斗齿作为挖掘机的损耗部件，作业环境严苛，更换周期短。随着我国基建项目的发展，对挖掘机的需求不断攀升，对斗齿的需求量也急剧增加。因此，优化斗齿材料的综合性能，延长斗齿使用寿命，具有重大经济价值。目前，制作斗齿的耐磨材料主要有高锰钢、高中低合金钢、铸钢、耐磨白口铸铁及高铬铸铁等。其中，低合金耐磨铸钢因合金元素含量低、综合性能优越、生产灵活且价格低廉受到关注。而通过成分优化进一步提升性能成为研究热点。
近年来，国内外学者在低合金耐磨铸钢成分优化方面开展大量研究，但对DC25CrNi2Mo 研究较少。随着计算材料学发展，热力学与动力学计算成为材料设计新工具，可缩短设计周期，降低研发成本。本文用JMatPro软件进行DC25CrNi2Mo材料热力学与动力学计算，为斗齿用低合金耐磨铸钢的设计提供依据。
01、计算方法
研究人员用有限元软件模拟不同冷却条件下斗齿的温度场，获取表面及心部冷却速度（单位：℃/s）作为计算参数。在此基础上，利用JMatPro软件对DC25CrNi2Mo （见表1） 进行热力学与动力学模拟计算，分析合金成分对材料平衡相、冷却组织、淬火性能的影响，确定成分最优值，分析不同回火工艺下材料的析出相及性能变化，为制定回火工艺提供依据。
02、结果与讨论
2.1 斗齿产品冷却过程模拟计算
研究人员用有限元分别模拟水冷及空冷条件下斗齿的温度变化，获取实际工况下斗齿表面及心部冷速（见图1）。经计算， 水冷过程斗齿心部冷速约0.33℃/s，表面冷速约12.37℃/s；空冷过程中斗齿整体冷却较均匀，心部及表面冷速均为0.038℃/s。
2.2 热力学平衡相计算
为综合分析元素含量对材料性能的影响，研究人员分别计算合金元素取上、中上、中、中下及下限（见表2） 时材料的平衡相、淬火组织及性能的差异。
研究人员以目标上限值为例计算平衡相图，获得相应合金体系下析出相的种类、含量及析出温度。平衡相图显示，在平衡凝固条件下，合金主要存在液相、铁素体、奥氏体、MNS、M3B2、M(C，N)、M23C6、M7C3、CU、G_PHASE、M3P、M2P、M2(C，N)相等。高温析出相主要是MNS和M3B2相，M3B2的主要元素有Mo、Cr与B，MNS主要元素有Mn与S。在880 ℃时析出的M(C，N)相为强碳化物相，主要由V、Mo等与C、N形成细小碳、氮化物，在奥氏体化过程中能钉扎晶界，抑制奥氏体晶粒长大，在回火过程中析出可阻碍位错运动， 增强钢的强度。在600~800℃析出M23C6和M7C3相，M7C3碳化物硬度高，作为第二相粒子分布在马氏体基体上能提高材料耐磨性。分析结果表明，M(C，N)的析出温度及含量对材料晶粒尺寸及性能有影响（见图2），各成分取值平衡析出相类型及含量随温度变化，随着合金成分增加，M(C，N)的室温含量及析出温度逐渐升高，成分全部取上限时，析出温度为880℃。对此，为了发挥强化作用，固溶温度应低于880℃。
2.3 冷却转变组织计算
研究文献指出，材料冷却后获得的组织类型会影响材料整体性能。研究人员以有限元求得的冷速作为输入参数，计算不同冷却条件下上述五种材料冷却至室温后的组织含量。发现各体系马氏体含量随冷速升高而升高；在最快冷速下获得的冷却组织均为马氏体加极少量奥氏体；冷速0.038℃/s时，随合金含量增加，马氏体增加，贝氏体减少；当冷速为0.33 ℃/s和12.37℃/s时，冷却后马氏体含量均大于98%；随合金量增加，马氏体稍减少，残余奥氏体增加。水冷过程中，合金含量增加会使残余奥氏体含量增加，提高材料塑韧性。
2.4 淬火性能计算
以算得冷速计算不同冷却条件下五种成分材料的室温性能。发现材料强度及硬度正相关。合金含量增加，材料的强度及硬度显著提高。当成分取上限时，材料的强、硬度达到最高值（见图3）。
2.5 B含量对淬火性能的影响
B在奥氏体冷却过程中会抑制先共析铁素体的形成，延长奥氏体转变孕育期，提高材料淬透性，但含量过高时会在晶界偏聚，弱化晶界强度，降低冲击韧性。当合金成分取上限时，三种冷速下的冷却组织基本全为马氏体。计算发现，随B的增加，合金的强度及硬度增加极少，对强、硬度影响较小。M3B2相为Mo、Cr与B形成的金属间化合物，可提高材料的强、硬度及耐磨性能，但析出温度过高，析出量过多会使脆性下降，降低抗疲劳及加工性能。此外，实际冶炼中，B受冶炼条件影响，含量难以控制。因此， 为防止析出较多M3B2相，B取下限（见图4）。
2.6 Mo含量对淬火性能的影响
计算结果表明，随Mo的增加，合金强度及硬度降低较小。此外，有学者指出添加Mo可细化铸态组织。因此，为降低M3B2的析出温度及含量，Mo取中、上限（见图5）。
2.7 回火性能计算
研究人员选定最优成分目标值，计算回火性能。奥氏体化温度860 ℃，回火温度100~650℃，回火保温时间分别为1、2、4、6、8、10h。计算结果表明，回火温度100~210℃时，回火保温时间增加， 材料的强、硬度及韧性无明显变化；大于210 ℃时，回火保温时间延长，材料强、硬度逐渐降低，韧性逐渐升高；回火保温时间一定时，回火温度升高，材料强、硬度逐渐降低，韧性逐渐升高。
分别计算回火温度250、300、350、400℃时，回火析出相的种类、含量、晶粒尺寸及回火性能随保温时间的变化。250~400℃回火时，析出相主要为M3C碳化物，350℃回火时析出极少量M7C3碳化物，400℃时有极少量M7C3、M23C6、M(C，N)、M2(C，N)析出。不同回火温度下，随保温时间的延长，M3C相的体积分数最终趋于相同值，回火温度越高，析出相含量达到定值所需保温时间越短。在保温初始阶段，析出相尺寸缓慢增大到一定值后保持不变，保温一定时间后，析出相尺寸迅速增加。回火温度越高，析出相尺寸增长越快。M3C相的尺寸明显大于M7C3、M23C6、M(C，N)、M2(C，N)相。
室温下材料的屈服强度、抗拉强度及硬度随回火温度及回火保温时间的变化规律完全相同：回火温度一定时，材料的强、硬度随回火保温时间的延长，先缓慢增大后保持不变，最后迅速增大，其变化取决于析出相尺寸的增长趋势；回火保温时间一致时，回火温度越高，随保温时间延长，材料的强度、硬度变化越快。
2.8 成分及工艺优化设计
基于上述分析研究人员获得合金成分的目标值（见表3）。
制定热处理工艺时应参照以上计算结果：750 ℃以上，M(C，N)外的碳化物全部溶解，所以固溶处理温度应高于750℃；M(C，N)的溶解温度为880 ℃，故在满足固溶强化效果的前提下，固溶处理温度应低于880℃，以获得较细晶粒；M3B2的溶解温度约1100℃，故均质化处理时需将均质化温度设在1100℃以上，以使M3B2充分回溶。制定回火工艺时，为避免析出相尺寸过大，应根据试料尺寸选择适当的保温时间；此外，为提高材料韧性，在满足强度及硬度的情况下，应适当提高回火温度。
03、结语
（1）在目标成分范围内，当成分值取上限时，材料可获得最优强、硬度值。
（2）B含量对DC25CrNi2Mo合金强、硬度影响较小，应取下限以降低M3B2析出温度及含量。
（3） Mo增加虽会降低强、硬度，但有助于细化铸态组织，建议取中、上限。
（4）均质化温度设置在1100℃以上有利于M3B2充分回溶。
（5）固溶处理温度750~880℃可获得较细晶粒及较高性能。
（6）制定回火工艺必须考虑提高析出相含量，减小晶粒尺寸，以得到最佳性能。
