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1、前  言
    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(guò)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(zhǎng)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(lái)用普通高錳鋼顎板的破碎機(jī)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(duì)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(shí)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(shì)在必行的研究課題。
    1993年開(kāi)始，我廠開(kāi)展了Mn13Cr2VMoRE新型鄂板的試驗(yàn)研究，試制了3批顎板，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)試驗(yàn)，用來(lái)破碎高碳鉻鐵。通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)，證明這種新型顎板具有較好的耐磨性和強(qiáng)韌性，顎板壽命成倍提高，取得了預(yù)想的試驗(yàn)效果。
2、試驗(yàn)概況
2.1 化學(xué)成分
    目前，國(guó)內(nèi)外許多研究者通過(guò)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(qiáng)韌性、耐磨性、加工硬化能力。我們?cè)诓殚営嘘P(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合幾年來(lái)對(duì)耐磨鋼的研究實(shí)踐，首先選擇Cr.V、Mo、RE（稀土）等元素作為研究對(duì)象，Cr、V都是強(qiáng)碳化物形成元素，它們對(duì)增加碳化物數(shù)量以及時(shí)效處理后析出彌散第二相硬質(zhì)點(diǎn)十分有利。考慮到Cr含量超過(guò)2.5%會(huì)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(duì)耐磨性有利，但會(huì)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(qiáng)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(jì)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(hào)為Mn13Cr2VMoRE。表1列出了設(shè)計(jì)成分及試驗(yàn)顎板化驗(yàn)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(jì)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(shí)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(shí)加入鋼包內(nèi)沖熔。
    C、Si、Mn出鋼前10~15分鐘爐前取樣化驗(yàn)以便調(diào)整成分，Cr.V、Mo. RE爐前不能分析，成分不能及時(shí)調(diào)整，只能取成品樣經(jīng)化驗(yàn)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(kuò)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(yàn)結(jié)果看，C、Si、Mn. Cr.V等元素基本在設(shè)計(jì)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(jì)算，計(jì)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(shí)整塊加入，也會(huì)超標(biāo)。
2.3  造型工藝
    本試驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)度增加，工作面無(wú)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(guò)立式水口開(kāi)的三個(gè)橫的水平澆口自下而上逐漸進(jìn)入型腔。這樣可以減小對(duì)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(yàn)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(diǎn)1270℃，造成清砂困難。后改用水玻璃、C02、石灰石自硬砂（簡(jiǎn)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(shí)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(cè)、手動(dòng)控制。熱處理曲線如圖1、圖2所示。
2.5  裝機(jī)試驗(yàn)
    裝機(jī)試驗(yàn)是在400×600 mm顎式破碎機(jī)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(huì)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(jī)試驗(yàn)從1993年1 1月開(kāi)始到1994年2月結(jié)束，歷時(shí)4個(gè)月。Mnl3Cr2VMoRE新型耐磨顎板連續(xù)3次裝機(jī)試驗(yàn)，均取得比較理想的使用效果。為了進(jìn)行對(duì)比，新型顎板試驗(yàn)之前在同一破碎機(jī)上做了普通顎板使用測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)使用時(shí)間、破碎量、板體使用前后的重量做了記錄，并計(jì)算出噸鐵的板體消耗。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
    從裝機(jī)試驗(yàn)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(jī)試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)表明，新型耐磨顎板在時(shí)間上比普通顎板使用壽命延長(zhǎng)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(zhǎng)基本相符合。
3、分析討論
3.1  關(guān)于熱處理制度
    試驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行條件試驗(yàn)，摸索升溫速度、保溫時(shí)間、水韌溫度等工藝參數(shù)，觀察顯微組織變化規(guī)律，測(cè)試硬度數(shù)據(jù)，然后計(jì)算并放大成適合顎板整體水韌處理制度，見(jiàn)圖1所示。從圖1看出，新材質(zhì)水韌處理曲線有如下特點(diǎn)：
3.1.1  熱處理時(shí)間從普通高錳鋼12小時(shí)增加到18小時(shí)。
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(gè)保溫臺(tái)階。
3.1.4  水韌溫度控制在上限，并有足夠的保溫時(shí)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(shí)的碳化物經(jīng)過(guò)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(yàn)顎板水韌處理后，增加了時(shí)效硬化熱處理工藝，見(jiàn)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(yàn)時(shí)樣品升溫、保溫8小時(shí)，出爐空冷，而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)效保溫后則隨爐冷卻，這樣時(shí)效時(shí)間可達(dá)14小時(shí)。
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(yàn)材質(zhì)鑄態(tài)、水韌、時(shí)效硬化后的金相圖片。圖6是合金碳化物電鏡形貌。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行電鏡的面掃描，證實(shí)碳化物內(nèi)有Mn. Cr.V的存在，見(jiàn)圖7、圖8、圖9，Cr.V碳化物周?chē)�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(qiáng)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(qiáng)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(shí)了這一點(diǎn)。水韌處理后基本為單一奧氏體組織，偶有碳化物存在。此時(shí)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(shí)效硬化后，析出的細(xì)小碳化物硬質(zhì)點(diǎn)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(shí)效強(qiáng)化的目的。水韌加時(shí)效之所以能提高鑄件硬度和強(qiáng)度，是因?yàn)樗�韌處理時(shí)冷卻速度很快，水韌后的奧氏體為過(guò)飽和的非平衡組織，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，過(guò)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(duì)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(jí)提高到5級(jí)左右，見(jiàn)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(qiáng)，這些合金碳化物熔點(diǎn)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(jī)用）這樣的厚大鑄件，晶粒度在2級(jí)左右，加入Cr、V、Mo的新材質(zhì)顎板晶粒度達(dá)到5級(jí)，提高幅度較大。
3.4Cr、V、Mo對(duì)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(cè)定，硬化層厚度3 mm（不算過(guò)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(gè)方面的原因：
3.4.1Cr.V、Mo.RE能夠細(xì)化晶粒，因?yàn)榫Ы鐣?huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶界越多對(duì)位錯(cuò)的阻礙越嚴(yán)重。
3.4.2  時(shí)效硬化沉淀出的彌散合金碳化物對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(duì)鑄件的抗沖擊磨損作用是十分重要的。
4、經(jīng)濟(jì)效益
    1993年試驗(yàn)時(shí)期，當(dāng)時(shí)普通高錳鋼顎板廠內(nèi)價(jià)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(fèi)用1 346元／噸，每噸增加熱處理費(fèi)用294元／噸，則新型耐磨顎板實(shí)際價(jià)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(zhǎng)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(shí)際用量則為16.7噸。每年節(jié)約效益約14萬(wàn)元。
    Mn13Cr2VMoRE新型耐磨顎板自1994年試驗(yàn)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(jì)效益，到目前為止，累計(jì)增加效益己達(dá)70多萬(wàn)元。
5、結(jié)  論
5.1  試驗(yàn)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(diǎn)，又增加里碳化物數(shù)量，細(xì)化了晶粒，提高了鑄件的強(qiáng)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(qiáng)度和韌性。
5.3  根據(jù)新材質(zhì)特點(diǎn)制定出的水韌、時(shí)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(tái)階防止了鑄件升溫脆性，保證了熱處理質(zhì)量。時(shí)效硬化8小時(shí)，沉淀析出的彌散硬質(zhì)點(diǎn)，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(guò)三個(gè)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(wú)夾雜，同時(shí)，增加了鑄件的密度，提高了顎板的強(qiáng)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(jì)效益十分顯著；而且極大地減輕了機(jī)械工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使鐵合金加工破碎的出口計(jì)劃得到保證。
    這種新型耐磨材料，如果在全國(guó)其他行業(yè)推廣應(yīng)用，將會(huì)取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。