòu)并安裝試用硅油橡膠減震墊套。

3.3 優(yōu)化制造工藝，強(qiáng)化處理斗齒表面

為了充分發(fā)揮斗齒材料的性能，除了做好選材工作外，還應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，以免斗齒材料過(guò)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(nèi)部的組織均勻性， 使材料達(dá)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(yīng)針對(duì)不同材料的鑄件采用不同的方式實(shí)施熱處理，比如對(duì)高錳合金鋼的鑄件必須進(jìn)行正火環(huán)節(jié)，通過(guò)使鑄件內(nèi)部晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化達(dá)到提高硬度、減少磨損的目的，進(jìn)而提高其使用壽命。在相同的工況條件下，經(jīng)過(guò)合理熱處理的斗齒使用壽命是沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(qiáng)，為了增強(qiáng)其耐磨性，可以在其表面采用強(qiáng)化技術(shù)以保證斗齒的塑韌性。強(qiáng)化處理技術(shù)包括炸藥爆炸、堆焊以及錘擊等方法，尤以堆焊技術(shù)應(yīng)用的最為廣泛，常被使用的堆焊材料有鎢鈷類硬質(zhì)合金以及Ni、Mo高鉻白口鑄鐵材料等。

4 結(jié) 語(yǔ)

在滿足挖掘機(jī)鏟斗原有結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能的前提下，緬甸萊比塘露天銅礦采礦項(xiàng)目與國(guó)內(nèi)有資質(zhì)的斗齒生產(chǎn)廠家進(jìn)行了密切合作，大部分型號(hào)的進(jìn)口挖掘機(jī)已經(jīng)在批量試用國(guó)產(chǎn)斗齒，從目前的使用效果、性價(jià)比、供貨周期等方面看效果不錯(cuò)，取得的經(jīng)濟(jì)效益良好。目前，萊比塘采礦項(xiàng)目從國(guó)內(nèi)定制的斗齒仍為高錳合金鋼斗齒，并且將來(lái)也要引進(jìn)超高錳合金鋼和低碳合金鋼斗齒，爭(zhēng)取做到所使用的斗齒與施工環(huán)境相匹配，早日攻克礦坑內(nèi)積水酸腐這一難題。盡管斗齒國(guó)產(chǎn)化研究取得了一些進(jìn)展，但與國(guó)外挖掘機(jī)斗齒的使用壽命相比仍需要不斷努力和探索，還應(yīng)根據(jù)挖掘機(jī)的具體施工環(huán)境選擇更合理的斗齒材料、設(shè)計(jì)科學(xué)的結(jié)構(gòu)類型、改善制造工藝并采用有效的表面強(qiáng)化技術(shù)，以達(dá)到延長(zhǎng)斗齒使用壽命、提高生產(chǎn)效率、降低成本的目的。