多元低合金耐磨鑄鋼斗齒的生產(chǎn)工藝優(yōu)化

遵化市新宏宇冶金機(jī)械有限公司 （河北 064200）李金富 朱國宏

目前，我國約有20萬臺以上不同型號的挖掘機(jī)在不同工況下服役，其斗齒消耗量很大。因此，開發(fā)新型耐磨材料，提高斗齒使用壽命，減少斗齒磨損造成的損失，具有極其重要的意義。

針對市場上所使用的各種挖掘機(jī)國產(chǎn)斗齒以高錳鋼為主，普遍存在硬度低，強(qiáng)韌性和耐磨性差，使用壽命短；國外進(jìn)口斗齒以低碳馬氏體鋼為主，多數(shù)都含有價格昂貴的鉬、鎳等合金元素，進(jìn)行復(fù)雜的熱處理，能耗高，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高，強(qiáng)韌性較差，以及使用中易斷裂等缺點(diǎn)，本項(xiàng)目提出以低碳廢鋼為主要原料，并加入少量鉻鐵、硅鐵、中碳錳鐵和微量Al、B、Y、K、Ca、Nb、Ti、N及Mg，通過優(yōu)化工藝，最終獲得一種多元低合金耐磨強(qiáng)韌鑄鋼斗齒。

一、耐磨鑄鋼斗齒工藝優(yōu)化分析

1.主要優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)設(shè)定

要求：硬度≥52HRC，沖擊韌度aKU≥40J/cm2，抗拉強(qiáng)度Rm≥1600MPa，斷裂韌度KIC≥90MPa·m1/2，伸長率A≥5%，斗齒淬硬層深度≥45mm。

2.耐磨鑄鋼化學(xué)成分設(shè)計

耐磨鑄鋼化學(xué)成分設(shè)計見下表。

耐磨鑄鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.耐磨鑄鋼的熔煉

多元低合金強(qiáng)韌化耐磨鑄鋼熔煉使用普通廢鋼、增碳劑、錳鐵、硅鐵和鉻鐵為原料，在500kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉。

（1）普通廢鋼、鉻鐵、鈮鐵和增碳劑混合加熱熔化，鋼液熔清后，當(dāng)鋼液溫度達(dá)到1580～1590℃時加入硅鐵，1600～1620℃時加入錳鐵。

（2）爐前成分調(diào)整合格后將鋼液溫度升至1640～1660℃，依次加入硅鈣合金、鋁、含氮物質(zhì)、鈦鐵后出爐。

（3）將含鉀物質(zhì)、硼鐵和重稀土硅鐵鎂合金破碎至粒度為5～10mm的小塊，經(jīng)180～220℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理。

4.耐磨鑄鋼的純凈化處理

鑄鋼內(nèi)在質(zhì)量與鋼液純凈度有很大關(guān)系，鋼液中的非金屬夾雜物可導(dǎo)致產(chǎn)品性能惡化，內(nèi)在品質(zhì)下降，同時非金屬夾雜物導(dǎo)致氣孔的形成，降低鑄件的致密度，損害鑄鋼的力學(xué)性能和耐磨性能。為減少鋼中夾雜物數(shù)量，在澆包底部安置透氣磚，向鋼液中吹氬氣，達(dá)到除氣和除夾雜物的目的。

研究發(fā)現(xiàn)，氣體壓力小于5MPa時，鋼液中殘留的氣體和夾雜物多，氬氣壓力超過20MPa后，氬氣對鋼液的攪拌加劇，易卷入氣體，澆包頂部富集夾雜物，污染鋼液。選擇氬氣流量10～20L/min，氬氣壓力5～20MPa，吹氬時間4～10min，吹氬后鋼液靜置時間3～10min的吹氬凈化處理工藝，鋼液凈化效果好。吹氬后鋼液中夾雜物明顯減少，有利于改善耐磨鑄鋼的強(qiáng)韌性。

5.耐磨鑄鋼的鑄態(tài)組織及熱處理

多元低合金鑄鋼的鑄態(tài)組織如圖1所示。其鑄態(tài)組織主要由珠光體和鐵素體組成，鑄態(tài)硬度只有320～380HBW，因此需要進(jìn)行淬火硬化處理。

圖1 多元低合金鑄鋼的鑄態(tài)組織

多元低合金鑄鋼在850～1000℃淬火后，均可以得到馬氏體組織。隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸增大，相變后的馬氏體板條束尺寸增大，因此，淬火溫度超過950℃后，淬火組織略顯粗化。淬火溫度的升高還導(dǎo)致合金元素在奧氏體中的均勻度也逐漸提高，淬火組織中出現(xiàn)殘留奧氏體。

6.淬火溫度對耐磨鑄鋼力學(xué)性能的影響

圖2顯示了淬火加熱溫度對耐磨鑄鋼抗拉強(qiáng)度、硬度、沖擊韌度和斷裂韌度的影響。隨著淬火溫度的升高，硬度和強(qiáng)度幾乎呈線性提高，當(dāng)淬火溫度超過950℃后，硬度和強(qiáng)度的變化不明顯，當(dāng)淬火溫度超過1050℃后，奧氏體晶粒出現(xiàn)粗化，且淬火組織中出現(xiàn)殘留奧氏體組織，綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和硬度呈現(xiàn)下降趨勢（見圖2a）。

圖2

耐磨鑄鋼在920～980℃淬火，具有良好的綜合力學(xué)性能（見圖2），因此，耐磨鑄鋼的淬火溫度選擇（950±10）℃。

7.回火溫度對耐磨鑄鋼組織和性能的影響

試樣經(jīng)950℃淬火后，在160℃、190℃、220℃、250℃和300℃回火后發(fā)現(xiàn)，回火溫度低于220℃，顯微組織無明顯變化，而回火溫度超過250℃后，顯微組織中出現(xiàn)低硬度的鐵素體組織，會降低材料的硬度和耐磨性，因此，回火溫度控制在220℃以下效果較好。圖3顯示了經(jīng)950℃淬火后回火溫度對耐磨鑄鋼硬度和沖擊韌度的影響。由于耐磨鑄鋼中不含鎳、鉬、鎢、釩等提高耐回火性的合金元素，隨著回火溫度的升高，耐磨鑄鋼的硬度逐漸降低，且在350℃左右出現(xiàn)回火脆性區(qū)。

圖3 回火溫度對耐磨鑄鋼力學(xué)性能的影響

耐磨鑄鋼經(jīng)950℃淬火后在不同溫度下回火3h，其抗拉強(qiáng)度隨回火溫度升高所發(fā)生的變化，如圖4所示。鑄鋼的抗拉強(qiáng)度隨回火溫度升高的變化規(guī)律與硬度相似，隨回火溫升高，鋼的抗拉強(qiáng)度明顯下降。但回火溫度低于250℃，強(qiáng)度下降趨勢相對較小。

圖4 回火溫度對耐磨鑄鋼抗拉強(qiáng)度的影響

磨損試驗(yàn)在MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。耐磨鑄鋼經(jīng)950℃淬火后在不同溫度下回火3h，回火溫度對耐磨鑄鋼耐磨性的影響如圖5所示。盡管耐磨鑄鋼的硬度隨回火溫度的升高而單調(diào)下降，但耐磨性并沒有隨著回火溫度升高而單調(diào)下降，在160℃以下回火，耐磨性略有降低，190～220℃以上回火，耐磨性反而略有提高，超過250℃回火后，隨回火溫度的進(jìn)一步升高耐磨性不斷下降。

圖5 回火溫度對耐磨性的影響

二、生產(chǎn)及應(yīng)用效果

采用500kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，以蠟?zāi)ず驼婵諒?fù)合鑄造成形工藝制造，結(jié)合蠟?zāi)ぶ圃於俘X尺寸精度高，表面質(zhì)量好，不易產(chǎn)生氣孔、縮松等鑄造缺陷等優(yōu)點(diǎn)，以及消失模真空鑄造生產(chǎn)效率高，鑄件不易塌箱，型砂可重復(fù)使用，以及工人勞動強(qiáng)度低等優(yōu)勢。與此同時，復(fù)合工藝又克服單純采用蠟?zāi)沧⒍俘X需要涂掛6～8層砂，既增加了工人勞動強(qiáng)度，也增加了蠟?zāi)どa(chǎn)成本，還延長了蠟?zāi)ず婵緯r間等缺點(diǎn)；避免了單純采用消失模真空鑄造工藝制造斗齒增碳嚴(yán)重，且斗齒各部位增碳不均勻，導(dǎo)致斗齒水淬時易出現(xiàn)裂紋等不足。斗齒產(chǎn)品經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測，強(qiáng)度超過1800MPa，沖擊韌度大于120J/cm2，無缺口沖擊韌度達(dá)到125～135J/cm2，斷裂韌度大于90MPa·m1/2，硬度達(dá)到56～58HRC，完全達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。斗齒成品實(shí)物見圖6。

圖6 斗齒成品

圖7為成品斗齒的沖擊斷口形貌，可見斷面上韌窩較多，且韌窩有一定的深度，表明該斗齒的韌性很好，可以確保斗齒的安全性。

圖7 斗齒的沖擊斷口形貌

多元低合金強(qiáng)韌化耐磨鑄鋼斗齒進(jìn)行了兩年的工業(yè)裝機(jī)考核，產(chǎn)品已應(yīng)用于長深高速工程、張曹鐵路工程和河北礦業(yè)工程。

該優(yōu)化工藝還成功生產(chǎn)破碎機(jī)錘頭、球磨機(jī)襯板等耐磨鑄件，批量投入市場。

三、結(jié)語

（1）在斗齒材料體系設(shè)計方面，用多元低合金強(qiáng)韌耐磨鋼，取代高錳鋼和鉬鎳合金化鑄鋼，材料成本低廉，比Mn13Cr2高錳鋼成本降低10%～12%。耐磨性好，其使用壽命比Mn13Cr2高錳鋼提高220%～250%。

（2）采用鑄態(tài)硬化處理，斗齒表面轉(zhuǎn)變成馬氏體，表面硬度明顯提高，不需高溫淬火，避免了高溫?zé)崽幚磉^程能源消耗和淬火裂紋廢品，且明顯縮短生產(chǎn)周期，還可減少斗齒清砂作業(yè)，每噸斗齒的淬火費(fèi)用可節(jié)省600～800元。

（3）多元低合金強(qiáng)韌化耐磨鑄鋼優(yōu)化工藝不僅可用于制備斗齒，還可用于制造破碎機(jī)錘頭、球磨機(jī)襯板等產(chǎn)品，具有較好的推廣應(yīng)用價值。