CN104651729A - 工程机械斗齿用钢及斗齿的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械斗齿用钢及斗齿的制备方法，涉及机械制造技术领域，这种斗齿用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:0.80%-1.20%,Cr：0.60%-1.0%，Re：0.030%-0.036%，B：0.0005%-0.0035%，纳米级TiN：0.20%-0.40%，S：≤0.030%，P:≤0.030%。本发明可以解决工程机械斗齿冲击韧性差，易断裂，使用寿命短以及因加入大量的贵重金属Mo、Ni造成斗齿用钢生产成本高的问题。

Description

工程机械斗齿用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工程机械斗齿的低合金钢。

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；经铸造和热处理后，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工程机械斗齿用钢及斗齿的制备方法，它可以解决工程机械斗齿冲击韧性差，易断裂，使用寿命短的问题。同时去掉贵重金属Ni、Mo，较大幅度地降低了斗齿的制造成本。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：这种工程机械斗齿用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: 0.80%-1.20%, Cr：0.60%-1.0%，B：0.0005%-0.0035%， Re-Si稀土硅铁合金：0.030%-0.036%， S：≤0.030%，P: ≤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%-0.40%的纳米级TiN。

上述技术方案中，更为具体的方案可以是：C：0.26%，Si: 0.41%，Mn: 0.90%, Cr：0.75%，B：0.0012%， Re-Si稀土硅铁合金：0.032%，纳米级TiN：0.32%。

另一更为具体的方案还可以是：C：0.30%，Si: 0.52%，Mn: 1.10%, Cr：0.80%，B：0.0018%，Re-Si稀土硅铁合金：0.030%，纳米级TiN：0.25%。

这种工程机械用斗齿的制备方法，步骤如下：

第一，熔炼铸造：

1）将铸钢原料熔化，在钢水化清温度升至1540℃-1560℃时加入0.3%的锰铁和0.3%的硅铁预脱氧并调整成分，将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: 0.80%-1.20%, Cr：0.60%-1.0%，S：≤0.030%，P: ≤0.030%；

2）将钢水温度升至1600℃-1620℃加0.1%的纯铝终脱氧，停电静置3 -5分钟后扒渣出钢，

3）在浇包底部加入预先粉碎成小于10mm的小块状的Re含量为30%的Re-Si稀土硅铁合金、B含量为20%的B-Fe硼铁合金和纳米级TiN复合变质剂，B的质量百分比为0.0005%-0.0035%， Re-Si稀土硅铁合金：0.030%-0.0036%，纳米级TiN ：0.20%-0.40%；出钢钢水温度控制1590℃-1620℃，静置1-2分钟后浇注于斗齿铸模即得到斗齿铸件；

第二，斗齿铸件热处理工艺：

1）正火工艺：将斗齿铸件加热到890℃-910℃保温后在空气中冷却；

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、本发明稀土（Re）重量百分含量为0.030%-0.036%，斗齿熔炼过程中添加稀土(Re)的作用：1）净化作用：脱硫去气，去除非金属夹杂物的作用。Re是较活泼的金属元素，对氧和硫有较强的亲和力，生成Re的硫化物和氧化物，生成高熔点稳定的稀土硫化物，及复杂的硅酸盐，聚集上浮入渣，除渣，从而达到去除钢液中硫的目的。Re与氧、氢和氮亲和力很大，在钢液中极易生成Re的H、N、O化物，从而稳定了钢中气体，减轻了气体在钢中的有害作用，尢其是降低了O、H的含量。RE能很好地去除非金属夹杂物。此外，Re还能与钢中残余有害的Pb、Sb、Bi、As等低熔点杂质元素形成高熔点化合物，从而消除这些元素沿晶界分布所造成脆断倾向。2）变质作用（改善铸态组织）Re的加入对钢的初次结晶有良好的影响，不同程度上细化了晶粒，消除了铸件柱状组织和魏氏组织。3）合金化作用，Re在奥氏体中有一定的溶解度与奥氏体形成固溶体，Re又是强烈的碳化物形成元素，钢中随着Re加入量的增加，铸钢组织中珠光体数量减少而铁素体数量增加，此外Re的加入还导致钢中其它金属元素在固溶体中和碳化物二个基本相中的分配关系的改变，反映到钢的性能的变化，从而改善钢的力学性能，总之Re元素的加入使斗齿熔模铸件的力学性能得到改善。同时，Re元素加入改善铸钢的铸造性能，尤其是流动性和抗热裂倾向得到提高，从而获得优质铸件。

2、本发明硼（B）重量百分含量为0.0005%-0.0035%，斗齿加入微量B，B对晶界强化作用很明显，它偏聚于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还能减缓合金元素沿晶界的扩散过程，硼能使沿晶界的析出物降低，改善晶界状态，加入微量的B能延迟晶界上的裂纹形成过程，此外，B还能有利于碳化物相的稳定，B能大幅度地提高斗齿的淬透性，0.005%的B对钢的淬透性提高的效果相当于在钢中加入0.5%Mo、0.5%Mn、0.5%Ni和0.5%Cr等4种合金的综合效果。总之，加入微量B对斗齿的机械性能提高效果非常明显，也可相应减少Ni、Mo贵重金属的加入量，降低成本。

3、本发明变质处理加入了纳米级氮化钛（TiN），重量百分含量为0.2%-0.4%，纳米级TiN的纯度>97.0%，总氧含量<1.0%,晶型为立方结构，平均粒度20nm,比表面积80㎡/g,松装密度0.08g/ cm3；

由于在配方中加入了纳米级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；本发明中纳米级TiN的作用主要是：

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：纳米级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（30 -50nm），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。

因而本发明的合金金相组织更细化均匀，冲击韧性提高了50%-80%，成本下降8%-12%。

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：

制备斗齿的步骤如下：

第一，熔炼铸造：

1）将铸钢原料熔化，在钢水化清温度升至1540℃-1560℃时加入0.3%的锰铁和0.3%的硅铁预脱氧并调整成分，取样分析钢水化学成分，按物质重量百分数计调整得到C：0.26%，Si: 0.41%，Mn: 0.90%, Cr：0.75%， S：≤0.030%，P: ≤0.030%的钢水；

2）将钢水温度升至1600℃-1620℃加入0.1%的纯铝终脱氧，停电静置3 -5分钟扒渣出钢，

3）在浇包底部加入预先粉碎成小于10mm的小块状的Re含量为30%的Re-Si稀土硅铁合金、B含量为20%的B-Fe硼铁合金和纳米级TiN复合变质剂；B的质量百分比为0.0012%，Re-Si稀土硅铁合金：0.032%，纳米级TiN ：0.32%；出钢钢水温度控制1590℃-1620℃，静置1 -2分钟浇注于斗齿铸模即得到斗齿铸件； 

第二，斗齿铸件热处理工艺：

1）正火工艺：将斗齿铸件加热到890℃-910℃保温后在空气中冷却；

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：

制备斗齿的步骤如下：

第一，熔炼铸造：

1）将铸钢原料熔化，在钢水化清温度升至1540℃-1560℃时加入0.3%的锰铁和0.3%的硅铁预脱氧并调整成分，取样分析钢水化学成分，按物质重量百分数计调整得到C：0.30%，Si: 0.52%，Mn: 1.10%, Cr：0.80%， S：≤0.030%，P: ≤0.030%；

2）将钢水温度升至1600℃-1620℃加0.1%的纯铝终脱氧，停电静置3-5分钟扒渣出钢，

3）在浇包底部加入预先粉碎成小于10mm的小块状的Re含量为30%的Re-Si稀土硅铁合金、B含量为20%的B-Fe硼铁合金和纳米级TiN复合变质剂，B的质量百分比为0.0018%，Re-Si稀土硅铁合金：0.030%，纳米级TiN ：0.25%；出钢钢水温度控制1590℃-1620℃，静置1 -2分钟浇注于斗齿铸模即得到斗齿铸件；  

 第二，斗齿铸件热处理工艺：方法步骤与实施例1相同。

三、实施例3：

制备斗齿的步骤如下：

第一，熔炼铸造：

1）将铸钢原料熔化，在钢水化清温度升至1540℃-1560℃时加入0.3%的锰铁和0.3%的硅铁预脱氧并调整成分，取样分析钢水化学成分，按物质重量百分数计调整得到C：0.32%，Si: 0.70%，Mn: 1.05%, Cr：0.66%， S：≤0.030%，P: ≤0.030%；

2）将钢水温度升至1600℃-1620℃加0.1%的纯铝终脱氧，停电静置3 -5分钟扒渣出钢，

3）在浇包底部加入预先粉碎成小于10mm的小块状的Re含量为30%的Re-Si稀土硅铁合金、B含量为20%的B-Fe硼铁合金和纳米级TiN复合变质剂，B的质量百分比为0.0021%， Re-Si稀土硅铁合金：0.035%，纳米级TiN ：0.37%；出钢钢水温度控制1590℃-1620℃，静置1 -2分钟进行于斗齿铸模即得到斗齿铸件；   

第二，斗齿铸件热处理工艺：方法步骤与实施例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)

1.一种工程机械斗齿用钢，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: 0.80%-1.20%, Cr：0.60%-1.0%，B：0.0005%-0.0035%， Re-Si稀土硅铁合金：0.030%-0.036%， S：≤0.030%，P: ≤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%-0.40%的纳米级TiN。

2.根据权利要求1所述的工程机械斗齿用钢，其特征在于：C：0.26%，Si: 0.41%，Mn: 0.90%, Cr：0.75%，B：0.0012%， Re-Si稀土硅铁合金：0.032%，纳米级TiN：0.32%。

3.根据权利要求1所述的工程机械斗齿用钢，其特征在于：C：0.30%，Si: 0.52%，Mn: 1.10%, Cr：0.80%，B：0.0018%，Re-Si稀土硅铁合金：0.030%，纳米级TiN：0.25%。

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）将铸钢原料熔化，在钢水化清温度升至1540℃-1560℃时加入0.3%的锰铁和0.3%的硅铁预脱氧并调整成分，将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: 0.80%-1.20%, Cr：0.60%-1.0%，S：≤0.030%，P: ≤0.030%；

2）将钢水温度升至1600℃-1620℃加0.1%的纯铝终脱氧，停电静置3 -5分钟后扒渣出钢，

3）在浇包底部加入预先粉碎成小于10mm的小块状的Re含量为30%的Re-Si稀土硅铁合金、B含量为20%的B-Fe硼铁合金和纳米级TiN复合变质剂，B的质量百分比为0.0005%-0.0035%， Re-Si稀土硅铁合金：0.030%-0.0036%，纳米级TiN ：0.20%-0.40%；出钢钢水温度控制1590℃-1620℃，静置1-2分钟后浇注于斗齿铸模即得到斗齿铸件； 

第二，斗齿铸件热处理工艺：

1）正火工艺：将斗齿铸件加热到890℃-910℃保温后在空气中冷却；

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。