摘要：研究了用于挖掘機斗齒的新型低鉻合金耐磨鑄鋼。試驗表明：該材料經過熱處理后具有良好的綜合性能，力學性能為：沖擊韌性(帶U型缺口)：20～28J/cm2，硬度：50～54HRC，抗拉強度,1630～1810Mpa，延伸率：5-7%。實踐表明：該斗齒材料較高錳鋼大大延長了使用壽命，減少了更換斗齒的次數，提高了機器運轉效率，具有良好的經濟效益。
　　關鍵詞：挖掘機；斗齒；耐磨合金；鑄鋼；馬氏體
　　中圖分類號：TG151.1  文獻標識碼: 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
　　挖掘機廣泛應用于礦山、冶金、電力等領域。斗齒是挖掘機的重要部件，亦是磨損最嚴重的部件之一。斗齒在工作過程中直接與礦石接觸，工作條件十分惡劣。斗齒在工作中，受力大，且復雜，它除正常鑿削磨損外，還承受強烈的沖擊負荷，經常發生斷裂現象，使用壽命短，大大降低了機器的工作效率。在我國大規模的工程建設中，挖掘機使用量不斷增加，斗齒的需求量越來越大。改善斗齒材料的磨損性能，開發一種高強度、高硬度和良好韌性結合的斗齒材料，是提高斗齒壽命的有效途徑[1-2]。因此，研制一種新的斗齒材料，具有重要的經濟意義，市場前景極為廣闊。
　　1 試驗方法
　  1.1合金的熔煉及成分
　　本試驗合金材料在500kg中頻感應電爐中熔煉，每爐熔煉450kg鐵液。爐料采用生鐵、廢鋼、硅鐵、錳鐵、鉻鐵和鉬鐵等，各種爐料均要無油、無銹、且不含雜質。其中硅鐵、錳鐵、鉻鐵和鉬鐵等在加入之前要烘干。熔煉過程中，應該盡量避免攪動鐵液以減少爐料的氧化。熔煉后期加入料塊不得太大，應烘干至一定溫度以防止爐口引起飛濺。該實驗中，為使合金元素的收得率高，熔煉時，金屬爐料要選擇合理的順序和適宜的時間加入。加料順序為：生鐵－廢鋼，鐵合金－廢鋼，熔清廢鋼后進行爐前分析再加入中間合金，然后調整鋼液成分。出爐前用硅鐵、錳鐵進行預脫氧，然后插鋁終脫氧，出鋼時用0.2%稀土合金和0.2%鈦鐵進行包內復合變質處理，出鋼溫度控制在1630～1650℃，澆注U型試塊。澆注完畢后，在600℃時打箱。該材料的化學成分設計是參照低鉻合金鋼設計標準并通過系統試驗篩選獲得的。利用直讀光譜儀進行化學成分分析。化學成分如表1。拉伸強度試樣采用10mm的標準試樣，沖擊試樣采用10 mm×10 mm×55 mm的U型標準缺口試樣。試塊尺寸如圖1。

　　圖1 試塊尺寸
　　Fig. 1 Dimension of the test specimen
　　表1 試塊的化學成分
　　Table 1 chemical composition wB/%

　　1.2 熱處理工藝方案
　　實際生產中，鑄件冷卻速度較快，鑄態組織中存在著化學成分偏析，組織不均勻，鑄件產生鑄造應力，因此，為提高力學性能，一般要進行正火處理，消除化學成分偏析，均勻組織。然后進行淬火和回火處理。研究奧氏體化溫度對材料力學性能的影響規律。在確定正火和淬火加熱溫度前，先確定相變點的溫度。使用線切割的加工方法從Y型試塊上截取熱膨脹試樣，尺寸如圖2所示。使用Fomarster膨脹儀測量，依據測得的合金鋼的CCT曲線（如圖3所示），可得出試驗合金鋼的Ac1和Ac3點：Ac1=796℃，Ac3=867℃。
　　淬火溫度和時間的確定：目的是獲得高硬度和高抗磨性的馬氏體基體，提高合金鋼的耐磨性，并使其得到強化、硬化，從而具備所需的力學性能。對于低碳低合金鋼，進行淬火加熱的溫度范圍為材料的Ac3+(50～100℃)；加熱時間：τ=60D（s），式中D是工件的有效厚度（mm）。
　　回火溫度和時間的確定：回火是將淬火或正火后的鑄鋼件加熱到低于臨界點Ac1的某一選定溫度，保溫一定時間后，以適宜的速率冷卻，使淬火或正火后得到的不穩定組織轉變為穩定組織。消除淬火或正火應力以及提高鑄鋼的塑性和韌性的一種熱處理工藝[3]。回火后鑄鋼件的性能取決于回火溫度，時間及次數。隨著回火溫度的提高和時間的延長，除使鋼件的淬火應力消除外，還使不穩定的淬火馬氏體轉變為回火馬氏體、屈氏體、或索式體，使鑄鋼的強度和硬度降低，而塑性顯著的提高。對于一些含有強烈形成碳化物的合金元素（如鉻、鉬、釩等）的中合金鑄鋼，在400～500℃回火時出現硬度升高、韌性下降的所謂二次硬化，回火狀態鑄鋼的硬度達到最大值。鑄鋼件的回火：低溫回火（150～250℃）得到回火馬氏體組織，硬而耐磨，強度高，疲勞抗力大，主要用于要求高硬度的耐磨鑄鋼件。中溫回火 (400～500℃)得到回火屈氏體組織，彈性好。高溫回火（500～600℃）得到回火索氏體組織，主要用于淬火或正火后調整鑄鋼的組織，使之兼有高強度和良好韌性的碳鋼和低、中合金鋼鑄件。回火工藝參數主要是回火溫度，回火時間以及回火冷卻方式。回火最初階段（半小時內）進行的最快而且溫度越高，進行的越快。隨后逐漸變慢，回火2小時后，變化就很小。熱處理方案如表2所示。

　　圖2 熱膨脹試樣（單位：mm）                                圖3合金鋼的CCT曲線
　　Fig. 2 The sample of thermal expansion (unit: mm)                   Fig. 3 CCT curve of alloy steel
　　表2熱處理方案
　　Table 2 Schemes of heat treatment

　　2 試驗結果分析
　　2.1 奧氏體化溫度對合金鋼組織的影響
　　研究的合金鋼在奧氏體化然后油淬回火條件下，奧氏體化溫度對合金鋼顯微組織的影響如圖4所示。

　　4.1）奧氏體化溫度920℃        (4.2)奧氏體化溫度940℃          (4.3) 奧氏體化溫度960℃        (4.4)奧氏體化溫度980℃
　　圖4奧氏體化溫度對合金鋼組織的影響
　　Fig.4 Effect of austenitizing temperature on structure of alloy steel（注：900℃正火，奧氏體化1h油淬， 250℃回火2h）

　　對比各溫度的金相照片可看出，奧氏體化溫度為960℃時，合金鋼油淬回火后的合金鋼組織較細且最均勻，在原奧氏體晶粒內部形成不同取向的相互成一定交角的馬氏體板條束。奧氏體化溫度為920℃時，合金鋼內部晶粒細小但位向雜亂。奧氏體化溫度為980℃時，合金鋼組織板條馬氏體，晶粒粗大。奧氏體化溫度從920℃～980℃，隨著奧氏體化溫度的升高，馬氏體板條粗化且長度變長，有效晶粒尺寸增加，晶粒長大。
　　2.2 奧氏體化溫度對低鉻耐磨合金鋼沖擊韌性和延伸率的影響
　　圖5是低鉻合金鋼淬火 (油冷) 后沖擊韌性和奧氏體化溫度的關系。

　　圖5 奧氏體化溫度對沖擊韌性和延伸率的影響
　　Fig. 5 Effect of austenitizing temperature on impact toughness and elongation

　　由圖5看出，隨著奧氏體化溫度的升高，材料的沖擊韌性和延伸率在一定的奧氏體化時間內的變化趨勢是隨著奧氏體化溫度先增加后減小，溫度達960℃時沖擊韌性最大。這是因為隨著奧氏體化溫度的上升，晶界處的碳化物和合金元素不斷溶入奧氏體中，同時，奧氏體成分越趨于均勻，致使沖擊韌性逐漸上升；但如果奧氏體化溫度過高，晶粒長大粗化，因此當奧氏體化溫度上升到980℃時，沖擊韌性下降[4-6]。
　　圖6為不同奧氏體化溫度沖擊試樣斷口形貌。

　　圖4奧氏體化溫度對合金鋼組織的影響
　　Fig.4 Effect of austenitizing temperature on structure of alloy steel（注：900℃正火，奧氏體化1h油淬， 250℃回火2h）

　　　　從圖6中的沖擊試樣斷口掃描電鏡照片中也可以觀察到，圖6.1、圖6.2、圖6.3試樣的韌窩的數量呈現增多加深的趨勢。隨著奧氏體化溫度的上升，晶界處的碳化物和合金元素不斷溶入奧氏體中，成分越趨于均勻，韌窩的數量呈現增多，沖擊韌性逐漸上升。圖6.3試樣的斷面上表現為多而深的韌窩，韌窩多而深, 表明此試樣是韌性斷裂。對于韌窩狀斷口，斷裂原因是位錯不斷增值和遠距離運動，在此過程中材料產生明顯的塑性變形，吸收了大量的變形功，宏觀上表現為韌性值高。隨著奧氏體化溫度的進一步上升, 韌窩逐漸減少, 并且出現解理單元。圖6.4出現了大面積的解理斷面。裂紋形成與位錯的運動和增值有關。對于準解理斷口，解理裂紋形成也需要先發生一定量的塑性變形，后由某種障礙物的作用使位錯受阻形成位錯塞積，引起應力集中，當障礙物前應力集中到超過材料的斷裂抗力時就發生解理斷裂，宏觀上表現為韌度降低。
　　2.3 奧氏體化溫度對低鉻耐磨合金鋼硬度和抗拉強度的影響
　　圖7是低鉻合金鋼淬火后抗拉強度、硬度和奧氏體化溫度的關系。

　　圖5 奧氏體化溫度對沖擊韌性和延伸率的影響
　　Fig. 5 Effect of austenitizing temperature on impact toughness and elongation

　　由圖5看出，隨著奧氏體化溫度的升高，材料的沖擊韌性和延伸率在一定的奧氏體化時間內的變化趨勢是隨著奧氏體化溫度先增加后減小，溫度達960℃時沖擊韌性最大。這是因為隨著奧氏體化溫度的上升，晶界處的碳化物和合金元素不斷溶入奧氏體中，同時，奧氏體成分越趨于均勻，致使沖擊韌性逐漸上升；但如果奧氏體化溫度過高，晶粒長大粗化，因此當奧氏體化溫度上升到980℃時，沖擊韌性下降[4-6]。
　　圖6為不同奧氏體化溫度沖擊試樣斷口形貌。

　　圖6 奧氏體化溫度對斷口形貌的影響
　　Fig.6 Effect of austenitizing temperature on fracture morphology

　　從圖6中的沖擊試樣斷口掃描電鏡照片中也可以觀察到，圖6.1、圖6.2、圖6.3試樣的韌窩的數量呈現增多加深的趨勢。隨著奧氏體化溫度的上升，晶界處的碳化物和合金元素不斷溶入奧氏體中，成分越趨于均勻，韌窩的數量呈現增多，沖擊韌性逐漸上升。圖6.3試樣的斷面上表現為多而深的韌窩，韌窩多而深, 表明此試樣是韌性斷裂。對于韌窩狀斷口，斷裂原因是位錯不斷增值和遠距離運動，在此過程中材料產生明顯的塑性變形，吸收了大量的變形功，宏觀上表現為韌性值高。隨著奧氏體化溫度的進一步上升, 韌窩逐漸減少, 并且出現解理單元。圖6.4出現了大面積的解理斷面。裂紋形成與位錯的運動和增值有關。對于準解理斷口，解理裂紋形成也需要先發生一定量的塑性變形，后由某種障礙物的作用使位錯受阻形成位錯塞積，引起應力集中，當障礙物前應力集中到超過材料的斷裂抗力時就發生解理斷裂，宏觀上表現為韌度降低。
　　2.3 奧氏體化溫度對低鉻耐磨合金鋼硬度和抗拉強度的影響
　　圖7是低鉻合金鋼淬火后抗拉強度、硬度和奧氏體化溫度的關系。

　　圖7 奧氏體化溫度對硬度和抗拉強度的影響
　　Fig.7 Effect of austenitizing temperature on hardness and tensile strength

　　由圖7可以看出，隨著淬火溫度的升高，硬度和抗拉呈上升趨勢。奧氏體化溫度較低時，奧氏體均勻化過程未完全，合金元素不均勻，晶界合金元素多，晶粒內部合金元素少，致使合金的強化作用不明顯。隨著奧氏體化溫度的升高，奧氏體化驅動力增大，完全奧氏體化所需時間縮短，合金元素不斷溶入奧氏體中均勻分布，從而可顯著增加過冷奧氏體的穩定性，提高鋼的淬透性，增大材料硬度和抗拉強度；另外, 隨著溫度的提高，鋼組織中的碳化物溶入奧氏體中的數量增多，淬火后，基體的含碳量也就越高，因此材料的硬度和抗拉強度逐漸升高[7]。
　　2.4 低鉻耐磨合金鋼在挖掘機斗齒上的生產實踐
　　2012年8月，將研制的低鉻耐磨合金鋼斗齒在新疆某礦裝機使用。使用結果表明：新研制的斗齒能夠滿足挖掘機的使用要求，所研制的斗齒沒有發生斷裂現象，平均使用壽命是高錳鋼斗齒的一倍以上。優異的力學性能和良好的使用實踐充分表明：低鉻耐磨合金鋼斗齒具有成本低、性能優良、不斷裂等特點，市場前景廣闊。
　　3 結論
　　(1) 研制了一種新型低鉻耐磨合金鋼，該合金鋼經過熱處理后。綜合性能為：沖擊韌性(帶U型缺口)：20～28J/cm2，硬度：50～54HRC，抗拉強度,1630～1810Mpa，延伸率：5-7%。基體組織為馬氏體+少量貝氏體。
　　(2) 研制的低鉻耐磨合金鋼斗齒具有成本低、性能優良、不斷裂等特點，能滿足斗齒的工礦使用要求。
　　(3) 新研制的低鉻耐磨合金鋼斗齒由于其壽命長，減少了更換斗齒的次數，提高了機器運轉效率，具有很好的經濟和社會效益，市場前景極為廣闊。
　　(4) 通過適當改變熱處理工藝，該低鉻耐磨合金鋼還可應用于破碎機襯板、錘頭等部件。
　　參考文獻：略