斗齒作為挖掘機(jī)的損耗部件，作業(yè)環(huán)境嚴(yán)苛，更換周期短。隨著我國(guó)基建項(xiàng)目的發(fā)展，對(duì)挖掘機(jī)的需求不斷攀升，對(duì)斗齒的需求量也急劇增加。因此，優(yōu)化斗齒材料的綜合性能，延長(zhǎng)斗齒使用壽命，具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，制作斗齒的耐磨材料主要有高錳鋼、高中低合金鋼、鑄鋼、耐磨白口鑄鐵及高鉻鑄鐵等。其中，低合金耐磨鑄鋼因合金元素含量低、綜合性能優(yōu)越、生產(chǎn)靈活且價(jià)格低廉受到關(guān)注。而通過(guò)成分優(yōu)化進(jìn)一步提升性能成為研究熱點(diǎn)。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在低合金耐磨鑄鋼成分優(yōu)化方面開(kāi)展大量研究，但對(duì)DC25CrNi2Mo 研究較少。隨著計(jì)算材料學(xué)發(fā)展，熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算成為材料設(shè)計(jì)新工具，可縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本。本文用JMatPro軟件進(jìn)行DC25CrNi2Mo材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算，為斗齒用低合金耐磨鑄鋼的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
01、計(jì)算方法
研究人員用有限元軟件模擬不同冷卻條件下斗齒的溫度場(chǎng)，獲取表面及心部冷卻速度（單位：℃/s）作為計(jì)算參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用JMatPro軟件對(duì)DC25CrNi2Mo （見(jiàn)表1） 進(jìn)行熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，分析合金成分對(duì)材料平衡相、冷卻組織、淬火性能的影響，確定成分最優(yōu)值，分析不同回火工藝下材料的析出相及性能變化，為制定回火工藝提供依據(jù)。
02、結(jié)果與討論
2.1 斗齒產(chǎn)品冷卻過(guò)程模擬計(jì)算
研究人員用有限元分別模擬水冷及空冷條件下斗齒的溫度變化，獲取實(shí)際工況下斗齒表面及心部冷速（見(jiàn)圖1）。經(jīng)計(jì)算， 水冷過(guò)程斗齒心部冷速約0.33℃/s，表面冷速約12.37℃/s；空冷過(guò)程中斗齒整體冷卻較均勻，心部及表面冷速均為0.038℃/s。
2.2 熱力學(xué)平衡相計(jì)算
為綜合分析元素含量對(duì)材料性能的影響，研究人員分別計(jì)算合金元素取上、中上、中、中下及下限（見(jiàn)表2） 時(shí)材料的平衡相、淬火組織及性能的差異。
研究人員以目標(biāo)上限值為例計(jì)算平衡相圖，獲得相應(yīng)合金體系下析出相的種類(lèi)、含量及析出溫度。平衡相圖顯示，在平衡凝固條件下，合金主要存在液相、鐵素體、奧氏體、MNS、M3B2、M(C，N)、M23C6、M7C3、CU、G_PHASE、M3P、M2P、M2(C，N)相等。高溫析出相主要是MNS和M3B2相，M3B2的主要元素有Mo、Cr與B，MNS主要元素有Mn與S。在880 ℃時(shí)析出的M(C，N)相為強(qiáng)碳化物相，主要由V、Mo等與C、N形成細(xì)小碳、氮化物，在奧氏體化過(guò)程中能釘扎晶界，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，在回火過(guò)程中析出可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度。在600~800℃析出M23C6和M7C3相，M7C3碳化物硬度高，作為第二相粒子分布在馬氏體基體上能提高材料耐磨性。分析結(jié)果表明，M(C，N)的析出溫度及含量對(duì)材料晶粒尺寸及性能有影響（見(jiàn)圖2），各成分取值平衡析出相類(lèi)型及含量隨溫度變化，隨著合金成分增加，M(C，N)的室溫含量及析出溫度逐漸升高，成分全部取上限時(shí)，析出溫度為880℃。對(duì)此，為了發(fā)揮強(qiáng)化作用，固溶溫度應(yīng)低于880℃。
2.3 冷卻轉(zhuǎn)變組織計(jì)算
研究文獻(xiàn)指出，材料冷卻后獲得的組織類(lèi)型會(huì)影響材料整體性能。研究人員以有限元求得的冷速作為輸入?yún)?shù)，計(jì)算不同冷卻條件下上述五種材料冷卻至室溫后的組織含量。發(fā)現(xiàn)各體系馬氏體含量隨冷速升高而升高；在最快冷速下獲得的冷卻組織均為馬氏體加極少量奧氏體；冷速0.038℃/s時(shí)，隨合金含量增加，馬氏體增加，貝氏體減少；當(dāng)冷速為0.33 ℃/s和12.37℃/s時(shí)，冷卻后馬氏體含量均大于98%；隨合金量增加，馬氏體稍減少，殘余奧氏體增加。水冷過(guò)程中，合金含量增加會(huì)使殘余奧氏體含量增加，提高材料塑韌性。
2.4 淬火性能計(jì)算
以算得冷速計(jì)算不同冷卻條件下五種成分材料的室溫性能。發(fā)現(xiàn)材料強(qiáng)度及硬度正相關(guān)。合金含量增加，材料的強(qiáng)度及硬度顯著提高。當(dāng)成分取上限時(shí)，材料的強(qiáng)、硬度達(dá)到最高值（見(jiàn)圖3）。
2.5 B含量對(duì)淬火性能的影響
B在奧氏體冷卻過(guò)程中會(huì)抑制先共析鐵素體的形成，延長(zhǎng)奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏?，提高材料淬透性，但含量過(guò)高時(shí)會(huì)在晶界偏聚，弱化晶界強(qiáng)度，降低沖擊韌性。當(dāng)合金成分取上限時(shí)，三種冷速下的冷卻組織基本全為馬氏體。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨B的增加，合金的強(qiáng)度及硬度增加極少，對(duì)強(qiáng)、硬度影響較小。M3B2相為Mo、Cr與B形成的金屬間化合物，可提高材料的強(qiáng)、硬度及耐磨性能，但析出溫度過(guò)高，析出量過(guò)多會(huì)使脆性下降，降低抗疲勞及加工性能。此外，實(shí)際冶煉中，B受冶煉條件影響，含量難以控制。因此， 為防止析出較多M3B2相，B取下限（見(jiàn)圖4）。
2.6 Mo含量對(duì)淬火性能的影響
計(jì)算結(jié)果表明，隨Mo的增加，合金強(qiáng)度及硬度降低較小。此外，有學(xué)者指出添加Mo可細(xì)化鑄態(tài)組織。因此，為降低M3B2的析出溫度及含量，Mo取中、上限（見(jiàn)圖5）。
2.7 回火性能計(jì)算
研究人員選定最優(yōu)成分目標(biāo)值，計(jì)算回火性能。奧氏體化溫度860 ℃，回火溫度100~650℃，回火保溫時(shí)間分別為1、2、4、6、8、10h。計(jì)算結(jié)果表明，回火溫度100~210℃時(shí)，回火保溫時(shí)間增加， 材料的強(qiáng)、硬度及韌性無(wú)明顯變化；大于210 ℃時(shí)，回火保溫時(shí)間延長(zhǎng)，材料強(qiáng)、硬度逐漸降低，韌性逐漸升高；回火保溫時(shí)間一定時(shí)，回火溫度升高，材料強(qiáng)、硬度逐漸降低，韌性逐漸升高。
分別計(jì)算回火溫度250、300、350、400℃時(shí)，回火析出相的種類(lèi)、含量、晶粒尺寸及回火性能隨保溫時(shí)間的變化。250~400℃回火時(shí)，析出相主要為M3C碳化物，350℃回火時(shí)析出極少量M7C3碳化物，400℃時(shí)有極少量M7C3、M23C6、M(C，N)、M2(C，N)析出。不同回火溫度下，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，M3C相的體積分?jǐn)?shù)最終趨于相同值，回火溫度越高，析出相含量達(dá)到定值所需保溫時(shí)間越短。在保溫初始階段，析出相尺寸緩慢增大到一定值后保持不變，保溫一定時(shí)間后，析出相尺寸迅速增加?；鼗饻囟仍礁撸龀鱿喑叽缭鲩L(zhǎng)越快。M3C相的尺寸明顯大于M7C3、M23C6、M(C，N)、M2(C，N)相。
室溫下材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度隨回火溫度及回火保溫時(shí)間的變化規(guī)律完全相同：回火溫度一定時(shí)，材料的強(qiáng)、硬度隨回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，先緩慢增大后保持不變，最后迅速增大，其變化取決于析出相尺寸的增長(zhǎng)趨勢(shì)；回火保溫時(shí)間一致時(shí)，回火溫度越高，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，材料的強(qiáng)度、硬度變化越快。
2.8 成分及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)
基于上述分析研究人員獲得合金成分的目標(biāo)值（見(jiàn)表3）。
制定熱處理工藝時(shí)應(yīng)參照以上計(jì)算結(jié)果：750 ℃以上，M(C，N)外的碳化物全部溶解，所以固溶處理溫度應(yīng)高于750℃；M(C，N)的溶解溫度為880 ℃，故在滿(mǎn)足固溶強(qiáng)化效果的前提下，固溶處理溫度應(yīng)低于880℃，以獲得較細(xì)晶粒；M3B2的溶解溫度約1100℃，故均質(zhì)化處理時(shí)需將均質(zhì)化溫度設(shè)在1100℃以上，以使M3B2充分回溶。制定回火工藝時(shí)，為避免析出相尺寸過(guò)大，應(yīng)根據(jù)試料尺寸選擇適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間；此外，為提高材料韌性，在滿(mǎn)足強(qiáng)度及硬度的情況下，應(yīng)適當(dāng)提高回火溫度。
03、結(jié)語(yǔ)
（1）在目標(biāo)成分范圍內(nèi)，當(dāng)成分值取上限時(shí)，材料可獲得最優(yōu)強(qiáng)、硬度值。
（2）B含量對(duì)DC25CrNi2Mo合金強(qiáng)、硬度影響較小，應(yīng)取下限以降低M3B2析出溫度及含量。
（3） Mo增加雖會(huì)降低強(qiáng)、硬度，但有助于細(xì)化鑄態(tài)組織，建議取中、上限。
（4）均質(zhì)化溫度設(shè)置在1100℃以上有利于M3B2充分回溶。
（5）固溶處理溫度750~880℃可獲得較細(xì)晶粒及較高性能。
（6）制定回火工藝必須考慮提高析出相含量，減小晶粒尺寸，以得到最佳性能。
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