高冲击韧度耐磨铸钢件的制造工艺优化

【摘 要】针对各种工程、采矿、掘进等机械用耐磨耗材（球磨机衬板、破碎机锤头、额板、挖掘机斗齿等）的服务条件和性能要求，优化出了一种制造高冲击韧度耐磨铸钢件的工艺流程

【关键词】铸钢；消失模；微合金；热处理

各种工程、采矿、掘进等机械用耐冲击、耐磨耗材是在采掘作业中磨损最严重的零件，因而属于一种用量大、消耗快的易损件。目前各工矿企业大多仍采用采用高锰钢系列材料作为耐磨耗材，由于其在复杂的作业环境中中直接与矿石、砂土、岩石等接触，工作条件十分恶劣，导致使用寿命短，更换频繁，高锰钢在耐冲击、耐磨方面的表现并不尽如人意。因此，急需开发一种新的耐冲击、耐磨铸钢件制造工艺，以减少金属磨损、维护成本，提高经济效益。

1 优化材料结构设计

从工矿企业用高冲击韧度耐磨铸钢件的失效形式可以看出，有的零件没有磨损多少，就发生断裂，造成断裂的原因除了跟材料本身的质量有关系外，还跟铸钢件的设计结构有很大关系。拿挖掘机斗齿举例，斗齿结构主要包括斗齿的安装角度、斗齿形状等。因此在安装和设计斗齿时，要根据具体的工作环境选用不同形状的斗齿和安装角度，这样才可以最大限度的提高挖掘机的工作效率。例如，针对矿山类挖掘设计斗齿时，应当设计安装角度小，截面较厚，长度较短的斗齿，目的是提高斗齿的冲击韧度，使之在作业过程中不发生断裂。对于主要进行沙土类挖掘选用斗齿时，由于斗齿不会受到较大的冲击载荷，因此可以选用安装角度大、截面较薄、齿形较扁长的斗齿，有利于沙土的挖掘效率。近年来，根据不同的工况开发出了一系列斗齿结构，如A型、C型、P型、F型和H型等，总而言之，在斗齿材料质量一定的情况下，通过优化设计斗齿结构，可以提高斗齿的强度和使用寿命。

2 合理选择熔铸材料

目前广泛应用的耐磨材料主要有三大类：（1）高锰钢，（2）低中合金耐磨钢，（3）高铬铸铁。根据耐磨铸钢件的失效形式，选用的材料要具有较高的强度、硬度以及良好的韧性配合。为了克服高锰钢在低冲击载荷条件下耐磨性差，在低冲击应力的工况工作时，存在屈服强度低，易折断等缺点。各国在高锰钢的强韧化方面做了大量工作，国内外广泛开展了替代材料的研究开发。

近年来，通过分析影响高强度耐磨铸钢的强韧性、淬透性、淬硬性和耐磨性的相关因素，成功开发了微合金高强度耐磨铸钢（含碳量一般在0.15%～0.29%之间，以保证材料有足够的硬度），该种合金已成功应用于生产实践中，并取得了显著的性价比。

微合金高强度耐磨铸钢是以硅、锰为基础，通过添加合金元素Cr、Mo、V、Nb、W、Ti、N、稀土等以及其它微量元素而发展起来的。该材料性能优良、适应性强，主要用于高冲击韧度耐磨铸件的生产。其合金系统由成分简单的单一锰系、硅系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬、锰、硅、钼、其他微量元素的多元复合系统。微合金高强度耐磨铸钢具有较好的强韧性，低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢，研究结果表明，实践表明微合金高强度耐磨铸钢制造的斗齿具有高的硬度、强度和优良的韧性、焊接性。

3 采用消失模铸造工艺

消失模铸造也称熔模铸造，是采用泡沫模型代替金属或木模，造型后模样不取出，得到一个实体型腔与铸件形状完全相似的泡沫模型镶在型腔内，形成“实型”型腔，而不是传统的“空腔”型腔，经浇注、落砂、清理后得到一个高精度的铸件。用消失模铸造工艺来生产铸钢件，和普通的砂型铸件相比，在铸件的表面粗糙度和尺寸精度，以及消除某些铸造缺陷方面，都有其优越性。已被国内外铸造界誉为“21世纪的铸造方法”、“铸造的绿色工程”。消失模铸造的主要优点：

（1）铸件精度高，消失模铸造是一种加工余量小，精确成形的新工艺，该工艺无需取出木样，无分型面，无砂芯，因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度，并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。

（2）设计灵活，为铸件结构设计提供了充分的自由度。原先分为几个零件装配而成的结构，可以通过由几个泡沫塑料模黏合后铸造而成。原先需要加工形成的孔、槽可以不用砂芯而直接铸造出来，大大节约了机械加工，制造成本和清砂处理。

（3）无传统铸造中的砂芯，采用干砂充填紧实，靠干砂的流动充填模样的空腔形成铸件的内腔及孔。对于内腔复杂的铸件可将泡沫塑料模样分成几个预发泡成形，然后粘接成整体模样。因此，不会出现传统砂型铸造中因砂芯尺寸不准确或下芯位置不准确等原因而造成废品。

4 优化热处理工艺

合理的设计、正确的选材如果没有恰当的热处理工艺保证，也会使高强度耐磨铸钢件过早失效。选择合理的热处理工艺对高强度耐磨铸钢件的使用寿命有较大的影响。如热处理工艺中针对不同材料的性能要求选择合适的方法（如普通热处理、表面热处理、形变热处理、真空热处理等）、工艺参数等，这样才能使铸钢件在保证不发生断裂的前提下获得最好的耐磨性。如采用高温同溶预处理球化退火对低碳低合金钢铸件进行预先热处理，其工艺为：随炉至700℃×lh～1050℃X5h随炉冷至880℃出炉空冷。再经不同温度的淬火和回火（淬火回火工艺为：920℃保温15s水淬。220℃回火35s）。磨损实验结果表明：微合金高强度耐磨铸钢件的使用寿命高于高锰钢，与进口的国外材料相当。

5 对斗齿表面进行强化处理

微合金高强度耐磨铸钢件本身具有很高的强韧性，再通过对其表面进行表面强化技术，既使铸钢件材料具有高的耐磨性，而且具有良好的塑韧性。目前常采用的表面强化技术主要有锤击、喷丸、炸药爆炸、堆焊等方法。

6 结论

结果表明，采用全新的工艺制造流程后，高冲击韧度耐磨铸钢件的组织为马氏体、贝氏体和奥氏体复相组织，力学性能为强度（σb）≥1650 MPa，冲击韧度≥120J/cm3，硬度46—52HRC，耐磨性能达到进口相同材料的耐磨性能。为了缩小与国外进口高强度耐磨材料的差距，国内科技人员应通过选择合适的材料、合适的铸造方法、优化其结构设计、确定稳定的工艺参数、采用表面强化技术等方法研制出与国外能媲美的同类产品。