高錳鋼由于C、Mn含量高，鑄態(tài)組織為奧氏體及碳化物，水韌后成為非平衡的奧氏體組織。使用過程中，工作面受外力沖擊、鑿削或擠壓，表面硬化，耐磨性能提高，而內(nèi)部仍然保持原有的硬度和韌性。因此，被廣泛用于受沖擊負(fù)荷較大的耐磨部件上。
然而，隨著工業(yè)的發(fā)展，普通高錳鋼已經(jīng)不適用某些特殊工況條件的要求，需進(jìn)一步提高耐磨性能．延長鑄件的使用壽命。例如，我廠的鉻鐵、鎢鐵、鉬鐵等鐵合金產(chǎn)品原來用普通高錳鋼顎板的破碎機破碎成各種粒度，這些鐵合金產(chǎn)品硬度很高，洛氏硬度達(dá)到HRC60左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顎板本體的硬度，故難于抵抗高硬度鐵合金對顎板的沖擊、鑿削和磨損，顎板消耗量大，更換比較頻繁。據(jù)調(diào)查，破碎高碳鉻鐵的顎板有時1~2天就要更換1塊。因此，改進(jìn)顎板材料，提高其使用壽命，降低生產(chǎn)成本，是勢在必行的研究課題。
1993年開始，我廠開展了Mn13Cr2VMoRE新型鄂板的試驗研究，試制了3批顎板，并進(jìn)行現(xiàn)場裝機試驗，用來破碎高碳鉻鐵。通過運行試驗，證明這種新型顎板具有較好的耐磨性和強韌性，顎板壽命成倍提高，取得了預(yù)想的試驗效果。
2、試驗概況
2.1 化學(xué)成分
目前，國內(nèi)外許多研究者通過向奧氏體錳鋼中加入各種微量合金元素、變質(zhì)處理以及改進(jìn)熱處理制度等途徑，以提高鑄件的強韌性、耐磨性、加工硬化能力。我們在查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合幾年來對耐磨鋼的研究實踐，首先選擇Cr.V、Mo、RE（稀土）等元素作為研究對象，Cr、V都是強碳化物形成元素，它們對增加碳化物數(shù)量以及時效處理后析出彌散第二相硬質(zhì)點十分有利�？紤]到Cr含量超過2.5%會使韌性下降，所以將Cr含量選擇在1.5%~2.5%范圍，且控制在中限。V控制在0. 2%~0.6%，雖然加入量增加對耐磨性有利，但會增加顎板成本。Mo在鋼中大部分形成碳化物，部分溶于奧氏體中，提高奧氏體強度，增加合金碳化物數(shù)量，但鉬鐵較貴，因此，Mo的含量設(shè)計在0.2%~0.3%范圍。稀土元素可以有效地改變碳化物形狀且與Cr、V、Mo元素還能起到細(xì)化晶粒的作用，因此添加0. 1%~0. 2%。為了有較多的合金碳化物形成，將C定在1. 2%~1.4%(一般高錳鋼含C 0.9%~1.3%)。Mn.Si按正常成分加入。為了與普通高錳鋼以示區(qū)別，我們將改進(jìn)后的新型材質(zhì)內(nèi)定牌號為Mn13Cr2VMoRE。表1列出了設(shè)計成分及試驗顎板化驗分析結(jié)果。
2.2 冶煉操作
熔煉設(shè)備為0.5 t三相電弧爐，每爐裝料量800 kg，爐料配比大部分按設(shè)計成分中、上限配算。
裝料順序：先加生鐵、廢鋼，鉬鐵隨爐料一起加入。鋼水熔清后于還原期加入鉻鐵，還原后期渣子發(fā)白時加入錳鐵。釩鐵容易氧化燒損，因此在出鋼前5~ 10分鐘加進(jìn)鋼水內(nèi)。稀土金屬在出鋼時加入鋼包內(nèi)沖熔。
C、Si、Mn出鋼前10~15分鐘爐前取樣化驗以便調(diào)整成分，Cr.V、Mo. RE爐前不能分析，成分不能及時調(diào)整，只能取成品樣經(jīng)化驗后再調(diào)整下一爐的配料比。造還原渣加硅鐵粉和焦炭粉，出鋼前扒掉擴散脫氧的還原渣插入鋁進(jìn)行終脫氧，然后出爐。出鋼溫度為1 550—1 600℃，澆鑄溫度控制在1 450℃左右。為了降溫和夾雜物上浮，出鋼后鎮(zhèn)靜幾分鐘，扒掉包內(nèi)浮渣再進(jìn)行澆鑄。
每爐鋼水澆鑄2塊顎板，凈重530 kg左右。
從表1的化驗結(jié)果看，C、Si、Mn. Cr.V等元素基本在設(shè)計成分之內(nèi)，Mo稍高一些，唯有RE超出上限較多，其原因有二，一是RE回收率按30%計算，計算的回收率偏低，加入量相應(yīng)增加。二是稀土金屬難破碎，有時整塊加入，也會超標(biāo)。
2.3 造型工藝
本試驗與生產(chǎn)普通高錳鋼顎板的造型工藝有所不同，主要做以下幾點改進(jìn)：
2.3.1 改水平澆鑄為立式澆鑄，立式澆鑄能夠增加鑄件密度，有利于夾雜物的上浮，鑄件強度增加，工作面無夾渣，表面光滑。
2.3.2 立式澆鑄的主水口上下貫通，鋼水不直接進(jìn)入型腔內(nèi)，而是通過立式水口開的三個橫的水平澆口自下而上逐漸進(jìn)入型腔。這樣可以減小對型腔型砂的沖刷。采取的這些措施，也增加了水冒口的重量，因此水冒口約占鋼水重量的30%。
2.3.3 造型材料先用石英砂試驗2爐，雖然鑄件表面光潔度比較好，但因鑄件部分表面有粘附物，經(jīng)分析其主要成分為Mno S102，熔點1270℃，造成清砂困難。后改用水玻璃、C02、石灰石自硬砂（簡稱七O砂）。背砂顆粒較粗，利于透氣；面砂顆粒較細(xì)，保證了鑄件表面光滑。
2.4 熱處理制度
熱處理分水韌處理及時效硬化，前者使用井式電阻爐，發(fā)熱體為鐵鉻鋁絲，后者使用鎳鉻絲發(fā)熱體，升控溫均為熱電偶監(jiān)測、手動控制。熱處理曲線如圖1、圖2所示。
2.5 裝機試驗
裝機試驗是在400×600 mm顎式破碎機上進(jìn)行的，破碎高碳鉻鐵。因鉻系合金硬而難碎，顎板磨損較快，如果使用效果好，破碎其他產(chǎn)品也會取得突破；另外，由于顎板磨損快，更換周期短，便于觀察使用效果。
裝機試驗從1993年1 1月開始到1994年2月結(jié)束，歷時4個月。Mnl3Cr2VMoRE新型耐磨顎板連續(xù)3次裝機試驗，均取得比較理想的使用效果。為了進(jìn)行對比，新型顎板試驗之前在同一破碎機上做了普通顎板使用測試。試驗過程中對使用時間、破碎量、板體使用前后的重量做了記錄，并計算出噸鐵的板體消耗。其試驗結(jié)果見表2。
從裝機試驗結(jié)果可以看出，普通高錳鋼顎板使用壽命為6天，破碎高碳鉻鐵98噸，顎板磨損量6.5 kg，噸鐵磨耗0.066 kg/t。
Mn13CrzVMoRE新型耐磨顎板三次裝機試驗平均使用天數(shù)25天，平均破碎高碳鉻鐵347噸，顎板平均磨損量6.6 kg，噸鐵磨耗0.019 kg/t。
試驗數(shù)據(jù)表明，新型耐磨顎板在時間上比普通顎板使用壽命延長了3倍；在噸鐵消耗上，新型耐磨顎板則下降到三分之一以下，磨耗的下降與壽命延長基本相符合。
3、分析討論
3.1 關(guān)于熱處理制度
試驗顎板除C、Mn. Si外，加入2.0% Cr.0. 4%V、0.3% Mo，還有0.3%左右的稀土元素，這些元素的加入對顯微組織，各種物相的形成和轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生一定影響，常規(guī)水韌處理制度已經(jīng)不適用。為此，在實驗室內(nèi)對試驗樣品進(jìn)行條件試驗，摸索升溫速度、保溫時間、水韌溫度等工藝參數(shù)，觀察顯微組織變化規(guī)律，測試硬度數(shù)據(jù)，然后計算并放大成適合顎板整體水韌處理制度，見圖1所示。從圖1看出，新材質(zhì)水韌處理曲線有如下特點：
3.1.1 熱處理時間從普通高錳鋼12小時增加到18小時。
3.1.2 考慮到加入的合金元素多，導(dǎo)熱性能差，限制升溫速度，低溫60~ 70℃/h.高溫100℃/h。
3.1.3 為了使鑄件均溫，防止升溫裂紋產(chǎn)生，增加350℃、650℃兩個保溫臺階。
3.1.4 水韌溫度控制在上限，并有足夠的保溫時間，以便碳化物充分溶于奧氏體中，水韌后得到單一奧氏體組織。
圖3、圖4為水韌處理前后金相組織。圖片證明鑄態(tài)時的碳化物經(jīng)過合適的水韌處理，基本固溶在奧氏體中，成為單一的奧氏體組織。
試驗顎板水韌處理后，增加了時效硬化熱處理工藝，見圖2。目的是使合金碳化物從奧氏體中析出且彌散分布。試驗時樣品升溫、保溫8小時，出爐空冷，而生產(chǎn)現(xiàn)場時效保溫后則隨爐冷卻，這樣時效時間可達(dá)14小時。
3.2 金相組織與布氏硬度
Mn13Cr2VMoRE顎板各種狀態(tài)下的金相組織，布氏硬度列于表3、表4。
圖3、圖4、圖5分別為試驗材質(zhì)鑄態(tài)、水韌、時效硬化后的金相圖片。圖6是合金碳化物電鏡形貌。對該區(qū)域進(jìn)行電鏡的面掃描，證實碳化物內(nèi)有Mn. Cr.V的存在，見圖7、圖8、圖9，Cr.V碳化物周圍富集Mn。圖片中不難發(fā)現(xiàn)，V形成碳化物的能力和富集程度比Cr要強一些，適當(dāng)提高含V量，有助于鑄件硬度的增加。
從上述圖表看出，普通高M(jìn)n鋼鑄態(tài)碳化物以條、針狀存在且分布在晶界附近，而新材質(zhì)鑄件中的碳化物多呈塊、粒狀，分布比較均勻，硬度為HB241，高于普通錳鋼(HB229)，其強韌性也遠(yuǎn)高于普通錳鋼，從新材質(zhì)鑄件水冒口砸斷的困難程度也證實了這一點。水韌處理后基本為單一奧氏體組織，偶有碳化物存在。此時新老材質(zhì)硬度雖然都有所下降，但新材質(zhì)硬度仍高于普通高錳鋼。時效硬化后，析出的細(xì)小碳化物硬質(zhì)點彌散分布于奧氏體內(nèi)，硬度提高到HB255，如圖5、表4所示，達(dá)到了時效強化的目的。水韌加時效之所以能提高鑄件硬度和強度，是因為水韌處理時冷卻速度很快，水韌后的奧氏體為過飽和的非平衡組織，經(jīng)過時效處理，過飽和的Cr.V、Mo.C等以C的化合物形式彌散析出，因此，硬度明顯增加。
3.3 合金碳化物對晶粒度的影響
在奧氏體錳鋼中加入Cr、V、Mo元素后使晶粒得到細(xì)化，晶粒度從普通高錳鋼2~3級提高到5級左右，見圖5所示。
V、Cr. Mo之所以細(xì)化晶粒，原因在于V、Cr.Mo都是碳化物形成元素，尤其是Cr.V與C的親和性較強，這些合金碳化物熔點較高，在鋼水凝固之前，液態(tài)下即可結(jié)晶析出，起到非自發(fā)晶核的作用，使單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目顯著增加，晶粒得到細(xì)化。
一般情況下，顎板（400×600 mm破碎機用）這樣的厚大鑄件，晶粒度在2級左右，加入Cr、V、Mo的新材質(zhì)顎板晶粒度達(dá)到5級，提高幅度較大。
3.4Cr、V、Mo對加工硬化的影響
據(jù)有關(guān)資料介紹，普通高錳鋼加工硬化后，硬化層的硬度HB450~ 500，加入Cr.V、Mo的新材質(zhì)顎板使用后，從本體取下樣品，經(jīng)測定，硬化層厚度3 mm（不算過渡層）左右，硬度HB540~560，表面有鑿削溝痕以及層片狀剝落殘跡等。Cr.V、Mo等元素加入，使加工硬化能力提高可以認(rèn)為有三個方面的原因：
3.4.1Cr.V、Mo.RE能夠細(xì)化晶粒，因為晶界會阻礙位錯運動，晶界越多對位錯的阻礙越嚴(yán)重。
3.4.2 時效硬化沉淀出的彌散合金碳化物對位錯運動產(chǎn)生阻礙作用，加工硬化能力提高。
3.4.3 由于加入Cr.V、M0、稀土后形了細(xì)小彌散分布的硬質(zhì)點及少量塊狀碳化物，從而提高了鑄件在加工硬化層未形成之前的初始硬度，這對鑄件的抗沖擊磨損作用是十分重要的。
4、經(jīng)濟效益
1993年試驗時期，當(dāng)時普通高錳鋼顎板廠內(nèi)價格5 112元／噸，全廠每年顎板用量50噸。
新材質(zhì)Mn13CrzVMoRE耐磨顎板每噸增加鐵合金費用1 346元／噸，每噸增加熱處理費用294元／噸，則新型耐磨顎板實際價格為6 752元／噸。
由于新型耐磨顎板比普通高錳鋼顎板使用壽命延長3倍，則每年少消耗三分之二用量的顎板鑄件，即節(jié)省顎板鑄件約33.3噸，實際用量則為16.7噸。每年節(jié)約效益約14萬元。
Mn13Cr2VMoRE新型耐磨顎板自1994年試驗成功之后，在我廠得到了普遍推廣應(yīng)用，取得明顯的經(jīng)濟效益，到目前為止，累計增加效益己達(dá)70多萬元。
5、結(jié) 論
5.1 試驗證明，在奧氏體錳鋼中加入2.0% Cr.0. 4%V、0.3% Mo既保持普通高錳鋼耐沖擊的特點，又增加里碳化物數(shù)量，細(xì)化了晶粒，提高了鑄件的強度，耐磨性及抗沖擊硬化能力。
5.2 加入少量稀土金屬，能有效地改變碳化物形狀和分布，即使水韌處理后，奧氏體內(nèi)有少量未溶或析出的碳化物，也仍然以塊狀或粒狀的形態(tài)存在，提高了鑄件的強度和韌性。
5.3 根據(jù)新材質(zhì)特點制定出的水韌、時效硬化熱處理工藝改變了以往單一水韌處理模式，增加350℃/2h、650℃ /2h保溫臺階防止了鑄件升溫脆性，保證了熱處理質(zhì)量。時效硬化8小時，沉淀析出的彌散硬質(zhì)點，可以使鑄件樣品的硬度達(dá)到HB255。
5.4 鑄件采用立式澆鑄以及鋼水通過三個水平澆口自下而上逐步進(jìn)入型腔，可以使型腔內(nèi)鋼水溫度均勻，有利于夾雜物的上浮，板體表面光滑無夾雜，同時，增加了鑄件的密度，提高了顎板的強度。
5.5Mn13Cr2VMoRE新型耐磨顎板替代Mn13普通顎板破碎高硬度的鐵合金產(chǎn)品，不但使用壽命明顯提高，經(jīng)濟效益十分顯著；而且極大地減輕了機械工人的勞動強度，使鐵合金加工破碎的出口計劃得到保證。
這種新型耐磨材料，如果在全國其他行業(yè)推廣應(yīng)用，將會取得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。
