用于挖掘铲斗的唇缘

本申请是申请日为2020年3月26日、国际申请号为PCT/US2020/024989、国家申请号为202080022903.3、名称为“用于挖掘铲斗的唇缘”的进入中国国家阶段的国际申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2019年3月27日申请的美国临时专利申请第62/824,949号的优先权益，该案全部内容以引入的方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及一种用于供如拉铲挖掘机、电缆铲、正铲、液压挖掘机等挖掘机使用的挖掘铲斗的唇缘。

背景技术

挖掘机，如在采矿和建筑操作中使用的挖掘机，包括接合地面以收集大量土质材料的铲斗。铲斗一般由后壁、底壁和侧壁界定，由此界定一个空腔，该空腔具有用于接收挖出的材料的敞开式前部。底壁的前缘具有唇缘，一般在该唇缘上附接地面接合工具，如齿、适配器和/或护罩，以保护唇缘免于磨损并在挖掘期间更好地打碎地面。唇缘是由板式钢(称为板式唇缘)或由铸造方法(称为铸造唇缘)形成。

发明内容

在第一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有至少7重量％的铬且具有初生马氏体结构(primarily martensitic structure)的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有至少7％的铬、至少3％的镍和0.12％或更低百分比的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有至少10％的铬、至少3％的镍和0.12％或更低百分比的碳以及任选地3％或更低百分比的锰、硅和/或钼中的一种或多种且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有10％-15％的铬、3％-6％的镍和0.12％或更低百分比的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有10％-15％的铬、3％-6％的镍以及≤0.10％的碳、锰、硅和钼中的每一种且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有7％至10％的铬、至少3％的镍和0.12％或更低百分比的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有7％-9％的铬和0.12％或更低百分比的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有与CA6NM合金相同的成分组成且具有初生马氏体结构的合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有初生马氏体结构的低碳不锈钢构成。

在另一实例中，具有上述合金中任一种的唇缘是通过砂型铸造和/或空气硬化方法形成。

在另一实例中，具有上述合金中任一种的铸造唇缘包括内表面和外表面，其中所述外表面包括凹槽，所述凹槽例如可减小唇缘的总重量。

在另一实例中，具有上述合金中任一种的铸造唇缘包括至少在所述唇缘的每个端部附近的弯曲部分，由此使唇缘的端部向上弯曲并且大体上与铲斗的侧壁对齐。此类唇缘适合与电缆铲一起施用，不过其它用途也是可能的。任选地，唇缘的外表面包括凹槽

本公开上述实例各自适合用作大型挖掘铲斗，如拉铲挖掘机、电缆铲、正铲和液压挖掘机中所发现的挖掘铲斗的铸造唇缘。此类唇缘延伸跨过铲斗的宽度，形成主要挖掘边缘。此类唇缘可例如重达约30,000磅，和/或可具有约九英寸或更大的最大厚度。

相较于当前的低合金钢铸造唇缘，根据本公开的唇缘可在关于焊缝、硬度和/或磨损寿命的屈服强度、疲劳强度和/或持久极限方面提供改善。

在用于制造根据本公开的铸造唇缘的方法的一个实例中，将上述铁合金中的一种熔融，将熔融的合金馈送至砂模中以使合金成形为用于挖掘设备的唇缘结构，使所述合金硬化以使其具有初生马氏体结构，然后将所述唇缘回火以获得韧性。在一个实例中，唇缘是空气硬化的。

根据本公开的铸造唇缘可通过焊接方法修复、重建、紧固于铲斗中和/或装备附件。在一个实例中，焊接是通过焊接材料实现，所述焊接材料与合金基础材料相同或类似。

在另一实例中，唇缘和焊接材料各自是铬铁合金。在另一实例中，唇缘由CA6NM合金构成并且焊接材料是309型不锈钢。

附图说明

图1是具有根据本公开的唇缘的挖掘铲斗的透视图。

图2是铸造唇缘的俯视透视图。

图3是铸造唇缘的仰视透视图。

图4是具有根据本公开的唇缘的另一挖掘铲斗的透视图。

图5是附接有地面接合工具的根据本公开的铸造唇缘的另一实例的透视图。

具体实施方式

本公开涉及用于挖掘铲斗，如用于拉铲挖掘机、电缆铲、正铲、液压挖掘机等的挖掘铲斗的铸造唇缘。

铸造唇缘是大型钢制结构，所述结构延伸跨过用于挖掘机，典型地大型采矿机的铲斗的宽度，由此形成其主要挖掘边缘。唇缘可通过在一个模具中铸造整个唇缘或通过铸造唇缘区段，将这些唇缘区段焊接在一起形成完整唇缘来形成。例如，铸造唇缘可重约6500磅至约29,000磅。唇缘区段典型地较小；作为一个实例，端部区段可重约2000磅。铸造唇缘往往具有约9英寸或更大的最大厚度。通常，它们在约4-16英寸最大厚度的范围内，但其它变化也是可能的。厚度尺寸是唇缘内面与外面之间的距离。铸造唇缘可包括用于安装挖掘齿的向前突出的鼻部。鼻部通常与唇缘或唇缘区段一体地铸造。鼻部也可单独地铸造并焊接于唇缘的前部。有时，也可通过焊接于唇缘的适配器来装备此类鼻部。在其它实例中，具有鼻部的适配器机械地附接至唇缘。这通常是电缆铲唇缘的情形。数十年来，铸造唇缘一直由低合金钢构成，因为这些钢具有高强度和韧性且制造成本低。

用于挖掘设备的铸造唇缘通常是通过砂型铸造方法制造，在该方法中，将熔融的钢馈送至砂模中。与任何大型钢制铸件一样，制造无缺陷的唇缘铸件非常困难。大型铸件在铸造状态中具有一些缺陷并不少见。典型缺陷可以是夹杂物、热撕裂、裂纹、多孔等。铸钢企业中的常规实践是通过焊接修复此类缺陷，只要修复不会损害成品部件的功能即可。出于其它目的，焊接于铸造唇缘上也很常见。例如，鉴于铸造唇缘的大小，这些唇缘有时是分区段铸造(典型地铸造为两个或三个区段)，将这些区段焊接在一起形成单一唇缘。铸造唇缘被焊接至铲斗中。鼻部、适配器和护罩有时被焊接至唇缘。附件，如凸台等，有时被焊接至唇缘以紧固磨损部件。通常也通过焊接方法，典型地沿着前端修复和/或重建在使用期间造成的唇缘损坏。

尽管在一些情况下，低合金铸造唇缘上的焊缝修复是用大致匹配唇缘材料的强度的焊接填充材料进行，但修复焊缝最常用较软的铁基焊接材料，如E70系列碳钢填充材料进行。当焊缝修复可经历焊接后热处理(铸造厂中的铸件修复有时是这种情形)时，使用匹配材料可在抗疲劳性和抗磨损方面提供优势。如果修复焊缝不能经历焊接后热处理，则可使用匹配不足的填充材料。使用匹配不足的填充材料是一种焊接工程技术，当焊接可硬化的钢时，特别是当无法执行焊接后热处理时，这种技术对于避免氢辅助开裂极有帮助。出于相同原因，也优选使用匹配不足的填充材料进行加工焊接(fabrication welding)，如将唇缘焊接至铲斗中。这些加工焊缝可能很厚，并且相关联的应力可能极大。使用匹配不足的填充材料将限制这些应力的量值，由此大幅增加制造良好且无裂纹的加工焊缝的可能性。然而，使用较软的焊接材料使唇缘在使用期间更易于在这些位置处损坏。例如，较软的材料不太能够承受住在挖掘期间通常施加的较高循环负荷，和/或典型地在挖掘中碰到的高水平磨损。

本公开涉及一种用于挖掘设备的铸造唇缘，所述唇缘由具有相对较高水平的铬的铁合金构成。在一个实例中，铸造唇缘可由具有至少7重量％并且优选地10％或更高百分比的铬的铁合金构成。本文中提供的所有成分百分比都是以重量计。铁合金是有至少50％的铁的合金。唇缘还优选地具有大于或等于3％的镍和小于或等于0.12％的碳。其它元素组合也是可能的。唇缘将硬化为具有初生马氏体结构以提供足够的强度，以便用作土工设备的唇缘。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有至少10％的铬、至少3％的镍和小于或等于0.12％的碳以及任选地小于或等于3％的锰、硅和/或钼中的一种或多种且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有在10％-15％之间的铬、3％-6％的镍和小于或等于0.12％的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有在10％-15％之间的铬、3％-6％的镍以及小于或等于0.10％的碳、锰、硅和钼中的每一种且具有初生马氏体结构的铁合金构成。较低的碳量(即，≤0.10％)对于获得高性能唇缘是优选的，但至多≤0.12％通常也是可接受的。

在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有CA6NM组成的合金构成，该合金是包括小于或等于0.06％的碳、小于或等于1％的锰、小于或等于1％的硅、小于或等于0.04％的磷、小于或等于0.03的硫、11.5％-14％的铬、3.5％-4.5％的镍和0.4％-1％的钼且硬化为初生马氏体结构的铁基合金。在另一实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有初生马氏体结构的低碳不锈钢构成。

尽管具有相对较高水平的铬的钢(如在上文所论述的不锈钢合金中发现的钢)将提供一般优选的水平的所希望益处，但作为替代方案，可能需要通过使用非不锈钢合金(即，具有较低但仍足够高水平的铬以获得本文所论述的益处的合金)降低铸造唇缘的成本。在此类情况下，用于挖掘设备的铸造唇缘可由具有7％-10％的铬和小于或等于0.12％的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。在另一个此类实例中，用于挖掘设备的铸造唇缘由具有7％-9％的铬和小于或等于0.12％的碳且具有初生马氏体结构的铁合金构成。另外，如上文关于其它实例所提到的，3％-6％的镍和/或3％或更低百分比的锰、硅和/或钼中的一种或多种。或者，合金可限于≤0.1％的锰、硅和/或钼中的每一种。

通过使用如上所述的铬合金，可使用与唇缘的基础合金匹配或类似的焊接材料。例如，如果唇缘由CA-6NM组合物制造，则可使用具有“410Ni-Mo”组成的填充材料。用这一材料制成的焊缝沉积物对热处理的反应与CA-6NM基础金属非常相似，并且当经历适当热处理时，也可实现类似的特性。使用本文所描述的唇缘和具有类似组成的焊接材料能够使焊接的区域具有与基础合金类似的强度和抗磨损性并由此避免在当前低合金铸造唇缘中碰到的某些弱点。将待焊接区域周围的基础材料预加热并在焊接之后对焊接的区域进行热处理可产生在强度和韧性方面大体上匹配唇缘的基础合金的焊接的区域。当焊接后热处理不可能或不合乎需要时(如在将唇缘加工焊接至铲斗中时)，可将不同的奥氏体不锈钢填充材料，如309型填充材料用于本公开的焊接唇缘。尽管这一组合被视为独特的，但应注意，使用匹配不足的填充材料是一种已知的焊接方法，当加工焊接高度可硬化的钢，如常规低合金钢唇缘时常使用这一焊接方法。尽管这一奥氏体填充材料较软，但该材料可用于避免氢辅助开裂，而这可以是在焊接高强度钢时的主要问题。

利用根据本公开的铸造唇缘也可实现其它益处。例如，相较于当前由低合金钢构成的唇缘，根据本公开的唇缘可在关于焊缝、硬度和/或磨损寿命的屈服强度、疲劳强度和/或持久极限方面提供改善。在一个实例中，下表比较了本发明的铸造唇缘合金的一个实例(标称0.03％C-0.05％ Mn-0.6％ Si-12.75％ Cr-4％ Ni-0.5％ Mo)与当前低合金钢制铸造唇缘的一个实例。

表1：机械特性对比改善

根据本公开的铸造唇缘可在焊接之后维持相当大的疲劳强度，比常规低合金铸造钢制唇缘要轻，和/或提供改善的强度。这些优势可例如通过提供例如较长的使用寿命、较短的机器停工时间、较容易的修复和/或构件附接、增加的负载能力、较佳的穿透性、较少材料使用和/或抗腐蚀性来抵消与本文所描述的铬合金相关的成本增加。

相较于常规低合金铸造唇缘，根据本公开的铸造唇缘的机械特性改善能够将较细长的唇缘用于相同挖掘机。减小唇缘重量为机器提供较大的最大负载，因为最大负载包括铲斗和附件的重量以及负载中所包含的负载量。较细长的轮廓还便于在挖掘期间铲斗穿透至地面中。根据本公开的此类唇缘则可提供较轻且穿透性较佳的唇缘、挖掘机的较高产量、对设备的较少磨损和/或较快的循环时间。总而言之，这些优势都会产生更高效的挖掘方法。或者，尺寸与当前低合金铸造唇缘相同的铸造唇缘也可用于更稳固的环境中，例如所制造的尺寸与制造用于正常用途的低合金铸造唇缘相同的本发明的唇缘可用于重载级(heavy-duty)和/或超重载级环境中。

本公开上述实例各自适合用作大型挖掘铲斗，如在例如拉铲挖掘机、电缆铲、正铲和液压挖掘机中所发现的挖掘铲斗的铸造唇缘。此类唇缘延伸跨过铲斗的宽度，形成铲斗的主要挖掘边缘。本公开中上文论述的唇缘的实例特别适合用于重至少6500磅的唇缘，所述唇缘由至少2000磅的唇缘区段形成和/或具有至少9英寸的最大厚度。举例来说，此类唇缘可重约6500磅至约29,000磅，在焊接在一起形成唇缘之前，唇缘区段可重约2000磅或更重，并且铸造唇缘可具有范围自约4-16英寸的最大厚度，不过，其它变化也是可能的。铸造唇缘一般具有变化的形状以使强度最大，使重量最轻和/或定制用于特定操作和/或磨损部件附接的形状。

在一个实例中，用于制造根据本公开的用于土工设备的唇缘的方法包括将上述铬铁合金中的一种熔融，将熔融的合金馈送至砂模中以使所述合金成形为用于土工设备的唇缘，并使所述合金硬化。唇缘优选地在周围环境中经历空气硬化，以形成初生马氏体结构，但淬火也是可能的。对当前的低合金钢铸造唇缘进行淬火以形成所希望的马氏体结构。在硬化之后，将铸造唇缘回火以提供所希望的韧性，以便用作土工设备的唇缘。这一硬化和回火的组合可产生强度和韧性的组合，而这是紧固于挖掘机的铲斗中的铸造唇缘所希望的。

参看图1-3，铸造唇缘10的一个实例包括前部部分20、后部部分16、在唇缘10的两侧上的耳部(ear)45、上表面46和下表面32。根据本公开的铸造唇缘10例如在唇缘后部16的背面44处与拉铲挖掘机铲斗2在铲斗2的前部部分4处相焊接，且沿翼形部或耳部45焊接至铲斗体8。这一唇缘构造公开于美国专利9,963,853中，该案以引用的方式并入本文中。

唇缘10具有在铲斗8的相对侧壁40之间(例如跨铲斗宽度)延伸的伸长构造或长度25。下表面32包括通过脊状部、肋片、间隔件或其它结构35隔开的多个凹槽36；这些凹槽减小唇缘的重量，同时仍提供所希望的强度。这只是一个实例，并且其它唇缘构造也是可能的。

在所示实例中，唇缘10包括沿唇缘10的前部部分20间隔开的一组鼻部26。鼻部26从主要唇缘结构25向前延伸以用于安装地面接合工具。唇缘10的前端或前部部分20还在鼻部之间包括前部边缘30。地面接合部件如护罩典型地紧固于前部边缘30上方。齿组件典型地紧固于鼻部26上方。这一唇缘10显示为紧固于拉铲挖掘机铲斗中，但其也可紧固于包括例如电缆铲、正铲和/或液压挖掘机在内的其它机器的铲斗中。

参看图4-5，显示了具有铸造唇缘110和地面接合磨损产品的电缆铲斗铲的铲斗102，其包括外壳，该外壳界定用于接收土质材料的空腔。唇缘110包括前部部分120、后部部分116、在唇缘110的两侧上的耳部145、上表面146和下表面132。每个耳部或翼形部145在每个端部112上向上弯曲以用于电缆铲斗铲102。前部边缘通过安装地面接合工具，如齿组件107和护罩109覆盖。示出的护罩109延伸直至翼形部145。

这些所示唇缘仅仅是实例；实际上任何其它铸造唇缘结构也可用于本公开。