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新型耐磨颚板试验研究
发布时间：2013-05-03 08:05 来源：未知
1、前 言
高锰钢由于C、Mn含量高，铸态组织为奥氏体及碳化物，水韧后成为非平衡的奥氏体组织。使用过程中，工作面受外力冲击、凿削或挤压，表面硬化，耐磨性能提高，而内部仍然保持原有的硬度和韧性。因此，被广泛用于受冲击负荷较大的耐磨部件上。
然而，随着工业的发展，普通高锰钢已经不适用某些特殊工况条件的要求，需进一步提高耐磨性能．延长铸件的使用寿命。例如，我厂的铬铁、钨铁、钼铁等铁合金产品原来用普通高锰钢颚板的破碎机破碎成各种粒度，这些铁合金产品硬度很高，洛氏硬度达到HRC60左右，远远大于颚板本体的硬度，故难于抵抗高硬度铁合金对颚板的冲击、凿削和磨损，颚板消耗量大，更换比较频繁。据调查，破碎高碳铬铁的颚板有时1~2天就要更换1块。因此，改进颚板材料，提高其使用寿命，降低生产成本，是势在必行的研究课题。
1993年开始，我厂开展了Mn13Cr2VMoRE新型鄂板的试验研究，试制了3批颚板，并进行现场装机试验，用来破碎高碳铬铁。通过运行试验，证明这种新型颚板具有较好的耐磨性和强韧性，颚板寿命成倍提高，取得了预想的试验效果。
2、试验概况
2.1 化学成分
目前，国内外许多研究者通过向奥氏体锰钢中加入各种微量合金元素、变质处理以及改进热处理制度等途径，以提高铸件的强韧性、耐磨性、加工硬化能力。我们在查阅有关资料的基础上，结合几年来对耐磨钢的研究实践，首先选择Cr.V、Mo、RE（稀土）等元素作为研究对象，Cr、V都是强碳化物形成元素，它们对增加碳化物数量以及时效处理后析出弥散第二相硬质点十分有利�？悸堑紺r含量超过2.5%会使韧性下降，所以将Cr含量选择在1.5%~2.5%范围，且控制在中限。V控制在0. 2%~0.6%，虽然加入量增加对耐磨性有利，但会增加颚板成本。Mo在钢中大部分形成碳化物，部分溶于奥氏体中，提高奥氏体强度，增加合金碳化物数量，但钼铁较贵，因此，Mo的含量设计在0.2%~0.3%范围。稀土元素可以有效地改变碳化物形状且与Cr、V、Mo元素还能起到细化晶粒的作用，因此添加0. 1%~0. 2%。为了有较多的合金碳化物形成，将C定在1. 2%~1.4%(一般高锰钢含C 0.9%~1.3%)。Mn.Si按正常成分加入。为了与普通高锰钢以示区别，我们将改进后的新型材质内定牌号为Mn13Cr2VMoRE。表1列出了设计成分及试验颚板化验分析结果。
2.2 冶炼操作
熔炼设备为0.5 t三相电弧炉，每炉装料量800 kg，炉料配比大部分按设计成分中、上限配算。
装料顺序：先加生铁、废钢，钼铁随炉料一起加入。钢水熔清后于还原期加入铬铁，还原后期渣子发白时加入锰铁。钒铁容易氧化烧损，因此在出钢前5~ 10分钟加进钢水内。稀土金属在出钢时加入钢包内冲熔。
C、Si、Mn出钢前10~15分钟炉前取样化验以便调整成分，Cr.V、Mo. RE炉前不能分析，成分不能及时调整，只能取成品样经化验后再调整下一炉的配料比。造还原渣加硅铁粉和焦炭粉，出钢前扒掉扩散脱氧的还原渣插入铝进行终脱氧，然后出炉。出钢温度为1 550—1 600℃，浇铸温度控制在1 450℃左右。为了降温和夹杂物上浮，出钢后镇静几分钟，扒掉包内浮渣再进行浇铸。
每炉钢水浇铸2块颚板，净重530 kg左右。
从表1的化验结果看，C、Si、Mn. Cr.V等元素基本在设计成分之内，Mo稍高一些，唯有RE超出上限较多，其原因有二，一是RE回收率按30%计算，计算的回收率偏低，加入量相应增加。二是稀土金属难破碎，有时整块加入，也会超标。
2.3 造型工艺
本试验与生产普通高锰钢颚板的造型工艺有所不同，主要做以下几点改进：
2.3.1 改水平浇铸为立式浇铸，立式浇铸能够增加铸件密度，有利于夹杂物的上浮，铸件强度增加，工作面无夹渣，表面光滑。
2.3.2 立式浇铸的主水口上下贯通，钢水不直接进入型腔内，而是通过立式水口开的三个横的水平浇口自下而上逐渐进入型腔。这样可以减小对型腔型砂的冲刷。采取的这些措施，也增加了水冒口的重量，因此水冒口约占钢水重量的30%。
2.3.3 造型材料先用石英砂试验2炉，虽然铸件表面光洁度比较好，但因铸件部分表面有粘附物，经分析其主要成分为Mno S102，熔点1270℃，造成清砂困难。后改用水玻璃、C02、石灰石自硬砂（简称七O砂）。背砂颗粒较粗，利于透气；面砂颗粒较细，保证了铸件表面光滑。
2.4 热处理制度
热处理分水韧处理及时效硬化，前者使用井式电阻炉，发热体为铁铬铝丝，后者使用镍铬丝发热体，升控温均为热电偶监测、手动控制。热处理曲线如图1、图2所示。
2.5 装机试验
装机试验是在400×600 mm颚式破碎机上进行的，破碎高碳铬铁。因铬系合金硬而难碎，颚板磨损较快，如果使用效果好，破碎其他产品也会取得突破；另外，由于颚板磨损快，更换周期短，便于观察使用效果。
装机试验从1993年1 1月开始到1994年2月结束，历时4个月。Mnl3Cr2VMoRE新型耐磨颚板连续3次装机试验，均取得比较理想的使用效果。为了进行对比，新型颚板试验之前在同一破碎机上做了普通颚板使用测试。试验过程中对使用时间、破碎量、板体使用前后的重量做了记录，并计算出吨铁的板体消耗。其试验结果见表2。
从装机试验结果可以看出，普通高锰钢颚板使用寿命为6天，破碎高碳铬铁98吨，颚板磨损量6.5 kg，吨铁磨耗0.066 kg/t。
Mn13CrzVMoRE新型耐磨颚板三次装机试验平均使用天数25天，平均破碎高碳铬铁347吨，颚板平均磨损量6.6 kg，吨铁磨耗0.019 kg/t。
试验数据表明，新型耐磨颚板在时间上比普通颚板使用寿命延长了3倍；在吨铁消耗上，新型耐磨颚板则下降到三分之一以下，磨耗的下降与寿命延长基本相符合。
3、分析讨论
3.1 关于热处理制度
试验颚板除C、Mn. Si外，加入2.0% Cr.0. 4%V、0.3% Mo，还有0.3%左右的稀土元素，这些元素的加入对显微组织，各种物相的形成和转变温度产生一定影响，常规水韧处理制度已经不适用。为此，在实验室内对试验样品进行条件试验，摸索升温速度、保温时间、水韧温度等工艺参数，观察显微组织变化规律，测试硬度数据，然后计算并放大成适合颚板整体水韧处理制度，见图1所示。从图1看出，新材质水韧处理曲线有如下特点：
3.1.1 热处理时间从普通高锰钢12小时增加到18小时。
3.1.2 考虑到加入的合金元素多，导热性能差，限制升温速度，低温60~ 70℃/h.高温100℃/h。
3.1.3 为了使铸件均温，防止升温裂纹产生，增加350℃、650℃两个保温台阶。
3.1.4 水韧温度控制在上限，并有足够的保温时间，以便碳化物充分溶于奥氏体中，水韧后得到单一奥氏体组织。
图3、图4为水韧处理前后金相组织。图片证明铸态时的碳化物经过合适的水韧处理，基本固溶在奥氏体中，成为单一的奥氏体组织。
试验颚板水韧处理后，增加了时效硬化热处理工艺，见图2。目的是使合金碳化物从奥氏体中析出且弥散分布。试验时样品升温、保温8小时，出炉空冷，而生产现场时效保温后则随炉冷却，这样时效时间可达14小时。
3.2 金相组织与布氏硬度
Mn13Cr2VMoRE颚板各种状态下的金相组织，布氏硬度列于表3、表4。
图3、图4、图5分别为试验材质铸态、水韧、时效硬化后的金相图片。图6是合金碳化物电镜形貌。对该区域进行电镜的面扫描，证实碳化物内有Mn. Cr.V的存在，见图7、图8、图9，Cr.V碳化物周围富集Mn。图片中不难发现，V形成碳化物的能力和富集程度比Cr要强一些，适当提高含V量，有助于铸件硬度的增加。
从上述图表看出，普通高Mn钢铸态碳化物以条、针状存在且分布在晶界附近，而新材质铸件中的碳化物多呈块、粒状，分布比较均匀，硬度为HB241，高于普通锰钢(HB229)，其强韧性也远高于普通锰钢，从新材质铸件水冒口砸断的困难程度也证实了这一点。水韧处理后基本为单一奥氏体组织，偶有碳化物存在。此时新老材质硬度虽然都有所下降，但新材质硬度仍高于普通高锰钢。时效硬化后，析出的细小碳化物硬质点弥散分布于奥氏体内，硬度提高到HB255，如图5、表4所示，达到了时效强化的目的。水韧加时效之所以能提高铸件硬度和强度，是因为水韧处理时冷却速度很快，水韧后的奥氏体为过饱和的非平衡组织，经过时效处理，过饱和的Cr.V、Mo.C等以C的化合物形式弥散析出，因此，硬度明显增加。
3.3 合金碳化物对晶粒度的影响
在奥氏体锰钢中加入Cr、V、Mo元素后使晶粒得到细化，晶粒度从普通高锰钢2~3级提高到5级左右，见图5所示。
V、Cr. Mo之所以细化晶粒，原因在于V、Cr.Mo都是碳化物形成元素，尤其是Cr.V与C的亲和性较强，这些合金碳化物熔点较高，在钢水凝固之前，液态下即可结晶析出，起到非自发晶核的作用，使单位体积内晶粒数目显著增加，晶粒得到细化。
一般情况下，颚板（400×600 mm破碎机用）这样的厚大铸件，晶粒度在2级左右，加入Cr、V、Mo的新材质颚板晶粒度达到5级，提高幅度较大。
3.4Cr、V、Mo对加工硬化的影响
据有关资料介绍，普通高锰钢加工硬化后，硬化层的硬度HB450~ 500，加入Cr.V、Mo的新材质颚板使用后，从本体取下样品，经测定，硬化层厚度3 mm（不算过渡层）左右，硬度HB540~560，表面有凿削沟痕以及层片状剥落残迹等。Cr.V、Mo等元素加入，使加工硬化能力提高可以认为有三个方面的原因：
3.4.1Cr.V、Mo.RE能够细化晶粒，因为晶界会阻碍位错运动，晶界越多对位错的阻碍越严重。
3.4.2 时效硬化沉淀出的弥散合金碳化物对位错运动产生阻碍作用，加工硬化能力提高。
3.4.3 由于加入Cr.V、M0、稀土后形了细小弥散分布的硬质点及少量块状碳化物，从而提高了铸件在加工硬化层未形成之前的初始硬度，这对铸件的抗冲击磨损作用是十分重要的。
4、经济效益
1993年试验时期，当时普通高锰钢颚板厂内价格5 112元／吨，全厂每年颚板用量50吨。
新材质Mn13CrzVMoRE耐磨颚板每吨增加铁合金费用1 346元／吨，每吨增加热处理费用294元／吨，则新型耐磨颚板实际价格为6 752元／吨。
由于新型耐磨颚板比普通高锰钢颚板使用寿命延长3倍，则每年少消耗三分之二用量的颚板铸件，即节省颚板铸件约33.3吨，实际用量则为16.7吨。每年节约效益约14万元。
Mn13Cr2VMoRE新型耐磨颚板自1994年试验成功之后，在我厂得到了普遍推广应用，取得明显的经济效益，到目前为止，累计增加效益己达70多万元。
5、结 论
5.1 试验证明，在奥氏体锰钢中加入2.0% Cr.0. 4%V、0.3% Mo既保持普通高锰钢耐冲击的特点，又增加里碳化物数量，细化了晶粒，提高了铸件的强度，耐磨性及抗冲击硬化能力。
5.2 加入少量稀土金属，能有效地改变碳化物形状和分布，即使水韧处理后，奥氏体内有少量未溶或析出的碳化物，也仍然以块状或粒状的形态存在，提高了铸件的强度和韧性。
5.3 根据新材质特点制定出的水韧、时效硬化热处理工艺改变了以往单一水韧处理模式，增加350℃/2h、650℃ /2h保温台阶防止了铸件升温脆性，保证了热处理质量。时效硬化8小时，沉淀析出的弥散硬质点，可以使铸件样品的硬度达到HB255。
5.4 铸件采用立式浇铸以及钢水通过三个水平浇口自下而上逐步进入型腔，可以使型腔内钢水温度均匀，有利于夹杂物的上浮，板体表面光滑无夹杂，同时，增加了铸件的密度，提高了颚板的强度。
5.5Mn13Cr2VMoRE新型耐磨颚板替代Mn13普通颚板破碎高硬度的铁合金产品，不但使用寿命明显提高，经济效益十分显著；而且极大地减轻了机械工人的劳动强度，使铁合金加工破碎的出口计划得到保证。
这种新型耐磨材料，如果在全国其他行业推广应用，将会取得更大的经济效益和社会效益。
