CN102304671A - 一种多元低合金耐磨铸钢斗齿及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多元低合金耐磨铸钢斗齿及其制备方法，属于工程机械技术领域。化学组成及质量分数％：0.39-0.44C，0.6-0.8Si，1.2-1.5Mn，0.8-1.0Cr，0.0020-0.0045B，0.05-0.08Al，0.04-0.07Y，0.02-0.04K，0.02-0.05Ca，0.03-0.06Nb，0.03-0.06Ti，0.035-0.055N，0.02-0.04Mg，P＜0.03，S＜0.03，余量Fe及不可避免的微量杂质。利用电炉可生产，采用腊模或冷硬树脂砂型铸造，斗齿硬度高，具有良好的耐磨性，冲击韧性好，使用中不断裂，使用寿命高，生产工艺简单，生产成本低。

Description

一种多元低合金耐磨铸钢斗齿及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸钢斗齿及其制备方法，特别涉及一种多元低合金耐磨铸钢斗齿及其制备方法，属于工程机械技术领域。

背景技术

挖掘机广泛用于采掘、土建、水利及国防工程，斗齿是挖掘机上的重要部件，亦是易损件。随着我国大型水利工程的兴建和高等级公路及高速铁路的迅猛发展，挖掘机的使用量不断增加，挖掘机上的易损件斗齿的消耗量更加巨大。目前，国内斗齿年消耗量近20万吨，价值20亿元以上。所以，开发斗齿用新型抗磨材料，减少斗齿磨损造成的损失，已日益引起重视。

斗齿一般装在挖掘机铲斗的前端，系悬臂梁构件，直接与矿石、砂土、岩石等物料接触。在接触物料时，既承受冲击作用，又承受弯曲作用。服役过程中，斗齿尖部受到较强烈的冲击滑动磨料磨损，尖部表面常出现各式犁沟、变形，造成表面磨损或脱落。因此，要求斗齿柄必须具有足够的强度和韧性，斗齿尖部必须具有良好的抗磨性，才能使斗齿经久耐用。

多年来，研究者在斗齿抗磨材料的选择上进行了大量探索，多数工作以高锰钢为基础，通过加入一些合金来改进高锰钢的性能，常用的斗齿材料有高锰钢斗齿和低碳马氏体多元合金钢斗齿。其中高锰钢斗齿包括普通高锰钢斗齿、改性高锰钢斗齿和含镍高锰钢斗齿。

1)普通高锰钢斗齿：高锰钢(ZGMn13)被较早地用作斗齿材料。用该材料制成的斗齿的优点是受到高冲击时加工硬化能力强(矿山使用过程中，斗齿表面硬度可达HB400～HB500)。高锰钢斗齿适合挖掘高硬度物料，不适合挖掘软物料(煤炭、泥土等)，因软物料不能使之充分加工硬化，故抗磨性能较差。鞍钢矿山研究所和首钢等单位用爆炸硬化法对高锰钢斗齿进行硬化处理，经考核，寿命可提高35～40％。

2)改性高锰钢斗齿：为提高高锰钢斗齿的屈服强度、韧性和耐磨性，美国的AMSCO公司和ESCO公司采用了普通高锰钢添加Cr、Mo或对合金钢进行弥散处理来制作适合不同工况条件下使用的斗齿。俄罗斯采石场上使用的一种挖掘机斗齿，也采用了改性高锰钢，其中含有V、Ti成分，斗齿寿命提高50％。我国挖掘机的生产行业许多厂家曾在1m³和4m³电铲上进行了斗齿材料的联合试验。通过向高锰钢中加入Mo、Cr、V、Ti、RE等微量元素，调整化学成份，寿命均有不同程度的提高。

3)含镍高锰钢斗齿：美国的一些拖拉机厂研制出含Ni高锰钢(含1.5～2.0％Ni)，同时改进铸造工艺，斗齿寿命有很明显提高。

4)低碳马氏体多元合金钢斗齿

在中等冲击工况下，高锰钢韧性有余而耐磨性较差，为此，国内外发展了一系列低合金钢，用于制造斗齿。

为了保证斗齿有足够的韧性，目前用于斗齿的低合金钢大都为低碳型的，其含碳量一般在0.32％以下，以Cr、Ni、Mo、Si、Mn、B等为主要合金化元素，以提高钢的淬透性或形成碳化物提高耐磨性。有代表性的合金系是Mn-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo、Si-Mn-Cr-Mo等。

低碳低合金马氏体钢碳含量通常为0.2～0.3％，不超过0.32％。由于含碳量低，故可以水淬得到板条马氏体组织，其特点是韧性高，可焊性良好，经低温回火具有较高硬度和耐磨性，可用于较高冲击的情况下，目前美国生产的这类钢有90％是用于制造斗齿的。美国的AMSCO公司开发的含Ni-Cr-Mo低碳马氏体多元合金钢，是一种高强度与良好耐磨性结合的材料，经不同热处理，可以扩大其力学性能和硬度的适用范围。目前美国露天矿使用的280-B型挖掘机斗齿尖等采用了这种材料。美国的Marion公司制造的斗容量为8m³的斗齿也使用这种钢。

美国ESCO公司“12系列”耐磨合金中，用于制造斗齿尖的Cr-Si-Mn-Mo为低碳马氏体钢，其综合机械性能很好。日本住友公司研制的SSA系列斗齿用耐磨合金实质上也是低碳马氏体钢，它是在硼钢基础上发展起来的，含碳0.3％左右。SSA系列有低Mn型、Mn-Cr-Mo型和Si-Mn-Cr-Mo型三种成分。

日本近年来采用不含Ni，只含少量Cr、Mo的高硅钢生产斗齿。德国O&K公司的RH75挖掘机也选用含Cr量较高的高硅钢制造斗齿，但这些钢制作的斗齿的抗磨性不够理想。

国内的大型挖掘机多用进口材质20CrNi2Mo，生产成本高。

为了进一步提高斗齿性能，中国发明专利CN101876025A公开了一种低合金斗齿的制备方法。先将铁投入到感应电炉中熔炼成铁水，然后在出铁水去渣后将下列各组分(重量％)碳3.3～3.7，硅0.4～0.7，锰5～7，磷＜0.07，铬0.6～0.9，钒0.15～0.3，加入到铁水中并进行浇注成斗齿，再将已成铸态的斗齿放入水中，进行淬火，充分消除铸态组织。中国发明专利CN101862813A还公开了一种挖掘机斗齿的制造方法，其技术特点是采用消失模空壳铸造工艺制造挖掘机斗齿，在浇注钢水之前，采用燃烧的方法将聚苯乙烯模型烧去，获得像粘土砂一样的型腔，使钢水注入型腔后不会因为聚苯乙烯模型气化产生的碳元素渗入到钢水表面，导致钢水增碳、结渣而使铸件报废。该发明的挖掘机斗齿的制造方法，具有生产工艺简单，成本低，效率高等特点。中国发明专利CN101737045A还公开了一种高耐磨复合头部斗齿，包括斗齿本体，其特征是：在斗齿本体的头部包覆有高耐磨复合钢板，或在斗齿本体的头部堆焊高耐磨层。其优点是：斗齿头部耐磨性能高，使斗齿的寿命大幅增加，但存在生产工艺复杂的不足。中国发明专利CN101446097还公开了一种金属模、芯铸钢斗齿模具、制造方法及其铸钢斗齿，解决了砂型铸造斗齿存在的技术问题。采用的模具是在金属胎芯两侧和金属外胎模之间形成倒“人”字形斗齿模腔，在斗齿模腔“人”字形交叉处设置浇注水口；金属外胎模上端有轴孔插在垫板上端的固定转轴上可转动，上端开合处有脱模角，下端装有开合柄。制造方法是浇注前在胎具内部喷刷耐高温涂料；浇注钢液冷却后成铸钢斗齿，打开开合柄分开两块金属外胎模，脱模角推动铸钢斗齿滑脱出金属胎芯，完成脱模。该发明模具结构简单、合理；制造过程可以人工或机械操作；铸钢斗齿无缩孔、疏松、砂眼等，抗拉强度和耐磨性比砂型铸造斗齿提高15％～25％。中国发明专利CN101444841还公开了一种耐磨铸钢斗齿的制备方法，该发明通过将马口铁边角料、高碳铬铁、中碳锰铁、硅铁、硼铁、锆铁和钛铁，分别按质量百分比96.3～97.0％、1.5～1.8％、0.8～1.2％、0.4～0.6％、0.025～0.035％、0.045～0.055％和0.18～0.25％混合于一体，并在压力机上压实成方块后，放入感应电炉加热熔化，并在腊模壳内浇注成斗齿，斗齿凝固后，直接入水冷却，最后在低温下回火，得到耐磨铸钢斗齿。中国发明专利CN101408030还公开了一种压力机用分体式模具、制造方法及其锻造斗齿，利用分体式模具解决脱模技术问题。采用的模具分为上、下分体，上分体由冲头上套和嵌在冲头上套下端的冲头组成；下分体是在垫扳上固定连接着外套，在外套内装有分体的内胎模，在内胎模内上部装有脱开方套；在垫扳中心开孔中装有顶出杆。制造方法是，利用冲头锤击坯料在内胎模锻压成形，压力机回位时冲头向上移动，脱开方套阻止锻造斗齿移动，使冲头与锻造斗齿脱开，顶出杆向上顶出锻造斗齿和分体的内胎模，内胎模沿外套分成两块，锻造斗齿自动脱模。该发明解决了斗齿锻压成形自动脱模；锻造斗齿比铸造斗齿机械性能及耐磨性能提高30％以上，特别是在矿山等恶劣条件下使用，其性能更显优越。但锻造斗齿工艺复杂，模具寿命短，制造成本高。中国发明专利CN101392314还公开了斗齿铸件的热处理工艺，该明是根据斗齿的厚截面齿尖厚度与齿腔厚度的不同采用不同的介质淬火，即先将铲齿头部在10％NaCL溶液预冷10-15S，然后整体在油中淬火，从而来防止和减少产品因出现裂纹而出现报废现象。将低合金钢斗齿铸件加温到910℃且保温2小时，炉温均匀后出炉预冷30S，将铲齿的头部在10％NaCL水溶液中冷却10-15S，然后进行整体油冷，再至250℃低温回火炉。该工艺能获得良好的硬度和韧性，但操作麻烦，可控性较差。中国发明专利CN1621554还公开了一种多元合金铸钢挖掘机斗齿及其生产工艺，该发明所提供的多元合金铸钢挖掘机斗齿是这样构成的，所述的挖掘机斗齿为含有的多元合金铸钢的成分(重量％)为：0.22～0.30C、1.1～1.4Cr、1.25～1.65Mn、1.21～1.58Si、0.20～0.31Mo、0.05～0.11Ti，余量为Fe。所述的热处理工艺是：斗齿浇完后进行退火，控制加热速度在200℃以下为60～80℃/h，200℃以上为100～120℃/h，在840～900℃保温3～5小时，炉冷到680～700℃保温4小时，炉冷到500℃取出空冷，斗齿经机加工后进行淬火，工件以100～120℃/h加热到840～900℃，保温3～5小时，由炉中取出冷待1～2分钟，然后淬火，冷却介质为水玻璃水溶液，其比重为1.15，工件冷至300℃取出空冷到室温，淬火完毕，然后立即进行回火，以40～60℃/h加热到240℃，保温3～4小时取出空冷。但是，采用上述方法制造斗齿，热处理工艺复杂，且斗齿材料中含有价格昂贵的钼元素，导致斗齿生产成本增加。

中国发明专利CN1041551还公开了一种单斗电铲斗齿是用高铬耐磨铸铁做齿尖、低合金钢做齿柄，用电渣熔铸的方法制成的双金属斗齿，其工艺过程为：将电渣在坩锅里熔化为液态，倒入结晶器，当作为齿尖的自耗电极熔化完了后，继续预热一分钟，预热到假电极斗齿柄的表层处于熔化状态时，将斗齿柄往充满熔融金属的有斗齿形状的结晶器中，快速下插实现双金属复合斗齿的熔铸，然后经960℃×2小时正火，260℃×2小时回火而成。中国发明专利CN1410192还公开了双金属电渣熔铸抗磨斗齿成组制造方法，其斗齿由不同材料的齿柄和齿尖组成，制造工艺是以齿柄的侧面为叠砌面，多层对开式水冷结晶器也依齿柄工作面前端而向上叠加，用高铬铸铁做自耗电极，一次电渣熔铸就熔铸出多个齿尖，同时，把对应数量的低碳合金钢或锰钢齿柄熔成一体，形成一组斗齿群，然后，用导电切割设备切割成一个个斗齿，采用该发明制造出的斗齿质优，电渣熔铸的齿尖金属纯度高，组织致密、无松疏、夹渣、分层等缺限，且抗磨性优于同质的铸件或锻件，齿柄抗冲击、弯曲疲劳强度高，便于操作，能耗低，生产效率高，材料利用率高。采用电渣熔铸方法制造复合斗齿，结合层强度低，使用中易开裂、剥落。中国发明专利CN85100983还发明了一种挖掘机斗齿的改进技术，该发明从改进斗齿形状出发，依据通过尽可能削减不必要的齿体体积，从而减小挖掘阻力的思想，提出了一种新的削体斗齿。该种削体斗齿主要由一双曲拱状的齿刃板及板中间的一加强筋板构成，经挖掘铁矿、冻土的长期试验表明，该种斗齿挖掘阻力小，较之同材质的通用楔形斗齿，具有寿命长、工效高、节能等优点。中国发明专利CN1664256还公开了一种挖土机铲斗齿组件的改进，其中在铲斗齿上具有突出的搭接部，所述搭接部可连接在铲斗齿架的配合底座上，还包括一用于销的横向底座，其特征在于，所述铲斗齿的搭接部在其上端边缘和下端边缘具有阶梯形导轨，并与加宽的邻接部分连接而获得加固作用，并且由所述阶梯形导轨的配合轮廓和所述铲斗齿架本体中的加宽区域以及设置在至少一个所述搭接部上的一内突起邻接部组合而成，而能够在铲斗齿架的对应直导轨中引导，在安装之后，可从后方保持注销，该销位于铲斗齿架本体中的一个垂向销底座中，该底座略弯曲和倾斜。该发明的铲斗齿组件通常可以运用于多种种类和型号的装卸机械和挖掘机械，而且可以更广泛地运用于所有的挖土机中。

但是，目前所开发的各种耐磨铸钢斗齿普遍存在硬度低、耐磨性差和使用寿命短等不足。为了提高斗齿寿命，在不降低韧性的前提下，提高其硬度是非常必要的。

发明内容

本发明目的是提供一种多元低合金耐磨铸钢斗齿及其制备方法。本发明是采用一种多元低合金耐磨铸钢制作斗齿，质量小于30公开的斗齿采用腊模铸造成型，质量等于或大于30公斤斗齿采用冷硬树脂砂铸型铸造成形。其主要特点是在含锰、铬、硅的中碳铸钢中加入适量的Al、B、Y、K、Ca、Nb、Ti、N和Mg，使其组织细化，有利于含锰、铬、硅的中碳铸钢力学性能尤其是韧性大幅度提高，最终将导致含锰、铬、硅的中碳铸钢斗齿使用性能的提高。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明斗齿的化学组成成分是(质量分数，％)：0.39-0.44C，0.6-0.8Si，1.2-1.5Mn，0.8-1.0Cr，0.0020-0.0045B，0.05-0.08Al，0.04-0.07Y，0.02-0.04K，0.02-0.05Ca，0.03-0.06Nb，0.03-0.06Ti，0.035-0.055N，0.02-0.04Mg，P＜0.03，S＜0.03，余量为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明斗齿用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

1)先将普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1580～1590℃时加入硅铁，当钢水温度达到1600～1620℃时加入锰铁；

2)炉前调整成分合格后将温度升至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，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4)质量小于30公斤的斗齿采用腊模铸造成型，质量等于或大于30公斤斗齿采用冷硬树脂砂铸型铸造成形，钢水浇注温度1460～1480℃；

5)浇注1～4小时后开箱空冷斗齿，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

6)斗齿随炉加热至970～990℃，保温2～6小时后，先入水冷却15～25秒，然后入油冷却30～60分钟，最后进行回火处理，回火加热温度180～220℃，回火保温时间6～10小时，回火后将斗齿出炉空冷至室温。

上述含氮物质为含氮的铬铁，含钾物质为KF和CaC₂经热还原反应后的产物K、CaF₂和C三种物质。重稀土硅铁镁合金中的重稀土指的是钇。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

碳：随碳含量提高，钢的硬度提高，而冲击韧度下降。碳是固溶强化最为重要的元素之一，同时碳溶入基体中，与位错有交互作用而偏聚于位错线附近形成柯氏气团，既增加σ_i，又使k_y增加，由Hall-Petch公式σ_s＝σ_i+k_y ^-1/2(式中σ_i为位错在晶体中运动所受的摩擦阻力，k_y为钉扎系数)，σ_s将升高，导致钢的硬度也提高，韧性降低。此外，碳含量过低，钢水流动性差，浇注和补缩困难，且钢水冶炼时间长，能耗高。为了确保斗齿的耐磨性和安全使用，将斗齿碳含量控制在0.39-0.44％。

铬：铬有固溶强化、提高钢的淬透性、增加钢的抗回火稳定等作用，随其在钢中含量的增加，可能形成(Fe，Cr)₃C、(Fe，Cr)₇C₃、(Fe，Cr)₂₃C₆等多种碳化物。铬在奥氏体中溶解度很大，强化奥氏体但不降低韧性。铬在回火时阻止或延缓碳化物的析出与聚集，使其保持分散，有利于提高强度和硬度，且性能稳定。但铬含量过高，晶界上易出现碳化物，降低钢的韧性。综合考虑，将斗齿的铬含量控制在0.8-1.0％。

锰：锰不但有较强的脱硫和脱氧能力，还是提高淬透性的元素，可以细化珠光体组织，提高硬度和耐磨性、降低钢的塑性脆性转变温度，在不降低塑性的条件下提高强度。但锰的固溶强化作用小，常使晶粒粗大并有回火脆性，含量过高会降低铸钢的韧性，综合考虑将斗齿的锰含量控制在1.2-1.5％。

硅：硅降低钢的熔点，改善钢水流动性，在低合金铸钢中硅的质量分数由0.25％增至0.45％时，由于良好的脱氧作用，流动性有明显的改善，硅的质量分数在0.40％范围内时，改善热裂倾向。硅还能提高铸钢的屈强比，同时起到固溶强化和提高回火稳定性的作用，硅还具有良好的脱氧能力，但对韧性有不利的影响。硅含量过高时，易形成柱状晶，增加热裂倾向。因此，铸钢斗齿的硅含量控制在0.6-0.8％。

钙：钙与氧有很大的亲合力，钙的脱氧能力很强，钙对钢水有很好的除气效果。钙还对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，加入适量钙可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，适量钙还显著降低硫在晶界的偏聚，钙对降低铸钢脆性和提高铸钢铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入过多的钙将使铸钢中夹杂物增多，对铸钢韧性的提高不利，斗齿中合适的钙含量为0.02-0.05％。

硼：硼作为微量元素加入钢中，能显著提高钢的淬透性，添加0.001％B在提高淬透性方面所起的作用相当于0.85％Mn，0.45％Cr，0.35％Mo(文凡译，钢铁材料高性能化的改进途径，工业レァメタル，1995，110：8)，同时硼能显著提高机械性能，特别是冲击韧性，加入量过多，使钢的脆性增大，综合考虑将其含量控制在0.0020-0.0045％。

铝和钛：含硼耐磨铸钢具有优良的力学性能，但存在性能数据分散性大的不足，主要是硼的吸收与分布稳定性较差导致了性能的不稳定，这与硼元素的化学活性有关。硼在钢液中化学性质极活泼，与钢中的氮、氧和碳的亲和力很大，易于生成氮化物，氧化物和含硼碳化物，成块状和粒状分布于晶内和晶界，降低了固溶硼的含量，使提高淬透性的作用减弱，晶界上的含硼碳化物还降低韧性，在加硼前加入铝深度脱氧，并将铝的残留量控制在0.05-0.08％，可明显提高含硼耐磨铸钢的韧性。铝加入量过多，会降低钢水流动性，并增大铸钢的收缩和热裂倾向。此外，含硼耐磨铸钢在加硼之前，加钛固氮也可以提高基体中固溶硼的含量，有利于改善含硼耐磨铸钢的淬透性和韧性。钛和氮结合形成的细小TiN质点，还具有促进凝固组织细化的作用，有利于提高铸钢的强韧性和耐磨性，合适的钛含量控制在0.03-0.06％。

钇：耐磨铸钢中夹杂物，特别是硫化物的形状、大小、分布及数量严重地影响钢的性能，尤其是塑性和韧性。未经稀土变质处理的低合金耐磨铸钢，夹杂物多为长条形并带有棱角，而且夹杂物数量较多，断裂方式为准解理断裂。稀土加入钢中具有脱硫、除气的作用，根据稀土夹杂物生成的热力学条件和应用实践，稀土元素与氧和硫的亲和力显著大于锰和铝等，稀土元素容易与氧、硫发生共轭反应，生成小球状的RE₂O₂S、RE₂S₃等稀土夹杂物，显著地改善了低合金耐磨铸钢沿晶界产生的脆性断裂。因此，稀土变质处理后，夹杂物数量明显减少，夹杂物趋于球化并均匀地分布在钢中，使钢的韧性提高，冲击断口上将出现大量的韧窝。但过量的稀土加入会导致稀土夹杂物呈破碎链状分布，反而有损钢的塑性和韧性。

此外，欲得到高强度、高韧性耐磨铸钢材料，都希望能得到板条状马氏体组织，其亚结构为位错型。而影响马氏体亚结构的因素是非常复杂的，主要受钢中化学成分所控制，特别是随着钢中含碳量的增加急剧地增加孪晶马氏体的体积分数，并由此引起钢的韧性下降。因本发明铸钢中碳含量高达0.39-0.44％，淬火后易出现脆性的孪晶马氏体。加入稀土元素钇能明显地促进孪晶马氏体向位错马氏体转变，导致低合金耐磨铸钢韧性的提高。

稀土具有较大的原子半径，在钢中溶解度很小。由于具有很大的电负性，因此它们的化学性质很活泼，能在钢中形成一系列极为稳定的化合物，成为非自发结晶核心，从而起到细化晶粒的作用。另外，稀土是表面活性元素，可以增大结晶核心产生速度，阻止晶粒生长。晶粒的细化，有利于钢塑韧性的提高。随着稀土含量的增加，晶粒细化越明显，这与稀土元素能增加奥氏体晶界迁移的激活能有关。钢中加入稀土还可提高硼的回收率。在过冷液体中进行结晶时，结晶核心产生的速度由式(1)决定：

$I=K_o\exp (-\frac{\mathrm{\Δ}{F}_A+\mathrm{\Δ}{F}^{*}}{\mathrm{RT}})$ 式(1)

式中ΔF_A为原子扩散能，K_o为动力学常数，R为Bolzman常数，T为绝对温度，ΔF^*为临界核心形成功，其值为：

${\mathrm{\ΔF}}^{*}=\frac{1}{3}\left(\frac{16{\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{LS}}^3{T}_0^2}{L^2{\mathrm{\ΔT}}^2}\right)$ 式(2)

式中σ_LS为液体和晶体界面上表面能，L为熔化热，ΔT为过冷度。

从式(2)可以看出，结晶核心形成多少决定于表面张力σ_LS和过冷度ΔT，稀土金属是表面活性元素，降低表面张力，提高晶粒形核速率。而且结晶过程中，由于稀土元素在基体和其它相中的分配系数小(＜0.02％)，其表面活性大大增加，往往吸附在晶体生长边缘。选择吸附的结果，正在长大的晶体与钢水界面形成一层吸附薄膜阻碍晶体长大所需原子扩散，降低了晶体长大倾向，细化钢的组织。

加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物以Ce₂O₂S计，其密度为6.00g/cm³，钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y₂O₂S计，密度为4.25g/cm³，按Stokes公式计算夹杂物的上浮速度V为：

式(3)

式中：V-夹杂物上浮速度，m/sec；r-夹杂物半径，m；ρ_液-金属液体的密度，N/m³；ρ_杂-夹杂物的密度，N/m³；η-液体的动力粘度，N·s/m²。可见后者的上浮速度较前者增大1倍，这是使用钇稀土获得洁净组织对钢污染少的重要原因。斗齿中合适的钇含量控制在0.04-0.07％时，效果较好。

铌和氮：铌和氮、碳易形成高温下稳定性好的NbN、NbC和Nb(C，N)等硬质颗粒，有利于细化低合金耐磨铸钢的凝固组织，促进凝固组织的细化和均匀化，提高低合金耐磨铸钢的强韧性。此外，NbN、NbC和Nb(C，N)可阻止高温下晶粒长大，有利于细化热处理组织，进一步促进低合金耐磨铸钢的强韧性的提高。NbN、NbC和Nb(C，N)等硬质颗粒硬度高，在基体中弥散分布，有利于提高铸钢耐磨性。但是，铌和氮加入量过多，NbN、NbC和Nb(C，N)等硬质颗粒的数量增加，且颗粒尺寸粗化，反而降低铸钢的强韧性，综合考虑，将铌含量控制在0.03-0.06％，氮含量控制在0.035-0.055％，其中氮以含氮铬铁形式加入。

钾：钾元素加入低合金耐磨铸钢中具有良好的脱硫、脱氧能力，还具有明显促进金属液的过冷作用，导致低合金耐磨铸钢中夹杂物减少，凝固组织细化，促进低合金耐磨铸钢强韧性的明显提高。但是，钾的加入量过多，反而增加铸钢中的夹杂物数量，损害钢的强度和韧性，合适的钾元素加入量为0.02-0.04％。

值得注意的是，钾元素非常活泼，极易氧化和挥发，密度小，不易直接加入金属钢液中，而且纯金属钾的价格高，直接加入铸钢中经济上也不合算。因此，本发明的含钾物质为KF和CaC₂经热还原反应后的产物。其主要反应式为：

式(4)

因此，加入到钢水中含钾物质的主要成分其实是K、CaF₂和C三种物质。

镁：镁具有良好的脱氧、脱硫、净化钢液并改善夹杂物形态的作用，低合金耐磨铸钢中加入适量镁，为形成细小、均匀分布的复合型类球状夹杂物创造了热力学和动力学条件，可以明显改善铸钢的强韧性。但是，镁含量过高，将增加铸钢中夹杂物数量，反而损害铸钢的强度和韧性，因此，将镁含量控制在0.02-0.04％。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明斗齿不含钼、镍、钒等价格昂贵的合金元素，且铬、锰和硅的加入量也较低，因此，材料成本低廉，比Mn13Cr2高锰钢成本降低10～12％。

2)本发明斗齿经Al、B、Y、K、Ca、Nb、Ti、N和Mg微合金化处理后，组织明显细化，夹杂物显著减少，导致斗齿的力学性能尤其是韧性大幅度提高，其中硬度达到56～58HRC，抗拉强度达到1820～1870MPa，无缺口冲击韧性达到125～135J/cm²。

3)本发明制备斗齿冶炼、铸造和热处理工艺简便，生产效率高；

4)本发明斗齿硬度高、耐磨性好，其使用寿命比Mn13Cr2高锰钢提高220～250％，且使用安全、可靠。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

采用350公斤中频感应电炉冶炼铸钢斗齿材料，浇注的斗齿重量分别为7.2kg和15.9kg，具体工艺如下：

1)先将普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1582℃时加入硅铁，当钢水温度达到1601℃时加入锰铁；

2)炉前调整成分合格后将温度升至1644℃，依次加入硅钙合金、铝、含氮物质(含氮的铬铁)、钛铁后出炉；

3)将含钾物质(KF和CaC₂经热还原反应后的产物K、CaF₂和C)、硼铁和重稀土(钇)硅铁镁合金破碎至粒度为5～10mm的小块，经180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4)斗齿采用腊模铸造成型，钢水浇注温度1463℃；

5)浇注1小时后开箱空冷斗齿，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

6)斗齿随炉加热至970℃，保温4小时后，先入水冷却15秒，然后入油冷却30分钟，最后进行回火处理，回火加热温度180℃，回火保温时间7小时，回火后将斗齿出炉空冷至室温。斗齿化学成分见表1，斗齿力学性能见表2。

实施例2：

采用350公斤中频感应电炉冶炼铸钢斗齿材料，浇注的斗齿重量分别为9.8kg和23.5kg，具体工艺如下：

1)先将普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1589℃时加入硅铁，当钢水温度达到1620℃时加入锰铁；

2)炉前调整成分合格后将温度升至1657℃，依次加入硅钙合金、铝、含氮物质(含氮的铬铁)、钛铁后出炉；

3)将含钾物质(KF和CaC₂经热还原反应后的产物K、CaF₂和C)、硼铁和重稀土(钇)硅铁镁合金破碎至粒度为5～10mm的小块，经220℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4)斗齿采用腊模铸造成型，钢水浇注温度1477℃；

5)浇注2小时后开箱空冷斗齿，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

6)斗齿随炉加热至990℃，保温2小时后，先入水冷却25秒，然后入油冷却45分钟，最后进行回火处理，回火加热温度220℃，回火保温时间6小时，回火后将斗齿出炉空冷至室温。斗齿化学成分见表1，斗齿力学性能见表2。

实施例3：

采用500公斤中频感应电炉冶炼铸钢斗齿材料，浇注的斗齿重量分别为38kg和51kg，具体工艺如下：

1)先将普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1586℃时加入硅铁，当钢水温度达到1612℃时加入锰铁；

2)炉前调整成分合格后将温度升至1647℃，依次加入硅钙合金、铝、含氮物质(含氮的铬铁)、钛铁后出炉；

3)将含钾物质(KF和CaC₂经热还原反应后的产物K、CaF₂和C)、硼铁和重稀土(钇)硅铁镁合金破碎至粒度为5～10mm的小块，经200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4)斗齿采用冷硬树脂砂铸型铸造成形，钢水浇注温度1470℃；

5)浇注4小时后开箱空冷斗齿，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

6)斗齿随炉加热至980℃，保温5小时后，先入水冷却20秒，然后入油冷却60分钟，最后进行回火处理，回火加热温度200℃，回火保温时间10小时，回火后将斗齿出炉空冷至室温。斗齿化学成分见表1，斗齿力学性能见表2。

实施例4：

采用500公斤中频感应电炉冶炼铸钢斗齿材料，浇注的斗齿重量分别为36kg和58kg，具体工艺如下：

1)先将普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1587℃时加入硅铁，当钢水温度达到1609℃时加入锰铁；

2)炉前调整成分合格后将温度升至1653℃，依次加入硅钙合金、铝、含氮物质(含氮的铬铁)、钛铁后出炉；

3)将含钾物质(KF和CaC₂经热还原反应后的产物K、CaF₂和C)、硼铁和重稀土(钇)硅铁镁合金破碎至粒度为5～10mm的小块，经205℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

4)斗齿采用冷硬树脂砂铸型铸造成形，钢水浇注温度1472℃；

5)浇注3小时后开箱空冷斗齿，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

6)斗齿随炉加热至985℃，保温5小时后，先入水冷却20秒，然后入油冷却50分钟，最后进行回火处理，回火加热温度210℃，回火保温时间8小时，回火后将斗齿出炉空冷至室温。斗齿化学成分见表1，斗齿力学性能见表2。

表1斗齿化学成分(质量分数，％)

元素	C	Si	Mn	Cr	B	Al	Y	K
									实施例1	0.39	0.78	1.22	0.99	0.0021	0.053	0.068	0.033
实施例2	0.43	0.61	1.38	0.87	0.0028	0.064	0.041	0.039
									实施例3	0.44	0.75	1.50	0.83	0.0043	0.080	0.055	0.020
实施例4	0.41	0.66	1.43	0.92	0.0035	0.071	0.063	0.027
									元素	Ca	Nb	Ti	N	Mg	S	P	Fe及杂质
实施例1	0.045	0.059	0.030	0.036	0.028	0.008	0.027	余量
									实施例2	0.049	0.046	0.037	0.055	0.021	0.013	0.024	余量
实施例3	0.034	0.031	0.055	0.048	0.039	0.015	0.021	余量
									实施例4	0.023	0.039	0.045	0.041	0.033	0.010	0.025	余量

表2斗齿力学性能

本发明多元低合金耐磨铸钢斗齿已在矿山挖掘、公路修建和水利建设等领域广泛使用，使用安全、可靠，使用中无断齿现象出现。本发明斗齿硬度高，耐磨性好，其使用寿命比Mn13Cr2高锰钢提高220～250％，比含钼、镍(35CrMo、20CrNi2Mo)合金钢斗齿提高30～50％。由于本发明斗齿不含钼、镍、钒等价格昂贵的合金元素，且铬、锰和硅的加入量也较低，因此，本发明斗齿材料成本低廉，比Mn13Cr2高锰钢成本降低10～12％，比含钼镍合金钢斗齿成本降低25～40％，推广应用本发明斗齿，可提高挖掘机作业率，降低斗齿采购成本，具有很好的经济效益。

Claims (4)

1.一种多元低合金耐磨铸钢斗齿，其特征在于，斗齿的化学组成成分(质量分数，％)是：0.39-0.44C，0.6-0.8Si，1.2-1.5Mn，0.8-1.0Cr，0.0020-0.0045B，0.05-0.08Al，0.04-0.07Y，0.02-0.04K，0.02-0.05Ca，0.03-0.06Nb，0.03-0.06Ti，0.035-0.055N，0.02-0.04Mg，P＜0.03，S＜0.03，余量为Fe和不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1的斗齿的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

1)先将普通废钢、铬铁、铌铁和增碳剂混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1580～1590℃时加入硅铁，当钢水温度达到1600～1620℃时加入锰铁；

2)炉前调整成分合格后将温度升至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，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理，重稀土硅铁镁合金中的重稀土指的是钇；

4)质量小于30公斤的斗齿采用腊模铸造成型，质量等于或大于30公斤斗齿采用冷硬树脂砂铸型铸造成形，钢水浇注温度1460～1480℃；

5)浇注1～4小时后开箱空冷斗齿，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

6)斗齿随炉加热至970～990℃，保温2～6小时后，先入水冷却15～25秒，然后入油冷却30～60分钟，最后进行回火处理，回火加热温度180～220℃，回火保温时间6～10小时，回火后将斗齿出炉空冷至室温。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，含氮物质为含氮的铬铁。

4.按照权利要求2的方法，其特征在于，含钾物质为KF和CaC₂经热还原反应后的产物K、CaF₂和C三种物质。