專利名稱：耐磨損零件的鑄造方法
技術領域：
本發明涉及耐磨損零件的鑄造方法，特別是涉及適合于要求高硬度的耐磨損零件的鑄造方法。
以往，為了提高要求耐磨性好的零件的硬度，作為提高零件壽命的鑄造方法有以下幾項技術。
眾所周知的方法是用低碳鋼系列鑄造成所要求的形狀，鑄造后再進行滲碳處理，使零件表面的含碳量增加，然后，再通過淬火處理來提高表面硬度。另外，可根據需要對鑄件進行回火處理，成為既具有耐磨性，又具有韌性的耐磨損零件。此外，使用中碳鋼系列，在鑄造之后進行短時間的高頻淬火處理，把經過這種處理的零件作為耐磨損零件。
但是，采用這種滲碳淬火法，零件的表面硬度Hv雖可高達850左右，然而在要求硬化層深度較深例如2mm或2mm以上的硬化層深度時，存在著處理時間非常長、零件價格很貴等問題。在采用高頻淬火方法的情況下，每個鑄鋼件都需要制作淬火線圖，而且除了形狀簡單的鑄鋼件之外，要想得到一定的硬度及硬化層深度是很困難的。
其它的現有技術，例如采用在鑄型的內表面裝一層硬質合金片，然后澆入鋼液的填充金屬法，該方法使硬質合金片結合在鑄件上而得到硬度非常高的耐磨損零件(例如，參照日本專利公開平2-187250號公報)。另外，將網狀高合金鋼細絲設置在鑄型的固定座上，并根據需要在這些細絲上涂敷超硬質合金粉末，然后注入鋼液，便可獲得耐磨損性能良好的鑄件(例如，參照日本專利公開平3-28974號公報)。
但，采用這種超硬質合金片填充金屬法存在著下述問題，即硬度相對低的金屬填充部分受磨損，使鑄件表面呈超硬質合金片突出狀態，由于沖擊截荷等作用就會使韌性低的超硬質合金片產生破損、破壞，在超硬質合金片所占比例非常高的部位使用壽命就短。使用高合金鋼細絲的方法存在的問題是，雖然產生破損、破壞的情況少，但是，在規定部位上保持超硬質合金粉末的方法卻很難，而且費工時。
另外，本專利申請人在未公開的日本專利申請平6-34231中提出了在鑄型表面涂敷石墨粉等，然后再澆注鋼液的方法，該方法可在零件表面形成高碳硬化層，根據需要可進行熱處理，這樣，便可獲得高硬度的耐磨損零件。
但是，采用這種涂敷方法的問題是，硬化層深度為3mm左右，難以形成更厚的硬化層。
本發明是為了解決現有技術所存在的上述問題而開發的，目的是為了提供一種容易在零件所需要的位置上形成硬化層，適合于制造具有耐磨損性和韌性的鑄造零件的耐磨損零件的鑄造方法。
本發明耐磨損零件的鑄造方法是部分具有超硬質構件的耐磨損零件的鑄造方法，其中把超硬質粒子組成的、形成硬化層的材料填充到可熔化于鋼液的保持構件內部，然后再把填充了硬化層形成材料的保持構件設置在鑄型內，再將鋼液澆注到該鑄型內，使保持構件熔化到鋼液中，同時使超硬質粒子分散、使鋼液凝固。另外，硬化層形成材料也可由超硬質粒子、石墨粉及(或)金屬粉構成。保持構件可用能夠熔化于鋼液的軟鋼鋼管做。
采用這種構造，由于內部填充了超硬粒子的保持構件可熔于注入的鋼液內，所以當超硬質粒子與鋼液接觸時會分散到鋼液中。經過冷卻、凝固而獲得的鑄造零件，其表面及(或)內部分布有超硬質粒子。因此，在超硬質粒子分散的部分便形成高硬度的硬化層，而且硬化層以外的部分仍保持著鋼液成分的特性，所以這種方法可以制造出部分為高硬度、而且具有韌性的耐磨損零件。
另外，在超硬質粒子中加入石墨粉末的情況下，在澆注時石墨粉末熔化入鋼液中、并進行擴散，因此，擴散部分的含碳量高、硬度高。當加入各種合金粉之類的金屬粉時，由于金屬粉熔入鋼液并擴散，因此，可調整零件的部分材質。
用軟鋼制的管子作保持構件，可以容易地將它設置在鑄型內所要求的位置上，而且可根據需要選擇保持構件的尺寸、形狀等，即根據需要選擇填充狀態的超硬質粒子的尺寸及形狀等，因此，可自由控制硬化層的位置及硬化層范圍。
附圖的簡要說明
圖1是作為本發明實施例1及實施例2的應用例的挖掘機械的鏟斗主要部分的軸側圖；圖2是實施例1的鑄型剖面的說明圖3是實施例1的齒的模式的剖面圖；圖4是表示實施例1的齒熱處理后的剖面硬度分布圖表；圖5是本發明實施例2的鑄型的斷面說明圖；圖6是實施例2的齒的模式的剖面圖；圖7是本發明實施例3的鑄型的主要剖面的說明圖；圖8是與圖7的Z-Z剖面對應的平巷掘進機尖端(ripper point)的模式剖面圖；圖9是表示實施例3的平巷掘進機尖端的剖面硬度分布圖表；圖10A、圖10B是說明本發明實施例4的端部截齒(endbit)的圖，圖10A為端面截齒用鑄型的重要部位橫剖面圖，圖10B為鑄造后的模式剖面圖；圖11是由本發明實施例5的多個保持構件組成的網孔狀結構的軸測圖；圖12是實施例5的鑄型的主要剖面說明圖。
下面按照附圖詳細說明本發明耐磨損零件的鑄造方法的理想實施例。
實施例1作為本發明的應用例是以一種挖掘機械刃部，即齒作為對象。在圖1中，挖掘機械之一的油壓挖土機等的建設權械的作業機(圖中未示出)的前端設有鏟斗1，在鏟斗本體2的前端部分設有多個安裝構件3，通過銷4分別把成為刃部的多個齒5安在裝構件3上。
在圖2中，鑄型10是由鑄型11及12構成的，而且形成有齒5(參照圖1)用的空隙13。該鑄型11具有澆口15及齒5的凹部用型芯14。這些鑄型11、12可采用濕型、CO2型、自硬性型等普通鑄造用鑄型。另外，鑄型11內設有多個保持構件16，該保持構件16的一部分突出到空隙部13內，另一部分埋入鑄型11內。這樣，保持構件16便可容易地設置在穩定的規定位置上。該保持構件16雖然是使用軟鋼鋼管，但只要能熔化于鋼液的材料就行，例如可采用各種鋼、銅、鎳等金屬、復合材料及樹脂等非金屬材料。
在上述保持構件16的內部，填充有硬化層形成材料19。在本實施例中，先將硬化層形成材料19填充到軟鋼鋼管內，然后將該軟鋼鋼管的兩端封住。該硬化層形成材料19，是由約60％(重量)的超硬質粒子17、約40％(重量)的石墨粉18組成的，超硬質粒子17可采用碳化鎢(例如W2C)系硬質合金粒。本實施例的硬質合金粒的粒度為0.1～0.7mm的混合粒。
使用這種結構的鑄型10，將鑄鋼鋼液從澆口15注入鑄型內。這種鑄鋼可以是一般組成成分，用含碳0.2～0.4％左右的低碳系列鋼例如SCCrM1，澆注溫度為1450～1600℃左右。一旦澆入鋼液，保持構件16即軟鋼鋼管便熔化，內部的硬化層形成材料19便與鋼液接觸。然后，比重大的鎢系碳化物的硬質合金粒17的表面少量熔化于鋼液，主要是向下方移動并分散，另外，石墨粉18主要是固溶在鋼液內，并擴散。這些粒子的分散、擴散行為由于鋼液的冷卻、凝固而基本完畢，從而可獲得齒5的鑄件。凝固后，亦可根據需要而對鑄型10的整體或一部分進行空冷或水冷等強制冷卻。
圖3所示為本實施例所得到的齒5的模式的剖面，形成有多個局部性的硬化層21。該硬化層21與硬質合金粒17及石墨粉18(參照圖2)的分散、擴散部相對應，得到的是所要求的部分硬化了的鑄造品。用EPMA沿著線L1從表面P1向內部方向，對齒5的剖面部的含碳量進行了分析。根據該分析數據進行推定，從表面P1到內部含碳量逐漸升高，從內部向內表面一側含碳量逐漸降低，而與主體材22的含碳量相等。另外，該鑄件從表面部到內部碳含量逐漸增高、同時硬質合金粒17分散，形成高硬度的硬化層21，其硬化層深度非常深。因此，鑄件既具有耐磨損性又具有韌性，因為部分形成硬化層，具有耐靡損性，其他部分是硬度相對較低的主體材，具有韌性。
要求在更高載荷下使用齒5的情況下，可達到壽命長，而且韌性好。
下面，參照圖就本發明的耐磨損零件鑄造方法的實施例2進行說明。本實施例同實施1一樣，應用例是以挖掘機械用的刃部的齒5為對象。
在圖5中，構成鑄型20的鑄型24具有保持構件26，該保持構件的一部分突出到空隙部25內，一部分埋入鑄型24內。將硬化層形成材料19填充到保持構件26(該構件是將軟鋼鋼管大體彎曲成U字形而形成的)內，并將封住的部分固定在鑄型24上。該保持構件26是這樣裝在鑄型24內的，即在齒5的寬度方向上并列地設在三個位置上。
同實施例1一樣，將鑄鋼鋼液注入具有上述結構的鑄型20內，使其冷卻凝固。如圖6所示，這樣得到的齒5，在與硬質合金粒17及石墨粉18的分散、擴散相對應的位置上，形成硬化層28，同實施例1一樣，獲得具有良好耐磨損性和韌性的鑄件。
下面對照圖就本發明耐磨損零件鑄造方法的實施例3進行說明。本實施例以建設機械的挖掘用刃部的一種即平巷掘進機的前端為應用對象例。
在圖7中，平巷掘進機前端用鑄型30是由鑄型31、32及型芯34構成的，形成有平巷掘進機前端用空隙部分33。軟鋼鋼管保持構件36以碳化鎢粉作為形成硬化層的材料(圖中未示出)填充之后，將兩端部封住。該兩端部設置在型芯34的缺口部34a及鑄型32的缺口部32a內，并在鑄型31、32的分型表面35部被采用上述強制冷卻方法來提高鑄件的硬度，也可根據需要在鑄件凝固后進行熱處理。這種熱處理可采用淬火、回火等一般性熱處理。在本實施例中是將鑄件加熱到950℃后進行油淬火，然后在200℃進行回火，再進行空冷。這樣得到的齒5，用維氏硬度計測定斷面(與圖3的線L1在一線上)的硬度分布示于圖4。從該圖可以看出硬化層深度較深，約為18mm。根據對斷面組織觀察的結果進行推定深度3mm左右的表面部密集著硬質合金粒，在深度3mm～約11mm的范圍內，是以馬氏體為基礎并分散有硬質合金粒。到深度18mm處為止的范圍內，含碳量逐漸降低，是以馬氏體為基礎的。硬質合金粒密集部的平均硬度(維氏硬度)非常高，為804。本鑄件具有良好的耐磨損性固定。該保持構件在平巷掘進機前端寬度方向(在圖7中為前后方向)上的五個位置上。
與實施例1一樣，將低合金鋼系的鑄鋼鋼液注入到具有上述結構的鑄型30內，使其冷卻、凝固。這樣鑄造而成的平巷掘進機前端37如圖8所示，在內部形成硬化層39，在外部形成保持有鋼液成分特性的主體材38。硬化層39上部的五個兩點點劃線圓圈表示注入鋼液之前的保持構件36的推定位置。
圖9為從圖8所示的平巷掘進機前端37剖面的線L2上的表面P2到內表面P3之間的維氏硬度分布情況。硬化層39是明顯的高硬度層，最硬部分的硬度高達850左右。另外，主體材38的硬度約為400。組織觀察的結果表明，在硬化層39上分散有碳化鎢，而且推測碳化鎢分解而使硬化層的含碳量增加。由于上述原因，平巷掘進機前端37的表面韌性不降低、內部的硬度非常高，是高強度耐磨損零件。當然，也可根據需要對平巷掘進機前端進行一般的熱處理，例如淬火、回火或退火處理等。
下面參照附圖對本發明的耐磨損零件鑄造方法的實施例4進行說明。本實施例是以建設機械等的排土用刃部即端部截齒作為適用對象例。
在圖10A，端部截齒用的鑄型40是由鑄型41(作為上型，圖中未示出)及42構成，在鑄型內形成板狀的端部截齒用的空隙部43。根據該鑄型42的端部形狀彎曲加工而成的軟鋼鋼管保持構件44，是以碳化鎢粉和碳化鉬粉的混合粉作為形成硬化層的材料(圖中未示出)而填充在內部，如圖10A那樣進行設置，通過上型41固定。
與實施例1一樣，將鑄鋼鋼液注入具有上述構造的鑄型40內，使其冷卻、凝固。這樣鑄造而成的端部截齒45如圖10B所示，由于在具有曲線部的端面部上形成硬化層46，因此，該鑄件是高硬度、而且只在要求耐磨損性能好的部位具有硬化層的鑄件。此外，由于采用多個經彎曲加工而成的保持構件，所以也可在所要求的曲面上形成硬化層。
下面參照圖就本發明的耐磨損零件的鑄造方法的實施例5進行說明。本實施例是作為上述實施例中保持構件的進一步應用例來說明它的構造、往鑄型內設置的方法以及斷面形狀等。
在圖11中，網孔狀結構50是由填充了硬化層形成材料之后的多個保持構件51構件的。在需要將各保持構件51之間進行固定的情況下，可對接觸部52進行焊接、錫焊，用粘結劑等進行粘結或用鋼絲等細絲纏繞也行。該網孔狀結構50是與要求形成硬化層的位置相對應地設置在鑄型內。
如圖12所示，在鑄件的上部側形成硬化層的情況下，把網孔狀結構50(50a)設在相當于鑄型60的上型的鑄型61的頂棚部。另外，在鑄件下部側形成硬化層的情況下，要將網孔狀結構50(50b)設置、固定在鑄型61、62的鑄型表面63之間。其固定方法，可往鑄型61、62的缺口等形成部上固定，可用鋼絲、粘結劑等進行固定，或在制作模型時用型砂固定也行。把規定的鋼液注入設有這種網孔狀結構50(50a或50b)的鑄型60內，便可得到硬化層65或66。該硬化層65、66在鑄件的較廣范圍內形成，使鑄件具有耐磨損性，壽命長。這種網孔狀結構50可疊片設置，或做成籠狀等所要求的形狀。
以上對本發明的耐磨損零件的鑄造方法進行了詳述，但本發明不局限于上述實施例中的內容。例如，關于填充了硬化層形成材料的保持構件，實施例中僅就其斷面為園形的情況進行了說明，但也可根據需要將斷面選為橢園形、多角形、星形、園筒形、板形、曲面狀等。另外，硬化層形成材料除了超硬質粒子之外，還可根據鑄件所要求的特性添加石墨粉以及(或)鎳、銅、鈷等金屬粉末。該超硬質粒子除了碳化鎢外，還可以鈦、硼、鉻、釩、硅、鉬等的碳化物中選擇一種以上的碳化物、或用含有這些碳化物的各種合金粉的超硬質粒子。本發明的耐磨損零件可適用于要求耐磨損性和韌性的零件，可用于各種挖掘機械的刃部、齒輪、內燃機的連桿等。
本發明是部分地而且是在所要求的位置上形成硬化層，同時還能形成保持鋼液成分特性的主體材部，因此，作為既具有耐磨性、又具有韌性的耐磨損性零件的鑄造方法是十分有用的。
權利要求
1.一種耐磨損零件的鑄造方法，所述鑄造方法為部分地設有超硬質構件的耐磨損零件的鑄造方法，其特征在于，把由超硬質粒子(17)組成的硬化層形成材料(19)填充到可熔化于鋼液的保持構件(16)內部，然后將填充了所述硬化層形成材料(19)之后的保持構件(16)設置在鑄型(10)內，再將鋼液注入該鑄型(10)內，使所述保持構件(16)熔化于所述鋼液內，同時使超硬質粒子分散、使鋼液凝固。
2.如權利要求1所述的耐磨損零件的鑄造方法，其特征在于，所述硬化層形成材料(19)是由超硬質粒子(17)和石墨粉(18)及(或)金屬粉組成的。
3.如權利要求1或2所述的耐磨損零件的鑄造方法，其特征在于，所述保持構件(16)是由可熔化于鋼液的軟鋼鋼管做成的。
全文摘要
一種耐磨損構件的鑄造方法，可容易在所要求的位置上形成硬化層，獲得具有耐磨損性和韌性的耐磨損零件。把由超硬質粒子組成的硬化層形成材料填充到可熔化于鋼液的保持構件的內部，且將該保持構件設置在鑄型內，再將鋼液注入該鑄型，使保持構件熔化于鋼液，使超硬質粒子分散、鋼液凝固。硬化層形成材料由超硬質粒子和石墨粉及(或)金屬粉組成的。
文檔編號E02F9/28GK1147778SQ95192959
公開日1997年4月16日 申請日期1995年5月10日 優先權日1994年5月13日
發明者本川博幸 申請人:株式會社小松制作所