摘要：研究了用于挖掘机斗齿的新型低铬合金耐磨铸钢。试验表明：该材料经过热处理后具有良好的综合性能，力学性能为：冲击韧性(带U型缺口)：20～28J/cm2，硬度：50～54HRC，抗拉强度,1630～1810Mpa，延伸率：5-7%。实践表明：该斗齿材料较高锰钢大大延长了使用寿命，减少了更换斗齿的次数，提高了机器运转效率，具有良好的经济效益。
　　关键词：挖掘机；斗齿；耐磨合金；铸钢；马氏体
　　中图分类号：TG151.1  文献标识码: A
　　Application of a new low chromium alloy wear resistant steel in the excavator bucket teeth
　　                                                                                                                         JIANG li-kun
　　(Qilu University of Technology ,New Material Institute of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, Shandong, China )
　　Abstract: New low chromium alloy wear resistant cast steel used for excavator bucket teeth was Studied. The results show that: after heat treatment the material have good comprehensive mechanical properties, Mechanical properties of impact toughness (with u-shaped notch):20~28J/cm2, hardness:50~54HRC, tensile strength:1630~1810Mpa, the elongation:5~7%. Practice shows that: the bucket tooth material greatly prolong the service life than high manganese steel. reduced the frequency of replacement of dipper teeth, improve the efficiency of the machine, has the good economic efficiency.
　　Key words: excavator; bucket teeth; wear resistant alloy; cast steel; martensite;
　　前言
　　挖掘机广泛应用于矿山、冶金、电力等领域。斗齿是挖掘机的重要部件，亦是磨损最严重的部件之一。斗齿在工作过程中直接与矿石接触，工作条件十分恶劣。斗齿在工作中，受力大，且复杂，它除正常凿削磨损外，还承受强烈的冲击负荷，经常发生断裂现象，使用寿命短，大大降低了机器的工作效率。在我国大规模的工程建设中，挖掘机使用量不断增加，斗齿的需求量越来越大。改善斗齿材料的磨损性能，开发一种高强度、高硬度和良好韧性结合的斗齿材料，是提高斗齿寿命的有效途径[1-2]。因此，研制一种新的斗齿材料，具有重要的经济意义，市场前景极为广阔。
　　1 试验方法
　  1.1合金的熔炼及成分
　　本试验合金材料在500kg中频感应电炉中熔炼，每炉熔炼450kg铁液。炉料采用生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁和钼铁等，各种炉料均要无油、无锈、且不含杂质。其中硅铁、锰铁、铬铁和钼铁等在加入之前要烘干。熔炼过程中，应该尽量避免搅动铁液以减少炉料的氧化。熔炼后期加入料块不得太大，应烘干至一定温度以防止炉口引起飞溅。该实验中，为使合金元素的收得率高，熔炼时，金属炉料要选择合理的顺序和适宜的时间加入。加料顺序为：生铁－废钢，铁合金－废钢，熔清废钢后进行炉前分析再加入中间合金，然后调整钢液成分。出炉前用硅铁、锰铁进行预脱氧，然后插铝终脱氧，出钢时用0.2%稀土合金和0.2%钛铁进行包内复合变质处理，出钢温度控制在1630～1650℃，浇注U型试块。浇注完毕后，在600℃时打箱。该材料的化学成分设计是参照低铬合金钢设计标准并通过系统试验筛选获得的。利用直读光谱仪进行化学成分分析。化学成分如表1。拉伸强度试样采用10mm的标准试样，冲击试样采用10 mm×10 mm×55 mm的U型标准缺口试样。试块尺寸如图1。

　　图1 试块尺寸
　　Fig. 1 Dimension of the test specimen
　　表1 试块的化学成分
　　Table 1 chemical composition wB/%

　　1.2 热处理工艺方案
　　实际生产中，铸件冷却速度较快，铸态组织中存在着化学成分偏析，组织不均匀，铸件产生铸造应力，因此，为提高力学性能，一般要进行正火处理，消除化学成分偏析，均匀组织。然后进行淬火和回火处理。研究奥氏体化温度对材料力学性能的影响规律。在确定正火和淬火加热温度前，先确定相变点的温度。使用线切割的加工方法从Y型试块上截取热膨胀试样，尺寸如图2所示。使用Fomarster膨胀仪测量，依据测得的合金钢的CCT曲线（如图3所示），可得出试验合金钢的Ac1和Ac3点：Ac1=796℃，Ac3=867℃。
　　淬火温度和时间的确定：目的是获得高硬度和高抗磨性的马氏体基体，提高合金钢的耐磨性，并使其得到强化、硬化，从而具备所需的力学性能。对于低碳低合金钢，进行淬火加热的温度范围为材料的Ac3+(50～100℃)；加热时间：τ=60D（s），式中D是工件的有效厚度（mm）。
　　回火温度和时间的确定：回火是将淬火或正火后的铸钢件加热到低于临界点Ac1的某一选定温度，保温一定时间后，以适宜的速率冷却，使淬火或正火后得到的不稳定组织转变为稳定组织。消除淬火或正火应力以及提高铸钢的塑性和韧性的一种热处理工艺[3]。回火后铸钢件的性能取决于回火温度，时间及次数。随着回火温度的提高和时间的延长，除使钢件的淬火应力消除外，还使不稳定的淬火马氏体转变为回火马氏体、屈氏体、或索式体，使铸钢的强度和硬度降低，而塑性显著的提高。对于一些含有强烈形成碳化物的合金元素（如铬、钼、钒等）的中合金铸钢，在400～500℃回火时出现硬度升高、韧性下降的所谓二次硬化，回火状态铸钢的硬度达到最大值。铸钢件的回火：低温回火（150～250℃）得到回火马氏体组织，硬而耐磨，强度高，疲劳抗力大，主要用于要求高硬度的耐磨铸钢件。中温回火 (400～500℃)得到回火屈氏体组织，弹性好。高温回火（500～600℃）得到回火索氏体组织，主要用于淬火或正火后调整铸钢的组织，使之兼有高强度和良好韧性的碳钢和低、中合金钢铸件。回火工艺参数主要是回火温度，回火时间以及回火冷却方式。回火最初阶段（半小时内）进行的最快而且温度越高，进行的越快。随后逐渐变慢，回火2小时后，变化就很小。热处理方案如表2所示。

　　图2 热膨胀试样（单位：mm）                                图3合金钢的CCT曲线
　　Fig. 2 The sample of thermal expansion (unit: mm)                   Fig. 3 CCT curve of alloy steel
　　表2热处理方案
　　Table 2 Schemes of heat treatment

　　2 试验结果分析
　　2.1 奥氏体化温度对合金钢组织的影响
　　研究的合金钢在奥氏体化然后油淬回火条件下，奥氏体化温度对合金钢显微组织的影响如图4所示。

　　4.1）奥氏体化温度920℃        (4.2)奥氏体化温度940℃          (4.3) 奥氏体化温度960℃        (4.4)奥氏体化温度980℃
　　图4奥氏体化温度对合金钢组织的影响
　　Fig.4 Effect of austenitizing temperature on structure of alloy steel（注：900℃正火，奥氏体化1h油淬， 250℃回火2h）

　　对比各温度的金相照片可看出，奥氏体化温度为960℃时，合金钢油淬回火后的合金钢组织较细且最均匀，在原奥氏体晶粒内部形成不同取向的相互成一定交角的马氏体板条束。奥氏体化温度为920℃时，合金钢内部晶粒细小但位向杂乱。奥氏体化温度为980℃时，合金钢组织板条马氏体，晶粒粗大。奥氏体化温度从920℃～980℃，随着奥氏体化温度的升高，马氏体板条粗化且长度变长，有效晶粒尺寸增加，晶粒长大。
　　2.2 奥氏体化温度对低铬耐磨合金钢冲击韧性和延伸率的影响
　　图5是低铬合金钢淬火 (油冷) 后冲击韧性和奥氏体化温度的关系。

　　图5 奥氏体化温度对冲击韧性和延伸率的影响
　　Fig. 5 Effect of austenitizing temperature on impact toughness and elongation

　　由图5看出，随着奥氏体化温度的升高，材料的冲击韧性和延伸率在一定的奥氏体化时间内的变化趋势是随着奥氏体化温度先增加后减小，温度达960℃时冲击韧性最大。这是因为随着奥氏体化温度的上升，晶界处的碳化物和合金元素不断溶入奥氏体中，同时，奥氏体成分越趋于均匀，致使冲击韧性逐渐上升；但如果奥氏体化温度过高，晶粒长大粗化，因此当奥氏体化温度上升到980℃时，冲击韧性下降[4-6]。
　　图6为不同奥氏体化温度冲击试样断口形貌。

　　图4奥氏体化温度对合金钢组织的影响
　　Fig.4 Effect of austenitizing temperature on structure of alloy steel（注：900℃正火，奥氏体化1h油淬， 250℃回火2h）

　　　　从图6中的冲击试样断口扫描电镜照片中也可以观察到，图6.1、图6.2、图6.3试样的韧窝的数量呈现增多加深的趋势。随着奥氏体化温度的上升，晶界处的碳化物和合金元素不断溶入奥氏体中，成分越趋于均匀，韧窝的数量呈现增多，冲击韧性逐渐上升。图6.3试样的断面上表现为多而深的韧窝，韧窝多而深, 表明此试样是韧性断裂。对于韧窝状断口，断裂原因是位错不断增值和远距离运动，在此过程中材料产生明显的塑性变形，吸收了大量的变形功，宏观上表现为韧性值高。随着奥氏体化温度的进一步上升, 韧窝逐渐减少, 并且出现解理单元。图6.4出现了大面积的解理断面。裂纹形成与位错的运动和增值有关。对于准解理断口，解理裂纹形成也需要先发生一定量的塑性变形，后由某种障碍物的作用使位错受阻形成位错塞积，引起应力集中，当障碍物前应力集中到超过材料的断裂抗力时就发生解理断裂，宏观上表现为韧度降低。
　　2.3 奥氏体化温度对低铬耐磨合金钢硬度和抗拉强度的影响
　　图7是低铬合金钢淬火后抗拉强度、硬度和奥氏体化温度的关系。

　　图5 奥氏体化温度对冲击韧性和延伸率的影响
　　Fig. 5 Effect of austenitizing temperature on impact toughness and elongation

　　由图5看出，随着奥氏体化温度的升高，材料的冲击韧性和延伸率在一定的奥氏体化时间内的变化趋势是随着奥氏体化温度先增加后减小，温度达960℃时冲击韧性最大。这是因为随着奥氏体化温度的上升，晶界处的碳化物和合金元素不断溶入奥氏体中，同时，奥氏体成分越趋于均匀，致使冲击韧性逐渐上升；但如果奥氏体化温度过高，晶粒长大粗化，因此当奥氏体化温度上升到980℃时，冲击韧性下降[4-6]。
　　图6为不同奥氏体化温度冲击试样断口形貌。

　　图6 奥氏体化温度对断口形貌的影响
　　Fig.6 Effect of austenitizing temperature on fracture morphology

　　从图6中的冲击试样断口扫描电镜照片中也可以观察到，图6.1、图6.2、图6.3试样的韧窝的数量呈现增多加深的趋势。随着奥氏体化温度的上升，晶界处的碳化物和合金元素不断溶入奥氏体中，成分越趋于均匀，韧窝的数量呈现增多，冲击韧性逐渐上升。图6.3试样的断面上表现为多而深的韧窝，韧窝多而深, 表明此试样是韧性断裂。对于韧窝状断口，断裂原因是位错不断增值和远距离运动，在此过程中材料产生明显的塑性变形，吸收了大量的变形功，宏观上表现为韧性值高。随着奥氏体化温度的进一步上升, 韧窝逐渐减少, 并且出现解理单元。图6.4出现了大面积的解理断面。裂纹形成与位错的运动和增值有关。对于准解理断口，解理裂纹形成也需要先发生一定量的塑性变形，后由某种障碍物的作用使位错受阻形成位错塞积，引起应力集中，当障碍物前应力集中到超过材料的断裂抗力时就发生解理断裂，宏观上表现为韧度降低。
　　2.3 奥氏体化温度对低铬耐磨合金钢硬度和抗拉强度的影响
　　图7是低铬合金钢淬火后抗拉强度、硬度和奥氏体化温度的关系。

　　图7 奥氏体化温度对硬度和抗拉强度的影响
　　Fig.7 Effect of austenitizing temperature on hardness and tensile strength

　　由图7可以看出，随着淬火温度的升高，硬度和抗拉呈上升趋势。奥氏体化温度较低时，奥氏体均匀化过程未完全，合金元素不均匀，晶界合金元素多，晶粒内部合金元素少，致使合金的强化作用不明显。随着奥氏体化温度的升高，奥氏体化驱动力增大，完全奥氏体化所需时间缩短，合金元素不断溶入奥氏体中均匀分布，从而可显著增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性，增大材料硬度和抗拉强度；另外, 随着温度的提高，钢组织中的碳化物溶入奥氏体中的数量增多，淬火后，基体的含碳量也就越高，因此材料的硬度和抗拉强度逐渐升高[7]。
　　2.4 低铬耐磨合金钢在挖掘机斗齿上的生产实践
　　2012年8月，将研制的低铬耐磨合金钢斗齿在新疆某矿装机使用。使用结果表明：新研制的斗齿能够满足挖掘机的使用要求，所研制的斗齿没有发生断裂现象，平均使用寿命是高锰钢斗齿的一倍以上。优异的力学性能和良好的使用实践充分表明：低铬耐磨合金钢斗齿具有成本低、性能优良、不断裂等特点，市场前景广阔。
　　3 结论
　　(1) 研制了一种新型低铬耐磨合金钢，该合金钢经过热处理后。综合性能为：冲击韧性(带U型缺口)：20～28J/cm2，硬度：50～54HRC，抗拉强度,1630～1810Mpa，延伸率：5-7%。基体组织为马氏体+少量贝氏体。
　　(2) 研制的低铬耐磨合金钢斗齿具有成本低、性能优良、不断裂等特点，能满足斗齿的工矿使用要求。
　　(3) 新研制的低铬耐磨合金钢斗齿由于其寿命长，减少了更换斗齿的次数，提高了机器运转效率，具有很好的经济和社会效益，市场前景极为广阔。
　　(4) 通过适当改变热处理工艺，该低铬耐磨合金钢还可应用于破碎机衬板、锤头等部件。
　　参考文献：略