CN103498111B

CN103498111B - 一种耐磨齿座及其制备方法

Info

Publication number: CN103498111B
Application number: CN201310406563.6A
Authority: CN
Inventors: 钱嘉镕新
Original assignee: NINGBO JIADA PRECISION CASTING CO Ltd
Current assignee: NINGBO JIADA PRECISION CASTING CO Ltd
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN103498111A

Abstract

本发明公开一种耐磨齿座及其制备方法，它解决了现有的齿座机械性能一般，使用寿命短，生产成本高等问题。本发明耐磨齿座的组成成分及其质量百分比为：C：0.22～0.25％、Mn：0.90～1.30％、Si：1.30～1.70％、Cr：1.20～1.50％、Al：0.02～0.06％、Ni：0.15～0.20％、Mo：0.10～0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质。所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.30％，P元素的质量百分比小于等于0.03％。本发明还提供一种制备上述耐磨齿座的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。本发明耐磨齿座的机械性能较好，尤其是具有高耐磨性，且材料成本低。

Description

一种耐磨齿座及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种齿座，尤其涉及一种耐磨齿座及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

挖掘机斗齿是挖掘机上的重要易耗部件，类似于人的牙齿，是由齿座组成的组合斗齿，二者靠销轴连接。由于斗齿磨损失效部分是齿尖，只要更换具尖即可。斗齿、齿座在工作过程中直接与砂、土、岩石、矿物等接触，受到严重的磨料磨损，消耗量很大。根据斗齿和齿座不同的功能，斗齿和齿座对材料的机械性能的要求不同。其中，斗齿直接与矿石接触，其需要高硬度、高耐磨性以及高强度和高韧性，而齿座则要求材料具有良好的焊接性，以保证焊口强度和焊接的可靠性，同时保证较高的韧性和硬度。

现有技术中的的齿座寿命很短，很容易发生断裂或者裂纹，其原因是齿座的机械性能差，尤其是焊接性和耐磨性差，冲击韧性和抗拉强度也较低。如中国专利申请(公开号为CN1876879A)中公开了一种微合金焊接铸钢齿座，其化学成分为：C：0.15-0.25wt％，Si：0.3-1.0wt％，Mn：0.6-1.4wt％，Cr：0.4-1.0wt％，B：0.0005-0.007wt％，Al：0.01-0.1wt％，Ce：0-0.045wt％，La：0-0.035wt％，Ti：0-0.1wt％，P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其制备步骤包括钢水熔炼及热处理。该微合金可焊接铸钢齿座加入少量其他元素如B、La、Ce，制成的齿座性能虽可满足齿座的一般要求，但是仍有很大的提升空间，其使用寿命较短，很容易发生断裂，且材料成本较高，如稀土金属La的价格就高达100000-110000元/吨，Ce的价格为165000-170000元/吨，导致齿座售价高，市场竞争力较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提出了一种机械性能好，使用寿命长，生产成本低的耐磨齿座。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种耐磨齿座，所述耐磨齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.22～0.25％、Mn：0.90～1.30％、Si：1.30～1.70％、Cr：1.20～1.50％、Al：0.02～0.06％、Ni：0.15～0.20％、Mo：0.10～0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

相对于现有技术，本发明的齿座通过添加Ni元素和Mo元素，以及优化C、Si、Cr等成分的配比使齿座的配方更加合理，使齿座中各元素产生协同作用，提高耐磨齿座的机械性能，尤其是齿座的耐磨性，从而达到延长寿命的目的。

在所述的耐磨齿座中，所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.30％，P元素的质量百分比小于等于0.030％。

本发明的齿座中碳含量为0.22-0.25％。C元素作为合金钢的基本元素，在齿座中可与铁、铬形成稳定的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，也可与Fe、Mn形成碳化物，提高齿座的耐磨性和硬度，同时又可保证足够的塑性、韧性及其耐温性。当C含量低于0.22％时，碳化物变少，耐磨性不好。而当C含量超过0.25％时，齿座的机械强度尤其是齿座的塑性和冲击韧性显著变差，还会降低的耐大气腐蚀能力，在露天场所容易锈蚀。因此将本发明齿座中的碳元素的质量百分比控制在0.22-0.25％，可使碳与其他元素产生协同作用，且随着含碳量的增加，齿座的屈服点和抗拉强度升高，从而使本发明中的齿座具有较好的综合性能。

锰是齿座中主要的强化元素，在齿座中主要起脱氧除气、脱硫和提高淬透性等作用。一般钢中锰的含量为0.30％-0.50％，在碳素钢中加入0.70％以上的锰即为“锰钢”，与一般的钢相比，锰钢不但具有足够的韧性，还具有较高的强度和硬度，可提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。但是，锰含量过高，会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。本发明的齿座中锰含量为0.9-1.30％，大幅地提高了齿座的耐磨性、耐温性，其原因在于一、锰在齿座中可中和铁元素的有害作用，与铁生成(FeMn)₃C型碳化物，使铁元素仅发挥其正面作用，提高齿座的淬透性；二、锰在齿座中脱氧其含量须在0.6％以上，但若锰含量过高，会影响齿座的耐磨性；三、在保证奥氏体组织的前提下，锰含量的降低会导致奥氏体稳定性略有下降，但齿座的耐磨性在高冲力的作用下会显著提高，加工硬度也显著增强；四、在齿座中添加锰元素可细化材料组织，提高再结晶温度，从而增强齿座在使用过程中因摩擦产生高温时的耐热性。

硅元素在齿座中溶解于铁素体中，能强烈抑制和缓解过冷奥氏体的碳化物分解，提高奥氏体稳定性。硅元素在齿座中是良好的还原剂和脱氧剂，其含量与锰元素含量配合，能有效改善齿座的韧性，提高齿座的耐磨性、强度和硬度。在本发明的齿座中大大地提高了硅的含量，为1.30-1.70％，在保证齿座焊接性能和机械性能的同时可提高齿座的强度15％-20％。加入较高含量的Si在连续冷却过程中能增加过冷奥氏体的稳定性及钢中残余奥氏体含量，强烈阻碍碳化物的析出，提高钢的回火抗力。同样，Si含量过高会降低钢的焊接性能。

Cr作为重要的合金元素，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，还能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，但同时会降低钢的塑性和韧性。本发明齿座中的铬含量为1.20-1.50％。一方面铬原子的半径为2.8·10^-10m，而铁原子半径为2.7·10^-10m，两者十分相近，铬与铁的亲和力比其他元素强，容易与碳、铁结合形成(Cr，Fe)₃C和少量(FeCr)₇C₃溶入固溶体中，可强化基体，提高齿座的淬透性。另一方面在齿座中加入Cr元素能改变钢中碳化物弥散分布形态，获得以Cr₂₃C₆为主的粒状碳化物，使其弥散分布于奥氏基体上。若Cr含量过低，齿座的耐腐蚀性不佳，若Cr含量过高，齿座的韧性不佳。本发明将铬元素的质量百分比控制在1.20-1.50％，可使铬与其他元素产生协同作用，从而使本申请中的齿座具有较好的耐磨性。

Al是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的Al，可细化晶粒，提高冲击韧性。Al还具有抗氧化剂和抗腐蚀性能，Al与Si合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀性能。但是，Al会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此，本发明齿座中Al的含量控制在0.02-0.06％，在提高齿座综合性能的同时又可以保证焊接性能、加工性能。

Ni在齿座中即可降低奥氏体分解速度，大大提高齿座的淬透性，还可大幅度提高齿座的强度和韧性。镍与铬、钼等元素共同作用，可明显提高齿座的硬度。但镍是较稀缺的资源，应在保证齿座性能的前提下尽量减少其含量，因此本发明齿座中的镍含量为0.15-0.20％。

将细化晶粒的钼元素加入该耐磨齿座中，可起三方面作用：一、钼能够有效地抑制渗碳体聚集，导致钼的碳化物以极细小尺寸弥散分布在奥氏体中，同时可弥散强化作用，强化奥氏体组织，使耐磨齿座的强度和硬度增加，形变硬化性能增强。二、钼分布在碳化物中可有效抑制耐磨齿座冷却过程中晶界碳化物的析出，耐磨齿座中加铬可使晶界碳化物析出倾向大大提高，钼与铬两种元素的复合添加可使两种合金元素的有益作用同时发挥出来。三、耐磨齿座中添加钼后，针状碳化物变短，数量明显减少。经实验可知当加入约0.1％钼时，能降低或抑止其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下，形成弥漫分布的特殊碳化物，有二次硬化作用。与锰配合加入耐磨齿座中更能有效地发挥钼与锰在耐磨齿座中的作用，提高耐磨齿座的硬度、淬透性等机械性能。

本发明采用各元素配比的交互作用，对齿座的淬透性、淬硬性、奥氏体的稳定性均有明显的作用。

硫一般情况下是齿座中的有害元素，会使齿座产生热脆性，降低齿座的延展性和韧性，但当含硫量小于0.03％时，它的有害作用就不那么明显了，相反还可以改善齿座的加工性能。

磷和硫一样，对齿座的耐磨性和机械性能均有特别有害的影响，每0.02％的P平均降低冲击韧性1.98J/cm²；当磷从0.07％-1.0％降到0.02％-0.04％，齿座的塑性、韧性、耐磨性均可提高40％-50％，铸件裂纹也可大大减少。本发明将磷的含量控制在0.003％以内，还可避免沿晶界析出共晶磷化物。

进一步地，所述耐磨齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.24％、Mn：1.10％、Si：1.40％、Cr：1.30％、Al：0.04％、Ni：0.17％、Mo：0.13％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

进一步地，所述耐磨齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.22％、Mn：1.30％、Si：1.30％、Cr：1.50％、Al：0.02％、Ni：0.20％、Mo：0.13％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

进一步地，所述耐磨齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.25％、Mn：0.90％、Si：1.70％、Cr：1.20％、Al：0.06％、Ni：0.15％、Mo：0.10％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

本发明还提供一种上述齿座的制备方法，包括铸造工序和热处理工序。所述热处理工序中，淬火温度为900℃-950℃，淬火后保温时间为2-4小时，回火温度为230℃-260℃，回火后保温时间为3-4小时。

本发明采用该方法不但简化生产工艺，减少能源消耗，且同样能使铸件具有常规热处理后的性能水平。齿座在加热过程中，在400℃-700℃时，碳化物不断地析出和长大，700℃-900℃时碳化物逐渐溶解，加热至900℃以上时，即使晶界上残余的碳化物也会全部溶解。由于难溶的碳化物的存在，有必要提高其固溶温度，将淬火温度提高到900℃-950℃，齿座的强度虽略微下降，但达到最佳的强韧性和塑性。提高淬火的温度有利于成分的均匀化，进一步减少高碳微区，增大高位错板条壮马氏体和薄膜状残余奥氏体的数量，从而提高齿座的强韧性，增强抵抗裂纹扩展的能力，减轻应力集中，改善韧性。而回火温度在230℃-260℃之间，齿座的抗拉强度和硬度随回火温度的升高而降低，常温冲击韧性则升高。低碳合金钢进行奥氏体化高温加热急冷淬火可获得硬度适中，钢性好，强韧性的低碳板条马氏体组织。因钢中“C”元素淬火时偏聚到位错和板条边界上，导致亚结构细化和高密度位错产生固溶强化。低碳板条马氏体在电子显微镜下呈板条状互相平行分布，它的主体由许多细而薄长的晶体组成，板条内无孪晶。而当回火温度大于260℃时，位错发生滑移和攀移，造成位错密度降低，同时晶界发生移动，亚晶粒合并造成齿座各项机械性能下降。

此外，若水韧处理中加热温度偏低或保温时间不足，碳化物不能充分溶解，常常聚集在奥氏体的晶界上。若水韧处理中加热温度偏高，就会使奥氏体晶粒长大。

进一步地，所述热处理工序中，回火温度为240℃。

与现有技术相比，本发明通过配置特定齿座的组分，特别添加了镍和钼及特定质量百分比的原料，并通过特殊的热处理工艺制得机械性能好，尤其是具有高耐磨性，材料成本低，同时满足齿座特殊的工作环境需求的耐磨齿座。

具体实施方式

表1：实施例1～3用于制备耐磨齿座的组成元素及其质量百分比

实施例1

本实施例中耐磨齿座的组成元素及其质量百分比如表1中实施例1所示。

耐磨齿座的组成元素及其质量百分比对齿座的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的齿座的机械性能也有较大的影响。耐磨齿座的制备工艺包括铸造工序和热处理工序，其中铸造工序采用常规铸造工艺即可，对齿座最终机械性能影响最大的为热处理工序。热处理工序包括淬火升温、保温后回火、回火后空冷的步骤。本实施例为探讨最佳淬火温度、回火温度，对本实施例中耐磨齿座在不同条件下热处理并测试其机械性能，得实验结果如表2。

表2：实施例1不同条件下热处理后的耐磨齿座的机械性能

从表2可以看出，淬火温度为900℃-950℃区间和回火温度为230℃-260℃区间，抗拉强度和硬度随回火温度的升高而降低，常温冲击韧性则升高，在淬火温度为920℃、回火温度为240℃时，齿座的机械性能达到最佳状态。

因此本实施案例选择经过锻造工序处理后的耐磨齿座进行热处理的条件为：在热处理工序中，待温度为920℃时进行淬火，淬火后保温3小时；在温度为240℃时进行回火，回火后再保温3小时。

本实施例中所得的耐磨齿座机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较高，使用寿命长，材料成本低。

实施例2

按表1中实施例2确定耐磨齿座的组成元素和质量百分比，本实施例中耐磨齿座经过铸造工序和热处理工序，其中热处理工序采用和实施例一一样的工艺条件，即在热处理工序中，待温度为950℃时进行淬火，淬火后保温4小时；在温度为260℃时进行回火，回火后再保温4小时。测试其机械性能如表3：

表3：实施例2不同条件下热处理后的耐磨齿座的机械性能

从上述测试得采用本实施例的配比后，利用实施例一的工艺条件制得的耐磨齿座机械性能好，耐磨性好，使用寿命长，材料成本低。

实施例3

按表1中实施例3确定耐磨齿座的组成元素和质量百分比，本实施例中耐磨齿座经过铸造工序和热处理工序，其中热处理工序采用和实施例一一样的工艺条件，即在热处理工序中，待温度为900℃时进行淬火，淬火后保温2小时；在温度为230℃时进行回火，回火后再保温3小时。测试其机械性能如表4：

表4：实施例3不同条件下热处理后的耐磨齿座的机械性能

从上述测试得采用本实施例的配比后，利用实施例一的工艺条件制得的挖掘机齿座，其机械性能好，硬度、抗拉强度、韧性、耐磨性都较高，使用寿命长，材料成本低。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种耐磨齿座，其特征在于：所述耐磨齿座的组成成分及质量百分比为：C：0.25％、Mn：0.90％、Si：1.70％、Cr：1.20％、Al：0.06％、Ni：0.15％、Mo：0.10％，余量为Fe以及不可避免的杂质，所述杂质中，S元素的质量百分比小于等于0.03％，P元素的质量百分比小于等于0.03％；

其中，所述耐磨齿座的制备方法包括铸造工序和热处理工序，所述热处理工序中，淬火温度为950℃，淬火保温时间为2-4小时，回火温度为260℃，回火保温时间为3-4小时。