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 濟南 271104）

1 前言

斗齒是挖掘機、推土機等土方機械上的重要部件，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，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對金屬坯料施加較大的壓力，在高溫下擠壓成型，細化鍛件中的晶粒，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得一定機械性能并改善其組織結(jié)構(gòu)，再進行淬火+回火熱處理，從而保證鍛造斗齒具有良好的力學性能、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制。（1）切削機制。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)，嚴重時還將出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象。（2）疲勞剝落機制。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韌性較好的板條馬氏體組織，從而保證斗齒性能均勻。（4）細小均勻的組織。組織細小均勻有利于提高材料的強韌性，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，嚴格控制斗齒用熱軋圓鋼成分技術(shù)指標，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，起到固溶強化的作用，可顯著提高鋼的強度和硬度，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、鈮都是強碳化物和氮化物形成元素，可達到細化晶粒，改善韌性并適當提高耐磨性的作用，因此可適當微量加入此3種元素的1種或復合加入。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

斗齒用熱軋圓鋼的各項性能指標中，除去直接影響耐磨性能的力學性能、淬透性定等指標外，其他物理性能指標的嚴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，工藝復雜，較為嚴重的中心疏松等缺陷會導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行圓鋼下料工序，當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 加入鋁塊進行強脫氧，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，增強脫硫效果，嚴格控制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)象較嚴重，導熱性能較差，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散均勻，可適當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)圓鋼的硬度能達到330 HBW 左右，為滿足交貨硬度的要求，需進行退火處理。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成分、性能指標以及生產(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。