CN105886918B

CN105886918B - 一种多元复合微合金化铸造斗齿及其制备方法

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Publication number: CN105886918B
Application number: CN201610379113.6A
Authority: CN
Inventors: 蒙秋红; 邓颖章; 苏雅萍; 肖毅强
Original assignee: Guangxi Liugong Machinery Co Ltd
Current assignee: Guangxi Liugong Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2018-04-13
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: CN105886918A

Abstract

本发明涉及铸造斗齿，为解决现有合金钢铸造斗齿使用寿命较短，冲击韧性不高的问题；提供一种多元复合微合金化铸造斗齿，重量百分比：C：0.20～0.36％；Mn：1.00～1.60％；Si：0.80～1.60％；Cr：0.80～1.80％；Mo：0.10～0.50％；B：0.001～0.005％；Al：0.04～0.10％；Nb：0.02～0.06％；V：0.08～0.20％；余量为Fe及附带杂质，杂质中P不大于0.03％，S不大于0.03％；上述铸造斗齿，能满足不同应力工况使用要求，具有耐磨寿命长，抗拉强度高，冲击韧性好的特点，同时微合金化的运用减少合金元素的用量，使得生产成本降低。

Description

一种多元复合微合金化铸造斗齿及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸造斗齿，更具体地说，涉及一种多元复合微合金化铸造斗齿及其制备方法。

背景技术

斗齿位于工程机械工作装置前端，对铲挖物料进行铲挖作业。其作业过程中会与作业物料泥沙、岩石块、矿石等各种物料直接接触，由于物料的质量、硬度和粒度的不同，加上作业模式的不同，使斗齿受力复杂多变，其磨损机理和使用寿命有很大差异。装载机在铲、挖作业时，斗齿齿尖首先与作业物料接触，会受到强烈的摩擦和冲击载荷作用，若斗齿材料的屈服强度较低，很可能使齿尖部位产生塑性变形；随着斗齿铲装作业深度的增加，斗齿与物料发生相对运动，在斗齿表面产生很大的正挤压力，斗齿工作面和物料之间产生很大的摩擦力，摩擦过程反复作用的结果是斗齿表面产生不同程度的磨损，进而产生深度较大的犁沟，造成斗齿材料的不断损失，斗齿寿命也逐渐缩短。斗齿的使用工况决定了斗齿材料应具备良好的耐磨性，同时还要求具有较好的综合力学性能。

提高斗齿材料耐磨性的主要措施是提高材料本身的硬度，主要途径为使斗齿表面获得一定深度的致密马氏体组织，这也是提高材料耐磨性的最有效措施。现有的斗齿用耐磨钢主要是一类高锰奥氏体铸钢(以下简称高锰钢)，具有代表性的是ZGMn₁₃材料。高锰钢基本成分为高锰高碳，由于合金度高，铸造条件下阻碍共析转变进行，所以铸态组织为奥氏体加碳化物，固溶处理后的显微组织为单相奥氏体，硬度为仅有170HB～210HB左右。当高锰钢斗齿在受到强烈冲击时，斗齿表面发生大变形使得奥氏体基体中产生大量的层错、形变孪晶、ε-马氏体和α-马氏体，成为位错运动的障碍，经过强烈冲击后，斗齿材料表面硬度能极大的提高到HB500左右，而心部仍保持韧性的奥氏体，使得高锰钢在承受较强的冲击载荷之后，具有良好的抗磨损能力。

但是，高锰钢斗齿在一般中、低应力下不会发生塑性变形获得加工硬化层，即无法获得高的耐磨性。为了改善高锰钢的耐磨性，行业内进行了以下几方面的研究：1、降低高锰钢的Mn含量，以降低高锰钢奥氏体的稳定性，达到加速加工硬化的效果。2、添加Cr、Mo、Ti等元素，改善高锰钢性能，并在奥氏体基体上弥散析出碳化物，增强耐磨性。3、加入稀土元素，一方面细化晶粒，同时使层错能降低，增加加工能力。尽管进行了卓有成效的研究，高锰钢斗齿的耐磨性以及其他性能有了一定的改善，但对低应力工况下的高锰钢斗齿，耐磨性能仍然无根本性的改善。

为彻底解决低应力工况下斗齿材料耐磨性不足的问题，目前已研发出中碳合金钢铸造斗齿(以下简称合金钢斗齿)，例如ZG35CrMo等。合金钢材料经过淬火最终热处理后，表层获得一定深度的淬火马氏体组织，即获得具有良好耐磨性能的表面硬化层。因为淬火马氏体组织来源于淬火热处理而非表面加工硬化，所以与实际使用工况无关，合金钢斗齿在各应力水平的工况下均具备耐磨性能。然而，合金钢斗齿在推广过程中遇到了新的问题。第一，合金钢斗齿的寿命较短。斗齿的寿命长短主要取决于斗齿表面硬化层的最大深度，合金钢斗齿表面硬化层的最大深度与合金钢本身材料的淬透性有关。为尽可能的提高淬透性，斗齿材料中会添加Mn、Si、Cr、Ni、Mo等元素，合金元素总量较高，成本较高，寿命不理想。第二，合金钢斗齿通过与大量合金元素固溶的方式获得较高的强度，自身抗冲击韧性普遍较差。合金钢斗齿的微观组织容易出现各种铸造缺陷，如晶粒粗大、偏析等，增大了合金钢斗齿在中、高应力的工况下出现开裂或断裂等早期失效行为的风险。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种多元复合微合金化铸造斗齿及其制备方法，该斗齿兼具较高的强度和韧性，满足斗齿在高磨损工况下的耐磨性，同时满足在高冲击工况下斗齿不易发生断裂，有效延长了斗齿使用寿命。

本发明的技术方案为提供一种多元复合微合金化铸造斗齿，所述多元复合微合金化铸造斗齿包括以下重量百分比的化学元素成分：C：0.20％～0.36％；Mn：1.00％～1.60％；Si：0.8％～1.60％；Cr：0.8％～1.80％；Mo：0.10％～0.50％；B：0.001％～0.005％；Al：0.04％～0.10％；Nb：0.02％～0.06％；V：0.08％～0.20％；余量为Fe以及附带杂质，所述杂质中：P元素的质量百分比小于等于0.03％，S元素的质量百分比小于等于0.03％。理想临界直径DI值范围160mm～380mm。

所述多元复合微合金化铸造斗齿中进一步的化学元素重量百分比为C：0.26％～0.33％；Mn：1.20％～1.50％；Si：1.0％～1.50％；Cr：1.0％～1.40％；Mo：0.15％～0.25％；B：0.001％～0.0035％；Al：0.04％～0.09％；Nb：0.02％～0.04％；V：0.08％～0.15％；余量为Fe以及附带杂质；所述杂质中：P元素的质量百分比小于等于0.03％，S元素的质量百分比小于等于0.03％。理想临界直径DI值范围220mm～320mm。

本发明碳含量控制在0.20％～0.36％之间，其与Fe、Mn、Cr、Si等合金元素形成碳化物，具有重要的固溶强化作用，提高材料的淬透性和淬硬性，具备较高硬度和耐磨性。

本发明为使斗齿材料获得高的强度和韧性，在铸造斗齿中复合添加Nb、V、B三种微合金化元素，其中，这三种微合金化元素的作用分别是：

Nb、：Nb能和钢中的碳、氮生成稳定的碳化物和碳氮化物，而且还可以使碳化物分散，阻止奥氏体晶粒的长大，从而减小斗齿材料的晶粒尺寸，通过细晶强化的作用提高斗齿材料的强韧性。

V：复合加入Nb-V时，强度比单独加入Nb高，复合化合物(NbV)CN和V各自的碳氮化物更细小，而且析出温度更低，添加V形成碳化物VC和氮化物VN来产生钉扎晶界机制，从而更能有效的阻止奥氏体晶粒的长大和再结晶过程，对斗齿材料产生细晶强化的效果，同时提高斗齿材料的强度和韧性，使铸造斗齿拥有良好的综合力学性能。另外，加入Nb、V还能提高钢的淬透性，增加回火稳定性，有二次硬化作用。

B：能显著提高斗齿材料的淬透性。硼原子在奥氏体冷却时发生的平衡集聚并共格脱溶，能显著地降低过冷奥氏体晶界能，从而阻滞了扩散型相变时铁素体的形核，使厚大截面斗齿获得深层相变强化，显著增大铸造斗齿的淬硬层，有效提高铸造斗齿的寿命。另外，B的加入能够促进其它微合金元素如Nb的形变诱导析出，在钢中产生更为细小的Nb和B的复杂的碳氮化合物，有利于改善钢的各项性能。

这些元素在钢中的作用和交互作用，强化方式除单独贡献外，还产生交互作用强化。此外Nb、V、B三种微合金化元素与其它合金元素产生的特定配比，不仅可按需要设计铸造斗齿的淬透性，使铸造斗齿获得160mm～380mm范围内的淬硬层深度，有效提高斗齿的耐磨性和使用寿命，同时产生合金元素配合产生的细晶强化、弥散强化、固溶强化等作用对提高斗齿的屈服强度、抗冲击性等指标具有明显作用。

由于在所述多元微合金化铸造斗齿中引入了微合金化技术，斗齿材料中复合添加微合金化元素与常用的其它强化合金元素，使其它常用的强化合金元素用量大大降低，斗齿材料合金元素总量从现有技术的10％以上降低到5％左右。从而降低了斗齿的成本，由于斗齿是一种大量消耗的产品，经济性对于斗齿的设计是很重要的。

本发明的另一方面提供一种多元复合微合金化铸造斗齿的制造方法。其特征在于包括以下步骤：

(1)铸造工序

按化学元素成分的重量百分比配好炉料在感应电炉中熔炼，出钢前加入铝线脱氧，随后静置4分钟，捞净炉渣；在浇包底部放入稀土硅铁合金，以出钢钢水冲入浇包并静置2分钟后开始浇铸，浇铸温度为1600℃～1650℃，浇铸完冷却到室温进行脱模形成斗齿铸件；其中稀土硅铁合金的添加重量占浇包中钢水重量的0.15％～0.25％。稀土硅铁合金中包含稀土金属元素以及Si、Fe、Mn、Ca、Ti等元素。

(2)热处理工序

依次包括退火、淬火和低温回火处理。所述退火处理是将铸件放入热处理炉中加热至920℃～950℃，保温时间为3至5小时，随炉冷却到500℃～600℃后出炉空气冷却；所述淬火处理是将退火处理后的铸件加热至920℃～950℃，保温时间为3至5小时后淬火液冷却；所述回火处理是将淬火的铸件加热至230℃～280℃，保温时间为3至5小时，空气冷却。制造获得的斗齿，其金相组织为板条马氏体，组织级别为3～6级。

采用上述材料和工艺制造获得的斗齿，其抗拉强度Rm＞1650MPa，断后伸长率A≥3％，冲击功KV2≥25J，表面硬度为46HRC～52HRC，且距截面40mm范围内硬度与表面硬度的差异≤3HRC。在同等工况下作业，其使用寿命提高30％以上。

本发明铸造斗齿中，通过添加B、Nb、V等微量合金元素，显著提高钢的淬透性，细化晶粒，使厚大截面的斗齿具备了深层硬化效果，兼具较高的强度和韧性，满足斗齿在高磨损工况下的耐磨性，同时满足在高冲击工况下斗齿不易发生断裂，有效延长了斗齿使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1中多元复合微合金化铸造斗齿金相组织示意图。

图2是本发明实施例1中多元复合微合金化铸造齿最厚截面硬度分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

实施例1

本实施例中工程机械铸造斗齿的化学成分(质量百分比)为：C：0.31％，Mn：1.40％，Si：1.12％，Cr：1.00％，Mo：0.22％，B：0.004％，Al：0.05％，Nb：0.04％，V：0.13％，P：0.022％，S：0.007％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

制造上述铸造斗齿的生产方法，包括以下步骤：

在常规的感应电炉中熔炼，出钢前加入质量百分比0.05％铝线脱氧，随后静置4分钟，捞净炉渣；在浇包底部放入稀土硅铁合金，稀土硅铁合金与冲入浇包中钢水重量的比值：0.15％～0.25％。，以出钢钢水冲入浇包并静置2分钟后开始浇铸，保证浇铸温度为1620℃。对浇铸成型的毛坯进行热处理，其工艺为：930℃退火，保温4小时，随炉冷到500℃后出炉空冷；接着930℃淬火，保温3.5小时，5％水溶性淬火液冷却；最后220℃回火，保温4小时，空冷。

本实施例中得到的斗齿，金相组织为板条马氏体，如图1所示，组织级别为4～5级，斗齿的最厚截面硬度范围达48HRC～52HRC，硬度由表面至内部的变化如图2所示，距表面40mm处硬度为50HRC，抗拉强度1802MPa，断后伸长率5％，冲击功KV₂：28J，获得良好的综合机械性能，提高了材料的耐磨性，延长了斗齿的使用寿命。

实施例2

本实施例中工程机械斗齿的化学成分及相应的质量百分比分别为：C：0.26％，Mn：1.20％，Si：1.01％，Cr：1.07％，Mo：0.18％，B：0.0018％；Al：0.05％，Nb：0.02％，V：0.08％，P：0.024％，S：0.002％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

制造上述铸造斗齿的生产方法，包括以下几个步骤：

熔炼浇铸过程及控制同上面的实施例1。对浇铸成型的毛坯进行热处理，其工艺为：930℃退火，保温3.5小时，随炉冷到500℃后出炉空冷；接着930℃淬火，保温3.5小时，5％水溶性淬火液冷却；最后220℃回火，保温4小时，空冷。

本实施例中得到的斗齿，组织为板条马氏体，组织级别为4～5级，斗齿的最厚截面硬度范围达46HRC～50HRC，距表面40mm处硬度为47HRC，抗拉强度1738MPa，断后伸长率4％，冲击功KV₂：27J，获得良好的综合机械性能，提高了材料的耐磨性，延长了斗齿的使用寿命，客户使用成本明显减少。

实施例3

本实施例中工程机械斗齿的化学成分及相应的质量百分比分别为：C：0.36％，Mn：1.20％，Si：1.42％，Cr：1.71％，Mo：0.22％，B：0.003％；Al：0.05％，Nb：0.05％，V：0.15％，P：0.024％，S：0.009％，余量为Fe以及不可避免的杂质。

制造上述铸造斗齿的生产方法，包括以下几个步骤：

熔炼浇铸过程及控制同上面的实施例1。对浇铸成型的毛坯进行热处理，其工艺为：920℃退火，保温4小时，随炉冷到500℃后出炉空冷；接着950℃淬火，保温3.5小时，5％水溶性淬火液冷却；最后220℃回火，保温4小时，空冷。

本实施例中得到的斗齿，组织为板条马氏体，组织级别为3～4级，斗齿的最厚截面硬度范围达48HRC～52HRC，距表面40mm处硬度为49HRC，抗拉强度1750MPa，断后伸长率4.5％，冲击功KV₂：30J，获得良好的综合机械性能，提高了材料的耐磨性，延长了斗齿的使用寿命，客户使用成本明显减少。

Claims

1.一种多元复合微合金化铸造斗齿，其特征在于：包括以下重量百分比的化学元素成分：C：0.20％～0.36％；Mn：1.00％～1.60％；Si：0.80％～1.60％；Cr：0.80％～1.80％；Mo：0.10％～0.50％；B：0.001％～0.005％；Al：0.04％～0.10％；Nb：0.02％～0.06％；V：0.08％～0.20％；余量为Fe以及附带杂质，所述杂质中：P元素的质量百分比小于等于0.03％，S元素的质量百分比小于等于0.03％；理想临界直径DI值范围160mm～380mm；抗拉强度Rm＞1650MPa，断后伸长率A≥3％，冲击功KV₂≥25J，表面硬度为46HRC～52HRC，且距表面40mm深度范围内硬度与表面硬度的差异≤3HRC。

2.根据权利要求1所述的多元复合微合金化铸造斗齿，其特征在于所述斗齿包括以下重量百分比的化学元素成分：C：0.26％～0.33％；Mn：1.20％～1.50％；Si：1.00％～1.50％；Cr：1.00％～1.40％；Mo：0.15％～0.25％；B：0.001％～0.0035％；Al：0.04％～0.09％；Nb：0.02％～0.04％；V：0.08％～0.15％；余量为Fe以及附带杂质；所述杂质中：P元素的质量百分比小于等于0.03％，S元素的质量百分比小于等于0.03％；理想临界直径DI值范围220mm～320mm。

3.根据权利要求1或2所述的多元复合微合金化铸造斗齿，其特征在于金相组织为板条马氏体，组织级别为3～6级。

4.一种多元复合微合金化铸造斗齿的制备方法，其特征在于斗齿铸件的化学元素重量百分比为：C：0.20％～0.36％；Mn：1.00％～1.60％；Si：0.8％～1.60％；Cr：0.8％～1.80％；Mo：0.10％～0.50％；B：0.001％～0.005％；Al：0.04％～0.10％；Nb：0.02％～0.06％；V：0.08％～0.20％；余量为Fe以及附带杂质，所述杂质中：P元素的质量百分比小于等于0.03％，S元素的质量百分比小于等于0.03％；其方法包括如下步骤：

(1)铸造工序：按成分百分比配好炉料在感应电炉中熔炼，出钢前加入铝线脱氧，随后静置4分钟，捞净炉渣；在浇包底部放入稀土硅铁合金，以出钢钢水冲入浇包并静置2分钟后开始浇铸，浇铸温度为1600℃～1650℃，浇铸完缓冷到500℃以下进行脱模形成斗齿铸件；

(2)热处理工序：依次包括退火、淬火和低温回火处理，所述退火处理是将铸件放入热处理炉中加热至920℃～950℃，保温时间为3至5小时，随炉冷却到500℃～600℃后出炉空气冷却；所述淬火处理是将退火处理后的铸件加热至920℃～950℃，保温时间为3至5小时后淬火液冷却；所述回火处理是将淬火的铸件加热至230℃～280℃，保温时间为3至5小时，空气冷却。

5.根据权利要求4所述的多元复合微合金化铸造斗齿的制备方法，其特征在于所述斗齿铸件的化学元素重量百分比为C：0.26％～0.33％；Mn：1.20％～1.50％；Si：1.0％～1.50％；Cr：1.0％～1.40％；Mo：0.15％～0.25％；B：0.001％～0.0035％；Al：0.04％～0.09％；Nb：0.02％～0.04％；V：0.08％～0.15％；余量为Fe以及附带杂质；所述杂质中：P元素的质量百分比小于等于0.03％，S元素的质量百分比小于等于0.03％。

6.根据权利要求4所述的多元复合微合金化铸造斗齿的制备方法，其特征在于所述稀土硅铁合金的添加重量占浇包中钢水重量的0.15％～0.25％。