[发明专利]一种多元复合微合金化铸造斗齿及其制备方法

说明书

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。