多元低合金耐磨铸钢斗齿的生产工艺优化

遵化市新宏宇冶金机械有限公司 （河北 064200）李金富 朱国宏

目前，我国约有20万台以上不同型号的挖掘机在不同工况下服役，其斗齿消耗量很大。因此，开发新型耐磨材料，提高斗齿使用寿命，减少斗齿磨损造成的损失，具有极其重要的意义。

针对市场上所使用的各种挖掘机国产斗齿以高锰钢为主，普遍存在硬度低，强韧性和耐磨性差，使用寿命短；国外进口斗齿以低碳马氏体钢为主，多数都含有价格昂贵的钼、镍等合金元素，进行复杂的热处理，能耗高，生产周期长，生产成本高，强韧性较差，以及使用中易断裂等缺点，本项目提出以低碳废钢为主要原料，并加入少量铬铁、硅铁、中碳锰铁和微量Al、B、Y、K、Ca、Nb、Ti、N及Mg，通过优化工艺，最终获得一种多元低合金耐磨强韧铸钢斗齿。

一、耐磨铸钢斗齿工艺优化分析

1.主要优化技术指标设定

要求：硬度≥52HRC，冲击韧度aKU≥40J/cm2，抗拉强度Rm≥1600MPa，断裂韧度KIC≥90MPa·m1/2，伸长率A≥5%，斗齿淬硬层深度≥45mm。

2.耐磨铸钢化学成分设计

耐磨铸钢化学成分设计见下表。

耐磨铸钢化学成分（质量分数） （%）

3.耐磨铸钢的熔炼

多元低合金强韧化耐磨铸钢熔炼使用普通废钢、增碳剂、锰铁、硅铁和铬铁为原料，在500kg中频感应电炉中熔炼。

（1）普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢液熔清后，当钢液温度达到1580～1590℃时加入硅铁，1600～1620℃时加入锰铁。

（2）炉前成分调整合格后将钢液温度升至1640～1660℃，依次加入硅钙合金、铝、含氮物质、钛铁后出炉。

（3）将含钾物质、硼铁和重稀土硅铁镁合金破碎至粒度为5～10mm的小块，经180～220℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法进行复合变质处理。

4.耐磨铸钢的纯净化处理

铸钢内在质量与钢液纯净度有很大关系，钢液中的非金属夹杂物可导致产品性能恶化，内在品质下降，同时非金属夹杂物导致气孔的形成，降低铸件的致密度，损害铸钢的力学性能和耐磨性能。为减少钢中夹杂物数量，在浇包底部安置透气砖，向钢液中吹氩气，达到除气和除夹杂物的目的。

研究发现，气体压力小于5MPa时，钢液中残留的气体和夹杂物多，氩气压力超过20MPa后，氩气对钢液的搅拌加剧，易卷入气体，浇包顶部富集夹杂物，污染钢液。选择氩气流量10～20L/min，氩气压力5～20MPa，吹氩时间4～10min，吹氩后钢液静置时间3～10min的吹氩净化处理工艺，钢液净化效果好。吹氩后钢液中夹杂物明显减少，有利于改善耐磨铸钢的强韧性。

5.耐磨铸钢的铸态组织及热处理

多元低合金铸钢的铸态组织如图1所示。其铸态组织主要由珠光体和铁素体组成，铸态硬度只有320～380HBW，因此需要进行淬火硬化处理。

图1 多元低合金铸钢的铸态组织

多元低合金铸钢在850～1000℃淬火后，均可以得到马氏体组织。随着淬火温度的升高，奥氏体晶粒尺寸增大，相变后的马氏体板条束尺寸增大，因此，淬火温度超过950℃后，淬火组织略显粗化。淬火温度的升高还导致合金元素在奥氏体中的均匀度也逐渐提高，淬火组织中出现残留奥氏体。

6.淬火温度对耐磨铸钢力学性能的影响

图2显示了淬火加热温度对耐磨铸钢抗拉强度、硬度、冲击韧度和断裂韧度的影响。随着淬火温度的升高，硬度和强度几乎呈线性提高，当淬火温度超过950℃后，硬度和强度的变化不明显，当淬火温度超过1050℃后，奥氏体晶粒出现粗化，且淬火组织中出现残留奥氏体组织，综合作用的结果，导致抗拉强度和硬度呈现下降趋势（见图2a）。

图2

耐磨铸钢在920～980℃淬火，具有良好的综合力学性能（见图2），因此，耐磨铸钢的淬火温度选择（950±10）℃。

7.回火温度对耐磨铸钢组织和性能的影响

试样经950℃淬火后，在160℃、190℃、220℃、250℃和300℃回火后发现，回火温度低于220℃，显微组织无明显变化，而回火温度超过250℃后，显微组织中出现低硬度的铁素体组织，会降低材料的硬度和耐磨性，因此，回火温度控制在220℃以下效果较好。图3显示了经950℃淬火后回火温度对耐磨铸钢硬度和冲击韧度的影响。由于耐磨铸钢中不含镍、钼、钨、钒等提高耐回火性的合金元素，随着回火温度的升高，耐磨铸钢的硬度逐渐降低，且在350℃左右出现回火脆性区。

图3 回火温度对耐磨铸钢力学性能的影响

耐磨铸钢经950℃淬火后在不同温度下回火3h，其抗拉强度随回火温度升高所发生的变化，如图4所示。铸钢的抗拉强度随回火温度升高的变化规律与硬度相似，随回火温升高，钢的抗拉强度明显下降。但回火温度低于250℃，强度下降趋势相对较小。

图4 回火温度对耐磨铸钢抗拉强度的影响

磨损试验在MM-200型磨损试验机上进行。耐磨铸钢经950℃淬火后在不同温度下回火3h，回火温度对耐磨铸钢耐磨性的影响如图5所示。尽管耐磨铸钢的硬度随回火温度的升高而单调下降，但耐磨性并没有随着回火温度升高而单调下降，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，超过250℃回火后，随回火温度的进一步升高耐磨性不断下降。

图5 回火温度对耐磨性的影响

二、生产及应用效果

采用500kg中频感应电炉熔炼，以蜡模壳和真空复合铸造成形工艺制造，结合蜡模壳制造斗齿尺寸精度高，表面质量好，不易产生气孔、缩松等铸造缺陷等优点，以及消失模真空铸造生产效率高，铸件不易塌箱，型砂可重复使用，以及工人劳动强度低等优势。与此同时，复合工艺又克服单纯采用蜡模壳浇注斗齿需要涂挂6～8层砂，既增加了工人劳动强度，也增加了蜡模壳生产成本，还延长了蜡模壳烘烤时间等缺点；避免了单纯采用消失模真空铸造工艺制造斗齿增碳严重，且斗齿各部位增碳不均匀，导致斗齿水淬时易出现裂纹等不足。斗齿产品经专业机构检测，强度超过1800MPa，冲击韧度大于120J/cm2，无缺口冲击韧度达到125～135J/cm2，断裂韧度大于90MPa·m1/2，硬度达到56～58HRC，完全达到了设计指标。斗齿成品实物见图6。

图6 斗齿成品

图7为成品斗齿的冲击断口形貌，可见断面上韧窝较多，且韧窝有一定的深度，表明该斗齿的韧性很好，可以确保斗齿的安全性。

图7 斗齿的冲击断口形貌

多元低合金强韧化耐磨铸钢斗齿进行了两年的工业装机考核，产品已应用于长深高速工程、张曹铁路工程和河北矿业工程。

该优化工艺还成功生产破碎机锤头、球磨机衬板等耐磨铸件，批量投入市场。

三、结语

（1）在斗齿材料体系设计方面，用多元低合金强韧耐磨钢，取代高锰钢和钼镍合金化铸钢，材料成本低廉，比Mn13Cr2高锰钢成本降低10%～12%。耐磨性好，其使用寿命比Mn13Cr2高锰钢提高220%～250%。

（2）采用铸态硬化处理，斗齿表面转变成马氏体，表面硬度明显提高，不需高温淬火，避免了高温热处理过程能源消耗和淬火裂纹废品，且明显缩短生产周期，还可减少斗齿清砂作业，每吨斗齿的淬火费用可节省600～800元。

（3）多元低合金强韧化耐磨铸钢优化工艺不仅可用于制备斗齿，还可用于制造破碎机锤头、球磨机衬板等产品，具有较好的推广应用价值。