袁淑君，趙新華，李金浩，鄭桂蕓，張 鵬

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

1 前言

斗齒是挖掘機(jī)、推土機(jī)等土方機(jī)械上的重要部件，也是易耗件。根據(jù)斗齒加工工藝的不同，其可分為鑄造斗齒和鍛造斗齒。隨著人們環(huán)保理念的日益增強(qiáng)，以及國家提倡走低碳、綠色的發(fā)展道路，鑄造斗齒將逐漸被淘汰。鍛造斗齒避免了鑄造工藝易產(chǎn)生的增碳、粘砂、皺皮、夾渣、氣體含量高、致密度低等缺陷，且使用壽命長，因此采用鍛造工藝生產(chǎn)斗齒成為斗齒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司（簡稱萊鋼）從2013年開始，緊跟鍛造斗齒新工藝技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景，率先開展個性化、高性能鍛造斗齒用鋼的研究與開發(fā)，搶先占領(lǐng)高端鍛造斗齒用鋼市場，已開發(fā)近10個斗齒專用鋼品種，年產(chǎn)銷量達(dá)1萬t。

2 鍛造斗齒生產(chǎn)工藝及性能要求

2.1 鍛造工藝

斗齒鍛造工藝流程：圓鋼下料→加熱→頭部鍛造成型→第1次漏斗沖孔→第2次漏斗沖孔（定型）→切除鍛打毛邊→沖銷軸孔→打碼→熱處理。在鍛造過程中利用鍛壓機(jī)對金屬坯料施加較大的壓力，在高溫下擠壓成型，細(xì)化鍛件中的晶粒，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得一定機(jī)械性能并改善其組織結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行淬火+回火熱處理，從而保證鍛造斗齒具有良好的力學(xué)性能、耐磨性以及較長的使用壽命。

2.2 失效形式

斗齒直接與礦石、砂、土等物料接觸，服役時不僅要承受物料的沖擊作用，還要承受一定的彎矩作用，同時磨料在斗齒尖部的滑動使得表面出現(xiàn)各種犁溝，造成磨損或脫落。斗齒失效形式中90%～95%為磨損失效，導(dǎo)致斗齒尺寸減小直至出現(xiàn)磨穿破損，無法繼續(xù)工作；5%～10%為斷裂、變形失效，此種失效一般是由于選材不當(dāng)或者工況條件十分惡劣，斗齒短期服役后某些部位直接斷裂失效［1］。

斗齒磨損失效中主要存在兩種失效機(jī)制。（1）切削機(jī)制。一是在高沖擊工況條件下，斗齒剛接觸物料（巖石、礦石等）時有一個較大的撞擊力，導(dǎo)致斗齒尖部產(chǎn)生一定的塑性變形，形成塑變犁溝；二是插入物料時，硬質(zhì)磨粒在外力的作用下在斗齒表面急速運動，硬質(zhì)棱角將斗齒表面犁削成一條條溝槽，并伴隨著顯微切削碎屑的產(chǎn)生；三是服役產(chǎn)生的摩擦熱、變形潛熱使切屑溫度驟升，改變了切屑的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時還將出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象。（2）疲勞剝落機(jī)制。在低沖擊工況條件下，磨料（黃土、石灰石、油頁巖等）磨粒很軟，當(dāng)斗齒插入磨料堆時，磨粒只在斗齒金屬面上滑動，切削金屬表面作用很小，此時斗齒的磨損主要是長時間的應(yīng)力和應(yīng)變在局部的交變疲勞應(yīng)力作用下所致。

2.3 斗齒性能要求

斗齒磨損失效的兩種機(jī)制，要求斗齒在具有高耐磨性的同時還需具有良好的硬韌性配合。在斗齒選材方面綜合要求如下［2-3］：（1）高的硬度。硬度值的高低直接決定了材料耐磨性的好壞，硬度值越高的材料耐磨性越好，因此一般要求斗齒的基體硬度值不低于46 HRC。（2）良好的韌性。斗齒韌性好，可防止斗齒出現(xiàn)斷裂等宏觀失效，也可提高斗齒的耐磨料磨損的能力和使用壽命，一般要求斗齒的沖擊吸收能力值高于20 J。（3）高的淬透性。鍛造斗齒用鋼必須經(jīng)過淬火+回火熱處理，高的淬透性可以讓斗齒整體獲得強(qiáng)韌性較好的板條馬氏體組織，從而保證斗齒性能均勻。（4）細(xì)小均勻的組織。組織細(xì)小均勻有利于提高材料的強(qiáng)韌性，同時有利于降低材料的熱處理變形，因此要求斗齒的奧氏體晶粒度不粗于5級。

3 鍛造斗齒用鋼生產(chǎn)技術(shù)

根據(jù)斗齒鍛造工藝、失效形式以及性能需求，嚴(yán)格控制斗齒用熱軋圓鋼成分技術(shù)指標(biāo)，合理設(shè)計生產(chǎn)工藝。

3.1 品種及成分設(shè)計

綜合考慮斗齒性能需求、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝等因素，確定鍛造斗齒用熱軋圓鋼的合金元素以Si、Mn、Cr 為主，可適當(dāng)添加Mo、V、Ti、Nb等少量微合金化元素來改善其綜合性能，典型的品種系列可分為SiMn系、SiMnCr系、SiMnCrMo系等。

3.1.1 碳含量

鋼中含碳量的高低主要影響材料淬火后得到的馬氏體組織形態(tài)；低碳鋼（≤0.25%）淬火后獲得板條馬氏體組織，其韌性高，并具有一定的硬度（40～50 HRC），耐磨性較低；高碳鋼（≥0.60%）淬火后獲得以片狀馬氏體為主的組織，其硬度高（≥60 HRC），脆性大，韌性差；中碳鋼（0.25%～0.60%）淬火后獲得混合型馬氏體組織，在保證較高耐磨性的同時也具有足夠的韌性。對于斗齒用鋼，在保證高耐磨性的前提下盡量獲得較多的板條馬氏體組織，因此確定碳含量0.27%～0.40%。

3.1.2 硅含量

硅作為合金元素時全部以固溶體形態(tài)存在鐵素體中，起到固溶強(qiáng)化的作用，可顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度，從而改善鋼的耐磨性，且硅為比較廉價的元素，因此在斗齒用鋼中硅是主要的提高耐磨性的合金元素，但硅含量過高會顯著降低鋼的塑性和韌性，加重在后續(xù)熱處理過程中的脫碳傾向，因此確定硅含量0.60%～1.60%。

3.1.3 錳、鉻、鉬含量

這3個元素都能顯著提高鋼的淬透性，對于要進(jìn)行淬火處理的斗齒而言，是不可缺少的元素。但淬透性高低與斗齒大小、斗齒服役工況相關(guān)，因此要根據(jù)用戶的需要，合理設(shè)計錳、鉻、鉬3元素的含量范圍。一般情況下，錳含量0.80%～1.50%，鉻含量1.10%～2.00%，必要時才加入微量鉬元素，范圍為0.10%～0.20%。

3.1.4 釩、鈦、鈮含量

釩、鈦、鈮都是強(qiáng)碳化物和氮化物形成元素，可達(dá)到細(xì)化晶粒，改善韌性并適當(dāng)提高耐磨性的作用，因此可適當(dāng)微量加入此3種元素的1種或復(fù)合加入。單獨加入其中1種元素時，釩含量0.05%～0.15%，鈦含量0.05%～0.10%，鈮含量0.020%～0.070%。

3.2 性能指標(biāo)

斗齒用熱軋圓鋼的各項性能指標(biāo)中，除去直接影響耐磨性能的力學(xué)性能、淬透性定等指標(biāo)外，其他物理性能指標(biāo)的嚴(yán)格控制對斗齒的加工以及使用壽命也有較大影響。因此對于斗齒用熱軋圓鋼，還提出低倍組織、晶粒度、非金屬夾雜物、交貨硬度的控制要求。

3.2.1 低倍組織

斗齒成品形狀不規(guī)則，鍛造流程長，工藝復(fù)雜，較為嚴(yán)重的中心疏松等缺陷會導(dǎo)致在鍛造過程中出現(xiàn)鍛件開裂等問題。因此要求斗齒用熱軋圓鋼一般疏松、中心疏松、錠型偏析、中心偏析皆≤2.0。

3.2.2 晶粒度

鋼中細(xì)小、均勻的晶粒，有利于提升鋼的綜合性能，同時使熱處理變形更加均勻，因此要求斗齒用熱軋圓鋼的奧氏體晶粒度不粗于6.0級。

3.2.3 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物代表了鋼的潔凈度，直接影響斗齒的疲勞性能和使用壽命，因此要求鋼的非金屬夾雜物應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 非金屬夾雜物

3.2.4 交貨硬度

斗齒鍛造工藝中必須進(jìn)行圓鋼下料工序，當(dāng)熱軋圓鋼硬度過高時，存在鋸切或剪切下料困難的問題，因此要求圓鋼的交貨硬度不超過280 HBW。對于合金含量較高的斗齒用鋼，為滿足交貨硬度的要求，應(yīng)進(jìn)行退火處理。

3.3 工藝難點控制

斗齒用熱軋圓鋼生產(chǎn)工藝流程：電爐冶煉→LF精煉→VD 真空脫氣→連鑄→軋制→退火（部分品種）。為確保斗齒的使用壽命，在冶煉過程中重點做好潔凈度控制，同時對于部分斗齒用高合金鋼，做好鑄坯加熱工藝以及退火工藝控制。

3.3.1 潔凈度控制

電爐冶煉全過程造泡沫渣，保證良好的氧化沸騰，合理控制脫碳及升溫速度，確保碳氧反應(yīng)增加鋼渣界面的脫磷效果，在P 未達(dá)到要求之前，爐中碳≮0.15%，溫度不得超過1 600 ℃；電爐出鋼前C含量控制在0.10%～0.12%，P 含量≯0.012%。電爐出鋼時隨鋼流按噸鋼1.0 kg 加入鋁塊進(jìn)行強(qiáng)脫氧，降低溶解氧含量至20×10-6以下，確保精煉位深脫硫條件。LF 精煉中使用增碳劑調(diào)渣，禁止加入大量碳化硅調(diào)渣降低爐渣堿度，保持爐渣合適流動性，確保爐渣堿度＞3.0；喂入鋁線，降低溶解氧含量，增強(qiáng)脫硫效果，嚴(yán)格控制S 含量≯0.010%。VD真空處理過程中確保真空保持時間≮15 min，確保O含量≯0.001 5%。同時做好連鑄保護(hù)澆注控制。

3.3.2 加熱工藝控制

部分斗齒用鋼中Cr、Mo等合金含量較高，鑄坯枝晶偏析現(xiàn)象較嚴(yán)重，導(dǎo)熱性能較差，鑄坯加熱前期，若加熱速度較大，鑄坯內(nèi)外溫差較大，會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，再加上鑄坯內(nèi)部的殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致鑄坯變形或斷裂。因此，鑄坯加熱速度采取預(yù)熱段（600 ℃以下）緩慢加熱、高溫段快速加熱的工藝制度。同時為保證鑄坯心部合金元素擴(kuò)散均勻，可適當(dāng)延長鑄坯在高溫段的保溫時間。

3.3.3 退火工藝控制

部分斗齒用鋼合金含量較高，熱軋態(tài)圓鋼的硬度能達(dá)到330 HBW 左右，為滿足交貨硬度的要求，需進(jìn)行退火處理。采用不完全退火工藝，保溫時間為3～6 h，保證退火后鋼材硬度控制在210～260 HBW范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

通過對斗齒鍛造工藝、服役條件、失效形式以及性能需求的分析，萊鋼合理設(shè)計鍛造斗齒用熱軋圓鋼的化學(xué)成分、性能指標(biāo)以及生產(chǎn)工藝要點，所開發(fā)的鍛造斗齒用熱軋圓鋼潔凈度高、晶粒細(xì)小均勻；通過不同的合金成分設(shè)計，保證斗齒可滿足低沖擊以及高沖擊等不同工況的使用需求，鍛造加工的斗齒具有高耐磨性以及較好的使用壽命。