CN104651721A - 斗齿用合金钢及斗齿的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斗齿用合金钢及斗齿的制备方法，涉及机械制造领域，斗齿用合金钢的化学成份按重量百分数计为：C：0.25-0.33，Si:0.30-0.80，Mn:0.85-1.25,Cr：0.70-1.10，纳米级TiN：0.20-0.35，p≤0.030，S≤0.030；上述材料经熔炼浇铸后得到铸件，再经热处理后即获得斗齿。本发明熔炼时采用锰铁和硅铁预脱氧的同时加入Ca-Si合金；变质处理时加入纳米级TiN；斗齿铸件经高温固溶球化退火处理。本发明解决斗齿材料成本高以及冲击韧性差，易断裂，使用寿命短的问题。

Description

斗齿用合金钢及斗齿的制备方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，尤其是一种用于制造斗齿的合金钢及斗齿的制备方法。

背景技术

常用的斗齿为低合金材质，成分为：C：0.25%-0.35%，Si: 0.30%-0.80%，Mn: 0.80%-1.50%,S≤0.03% ,p≤0.03%，Cr：0.50%-1.0%，Ni: 0.40%-0.90%,Mo: 0.25%-0.60%,含有比较高的Mo、Ni等贵重金属，产品成本较高；铸造工艺为水玻璃精密铸造；利用中频炉熔炼方法熔炼；正常的脱氧工艺加0.06%-0.10%的纯铝终脱氧，浇注温度为1520℃-1580℃,没有进行钢水微合金化和变质处理。热处理工艺为正火+淬火+回火或淬火+回火，正火温度：860℃-910℃,淬火温度：870℃-930℃，回火温度：220℃-270℃；产品的机械性能为：抗拉强度σb:1100Mpa-1500 Mpa,洛氏硬度（HRC）:44-54,断后延伸率为：2%-5%，冲击功（AKv）：8J-15J,冲击韧性常常不理想，相当部分在10J以下或10J左右徘徊，在使用过程中斗齿的主要失效方式是断裂，使用寿命在150小时-300小时之间，尤其是在矿石、采石场、钢渣等工况下使用寿命更短，严重影响挖掘机、装载机等工程机械的使用性能和生产效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种斗齿用合金钢及斗齿的制备方法，它可以解决工程机械斗齿材料成本高以及冲击韧性差，易断裂，使用寿命短的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

这种斗齿用合金钢包含有下列重量百分比组分的物质：C:0.25%-0.33%；Si:0.30%-0.80%；Mn:0.85%-1.25%； Cr:0.70%-1.10%；p≤0.030%；S≤0.030%；纯度>97.0%，总氧含量<1.0%,晶型为立方结构，平均粒度20nm，加入量为0.20%-0.35%的纳米级TiN。

上述技术方案中，更为具体的方案可以是：C：0.25%；Si: 0.78%；Mn: 0.90%； Cr：1.0%；纳米级TiN：0.30%。 

上述技术方案中，更为具体的方案还可以是：C：0.31%；Si: 0.48%；Mn: 1.15%； Cr：0.85%；纳米级TiN：0.28%。

这种斗齿的制备方法，其特征在于步骤如下：

第一，熔炼铸造：

1）合金钢原料熔炼预脱氧阶段采用锰铁、硅铁预脱氧的同时，加入0.10%的Ca-Si合金脱氧剂，在终脱氧阶段，加入0.15%-0.20%纯铝进行脱氧，控制钢液中氧的含量在（17-26）×10^-6区间内；钢中化学成分按物质重量百分数计控制在C：0.25%-0.33%；Si: 0.30%-0.80%；Mn: 0.85%-1.25%； Cr：0.70%-1.10%； p≤0.030，S≤0.030；

2）加入纯度>97.0%，总氧含量<1.0%,晶型为立方结构，平均粒度20nm的纳米级TiN，加入量为钢水重量的0.20%-0.50%，放置于浇铸钢包底部；钢水出炉温度控制在1600℃-1630℃，浇铸于斗齿铸模即得到斗齿铸件。

第二，斗齿铸件热处理工艺：

1）高温固溶球化退火：将斗齿铸件加热到690℃-710℃保温1小时后再继续升温到1040℃-1060℃，保温后随炉冷却到890℃-910℃在空气中冷却；

2）淬火工艺：将斗齿铸件加热至920℃-940℃，采用水溶性淬火液冷却；

3）回火工艺：将淬火后的斗齿铸件加热至210℃-220℃，保温后空气冷却。

由于采用上述技术方案 ，本发明具有如下有益效果：

1、由于在配方中加入了纳米TIN做变质剂，纳米变质剂是以分散尺寸极细亦具有巨大表面能的纳米材料为主体的特种添加剂，既能增加结晶核心，明显地细化晶粒和改变基体组织结构，又能在组织中形成均匀分布硬质点，阻碍晶体滑移和磨损。因此，它能同时显著地提高钢铁材料的强度、硬度、淬透性和韧性；本发明中TiN纳米的作用是：

 第一，细晶强化：纳米变质剂加入钢液中，其中的TiN纳米硬质微粒可以直接成为形核中心，大大增加成晶数量和细化晶粒尺寸，改善产品的硬度、韧性、抗粒、耐磨、淬透性等性能。

 第二，弥散强化：纳米TiN，晶格为立方型，高熔点、高硬度，表面活性大，晶格匹配度高，颗粒分布均匀，可以自发地填补晶体和晶格中的缺陷，在组织中形成均匀分布的硬质点，阻碍晶体滑移和磨损，从而改善产品性能。

 第三，降低成本，增加效益，在保证和改善产品的使用性能的同时，可适当地减少或取消部分稀有贵重金属的使用，降低成本，节约资源。

2、热处理工艺采用了高温固溶球化退火为预处理工艺，能消除和减轻铸钢组织中的偏析、粒状晶粒，使碳化物细小、均匀、颗粒状，同时由于在碳化物细小、均匀、颗粒状对基体切割作用，也使裂纹的形成功和裂纹扩展功増大，从而使冲击韧性较大幅度地提高，碳化物分布均匀，也会使得淬火后的强度明显提高。

总之，由于使用纳米TiN变质处理和高温固溶球化退火预处理工艺，因而本发明的合金金相组织更细化均匀，碳化物细小、均匀、颗粒状，消除了偏析和柱状晶粒，所以，冲击韧性提高了50%-80%，成本下降8%-12%。

3、采用本发明批量生产后装机实验，斗齿因断裂而失效的概率从0.4%下降到0.08%，斗齿的使用寿命由150小时-300小时提升到600小时-800小时，尤其是矿石、采石场、钢渣等工况斗齿的使用寿命提高更为明显。

具体实施方式

下面用实施例对本发明进一步详述：

一、实施例1：

按如下步骤制备斗齿：

第一，熔炼铸造：

1）合金钢原料熔炼预脱氧阶段采用锰铁、硅铁预脱氧的同时，加0.10%的Ca-Si合金脱氧剂，在终脱氧阶段，增加0.15%-0.20%纯铝进行脱氧，控制钢液中氧的含量在（17-26）×10^-6区间内；取样分析钢水化学成分，按物质重量百分数计调整得到C：0.25%，Si: 0.78%，Mn: 0.90%, Cr：1.0%，p≤0.030，S≤0.030的钢水；

2）加入纳米级TiN，加入量为钢水重量0.30%，放置于浇铸钢包底部，利用出钢时钢水的冲击力量进行充分搅拌；钢水出炉温度控制在1600℃-1630℃，浇铸于斗齿铸模即得到斗齿铸件。

第二，斗齿铸件热处理工艺：

1）高温固溶球化退火：将斗齿铸件加热到690℃-710℃保温1小时后再继续升温到1040℃-1060℃，保温后随炉冷却到890℃-910℃在空气中冷却；

2）淬火工艺：将斗齿铸件加热至920℃-940℃，采用水溶性淬火液冷却；

3）回火工艺：将淬火后的斗齿铸件加热至210℃-220℃，保温后空气冷却。

二、实施例2：

按如下步骤制备斗齿：

第一，熔炼铸造：

1）合金钢原料熔炼预脱氧阶段采用锰铁、硅铁预脱氧的同时，加0.10%的Ca-Si合金，终脱氧时，增加0.15%-0.20%纯铝进行脱氧，控制钢液中氧的含量在（17-26）×10^-6区间内；取样分析钢水化学成分，按物质重量百分数计调整得到C：0.31%，Si: 0.48%，Mn: 1.15%, Cr：0.85%， p≤0.030，S≤0.030的钢水；

2）加入纳米级TiN，加入量为钢水重量0.28%，放置于浇铸钢包底部，利用出钢时钢水的冲击力量进行充分搅拌；钢水出炉温度控制在1600℃-1630℃，浇铸于斗齿铸模即得到斗齿铸件。

第二，斗齿铸件热处理工艺：方法与实施例1相同。

三、实施例3：

按如下步骤制备斗齿：

第一，熔炼铸造：

1）合金钢原料熔炼预脱氧阶段采用锰铁、硅铁预脱氧的同时，加0.10%的Ca-Si合金，终脱氧时，增加0.15%-0.20%纯铝进行脱氧，控制钢液中氧的含量在（17-26）×10^-6区间内；取样分析钢水化学成分，按物质重量百分数计调整得到C：0.28%，Si: 0.60%，Mn: 1.20 %, Cr：1.10%， S≤0.030，P≤0.030的钢水；

2）加入纳米级TiN，加入量为钢水重量0.34%，放置于浇铸钢包底部，利用出钢时钢水的冲击力量进行充分搅拌；钢水出炉温度控制在1600℃-1630℃，浇铸于斗齿铸模即得到斗齿铸件。

第二，斗齿铸件热处理工艺：方法与实施例1相同。

采用上述制备斗齿方法制得的斗齿化学成分和金相组织及力学性能如下表：

表1：斗齿的化学成分及纳米级TiN的加入量

表2：金相组织及力学性能

。

Claims (4)

1.一种斗齿用合金钢，其特征在于包含有下列重量百分比组分的物质：C:0.25%-0.33%；Si:0.30%-0.80%；Mn:0.85%-1.25%； Cr:0.70%-1.10%； p≤0.030%；S≤0.030%；纯度>97.0%，总氧含量<1.0%,晶型为立方结构，平均粒度20nm，加入量为0.20%-0.35%的纳米级TiN。

2.根据权利要求1所述的斗齿用合金钢，其特征在于：C：0.25%；Si: 0.78%；Mn: 0.90%； Cr：1.0%；纳米级TiN：0.30%。

3.根据权利要求1所述的斗齿用合金钢，其特征在于：C：0.31%；Si: 0.48%；Mn: 1.15%； Cr：0.85%；纳米级TiN：0.28%。

4.一种斗齿的制备方法，其特征在于步骤如下：

第一，熔炼铸造：

1）合金钢原料熔炼时预脱氧阶段采用锰铁、硅铁预脱氧的同时，加入0.10%的Ca-Si合金脱氧剂，在终脱氧阶段，加入0.15%-0.20%纯铝进行脱氧，控制钢液中氧的含量在（17-26）×10^-6区间内；钢中化学成分按物质重量百分数计控制在C：0.25%-0.33%；Si: 0.30%-0.80%；Mn: 0.85%-1.25%； Cr：0.70%-1.10%； p≤0.030，S≤0.030；

2）加入纯度>97.0%，总氧含量<1.0%,晶型为立方结构，平均粒度20nm的纳米级TiN，加入量为钢水重量的0.20%-0.50%，放置于浇铸钢包底部；钢水出炉温度控制在1600℃-1630℃，浇铸于斗齿铸模即得到斗齿铸件；

第二，斗齿铸件热处理工艺：

1）高温固溶球化退火：将斗齿铸件加热到690℃-710℃保温1小时后再继续升温到1040℃-1060℃，保温后随炉冷却到890℃-910℃在空气中冷却；

2）淬火工艺：将斗齿铸件加热至920℃-940℃，采用水溶性淬火液冷却；

3）回火工艺：将淬火后的斗齿铸件加热至210℃-220℃，保温后空气冷却。