提高破碎機高錳鋼破碎齒性能的措施

孫 偉，寧玲艷

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

高錳鋼因其高的耐磨性廣泛應(yīng)用在礦山機械、冶金等領(lǐng)域，但隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展，這些領(lǐng)域產(chǎn)生了很多要求更高耐磨性的采礦、破碎、挖掘設(shè)備等，傳統(tǒng)的熱處理工藝已經(jīng)不能滿足使用要求。

高錳鋼使用前易產(chǎn)生熱裂，使用過程中會出現(xiàn)脆斷、崩裂及使用壽命短等缺點。針對這些問題，從高錳鋼敏感合金元素、水韌處理工藝及表面強化處理幾方面分別進行分析，以探討提高高錳鋼破碎齒性能的措施。

1 高錳鋼中敏感合金元素的作用

1.1 C和Mn的影響

在高錳鋼中碳對耐磨性的影響最為顯著，隨碳含量增加，高錳鋼的相對耐磨性是增加的；錳的提高則有利于提高鋼的沖擊韌性。如果C含量保持在1.1%～1.5%，保證有最高的沖擊韌性，將Mn提高到18%左右時，可使鋼達到最好的耐磨性[1]。一并考慮Mn與C值對沖擊韌性的影響，可提高鋼的韌性和減少碳化物的析出傾向，可用來制作超大截面的耐磨件，并可在低溫下使用[2，3]。

1.2 B的影響

高錳鋼中加入微量B能顯著提高鋼的淬透性，每加入質(zhì)量分數(shù)為0.001%的B在提高淬透性方面所起的作用相當于 Mn0.85%、Ni2.4%、Cr0.45%、Mo0.35%，同時能顯著提高力學(xué)性能，特別是沖擊韌性[4]。

隨B含量的增加，沖擊韌性先增加后降低，以0.003%左右的含B量沖擊韌性最佳。這是由于鋼中硼的含量＜0.0050%時有細化組織的作用，數(shù)量過多時反而使晶粒粗化。鋼中硼含量較高時，由于硼的分布不均勻，局部區(qū)域硼富集，能夠形成含硼的共晶，其中有硼化鐵（Fe2B）、碳化物和奧氏體相，這些共晶很脆，嚴重惡化鋼的性能。而且硼是表面活性元素，富集于奧氏體晶界處，主要存在于晶體缺陷處；正是由于硼在晶界富集，所以硼含量高時，鋼的沖擊韌性明顯降低[4]。

1.3 Cr的影響

Cr是碳化物形成元素，能阻止奧氏體晶粒長大，細化晶粒，促使鑄態(tài)晶粒形狀較規(guī)則，使整個截面晶粒較均勻，同時改善碳化物形狀。晶粒愈細，晶界愈多，阻止位錯滑移作用愈大，可阻止顯微裂紋擴展，迫使裂紋改變方向，消耗裂紋大量能量，提高屈服強度、斷裂韌性和耐磨性[8]。當Cr含量在2%左右時耐磨性提高很大，當Cr含量增加到3%時，耐磨性提高20%～30%，k值下降不大，但繼續(xù)增加Cr含量，耐磨性增加就不明顯，而 k值下降很多，因此加入的Cr量應(yīng)不超過3%[3]。

1.4 Ti的影響

Ti能細化鑄態(tài)組織，防止熱處理時發(fā)生開裂現(xiàn)象，形成的TiC組織能消除鑄件中的柱狀晶組織，使鋼的強度、硬度、塑性提高15%～20%，顯著提高材料的加工硬化性能，同時也大大改善了鋼的耐低溫性能。但鈦的夾雜物呈多角形，有尖銳的棱角，在反復(fù)載荷作用下，出現(xiàn)應(yīng)力集中成為裂紋源，故Ti不能過多加入[5]，根據(jù)經(jīng)驗Ti含量一般控制在0.1%～0.15%。

1.5 RE的影響

用稀土對高錳鋼進行變質(zhì)處理，可以細化晶粒，改善碳化物和非金屬夾雜的形態(tài)及分布，有利于提高高錳鋼鑄件的韌性；加入稀土還可提高鋼液流動性，減小鋼件熱裂和冷裂傾向[6]，提高使用硬化能力，但稀土加入量必須控制，否則適得其反，一般稀土加入量控制在0.03%～0.05%。

1.6 有害元素P、Si的控制

Si含量高會降低碳在奧氏體中的溶解度，碳化物在晶界上析出增多，水韌處理后，在晶界上留下較大的顯微疏松。但為了能較完全地清除鋼中的夾雜物，含硅量不能低于0.3%。一般認為高錳鋼的含硅量控制在0.4%～0.6%時最佳，致密性最好，鋼具有最好的耐磨性，超過這個范圍后耐磨性降低[3]。

磷在鋼中的溶解度很小，常以Fe2P、Fe3P和Mn2P的形式存在于晶界上，使高猛鋼的強度、韌性和耐磨性大大降低，碳含量高加劇磷以共晶體形式析出在晶界上。為保證性能，高錳鋼的碳磷量應(yīng)遵循如下數(shù)學(xué)關(guān)系：C%=1.27%～2.7*P%。據(jù)測定：影響高錳鋼性能的最大因素是碳磷，而磷對高錳鋼性能的破壞能力是碳的五倍。P含量一般控制在0.006%以下。

2 水韌處理工藝

由于高錳鋼的導(dǎo)熱性能差，線膨脹系數(shù)又大，雖然鑄件在低溫加熱過程中無相變應(yīng)力發(fā)生，但它加熱到300℃以上后，會出現(xiàn)晶內(nèi)和晶界上脆性碳化物增多的現(xiàn)象；有時會發(fā)生少量珠光體轉(zhuǎn)變。這對壁厚≥80mm又不均勻的大型鑄件，入爐溫度應(yīng)≤300℃；對壁厚≤25mm的均勻小件，入爐溫度可≥500℃。

升溫速度要按鑄件復(fù)雜程度、壁厚大小和含碳量高低來確定。鑄件外形尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻且較薄，可采用快速升溫工藝；與此相反的鑄件采用慢速升溫工藝。為此，可采用50～60（℃/h）的加熱速度。

一般的高錳鋼水韌溫度為1000℃，但對含Cr大于2.5%的含硼高錳鋼水韌處理溫度要高于1110℃才可能形成單一的奧氏體組織，另外由于超高錳鋼加入了合金元素Cr和Mo，其水淬溫度較一般高錳鋼將提高30℃～50℃[1]，所以將水韌溫度定位在1110℃～1130℃。高溫加熱后必須快速冷卻，以免在冷卻過程中析出碳化物，否則將導(dǎo)致鋼的韌性和耐磨性降低。保溫時間可取 2.5～3（min/mm）[7，8]。

淬火時要嚴格規(guī)定從爐門開啟到鑄件下水的時間不能超過30s，并且要想碳化物不重新析出，鑄件必須快速冷卻，鑄件入水時的水溫和水量是達到快速冷卻的充要條件，入水時水溫要≤30℃，并采用循環(huán)水冷卻，并作上下左右運動，確保均勻快速冷卻，出水后水溫要≤45℃。要滿足后一個指標，每噸鑄件要有8 t～10t水量才行，水池要有鼓風(fēng)裝置或設(shè)有排出熱水、注進冷水的水池，選8 t水/t鑄件，否則為10t水/t鑄件。

對于厚度大于80mm的高錳鋼件水韌后，心部冷速慢，析出了針狀碳化物，使性能下降。為了減少高溫下碳化物固溶的困難，降低能耗及縮短生產(chǎn)周期，對80mm～100mm厚度的簡單鑄件，可采用200℃入爐，以 70～80（℃/h）速度升溫，不進行 650℃保溫的水韌工藝。

3 表面強化處理

利用表面強化技術(shù)，對高錳鋼產(chǎn)品進行預(yù)硬化處理，提高其原始硬度，減少產(chǎn)品初期磨損，也是相對提高產(chǎn)品耐磨性的好辦法[9]。

3.1 表面脫碳技術(shù)

利用形變馬氏體機制，可以通過降低高錳鋼鑄件表面含碳量來使其表面出現(xiàn)形變馬氏體，曾有關(guān)于發(fā)現(xiàn)馬氏體的報導(dǎo)，可能是高錳鋼在空氣爐中高溫加熱，造成表面碳、錳降低，或是加熱不足，局部貧碳，促使形變馬氏體出現(xiàn)。根據(jù)這個機理，現(xiàn)在已有將高錳鋼進行表面控制脫碳，使得在水韌處理后產(chǎn)生馬氏體，用以強化高錳鋼，提高耐磨性的報導(dǎo)。Mn13高錳鋼在熱處理時表面脫碳到0.6%以下時，水韌處理后，脫碳層會形成馬氏體，從而提高鑄件表面質(zhì)量?？捎玫谋砻婷撎技夹g(shù)有：

1）還原性氣氛下加熱，通過H2與表面基體的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)表面脫碳。

2）Ar離子轟擊法：在滲金屬爐中通過離子轟擊，高錳鋼表面的碳原子能夠被轟擊出去。工作氣體為工業(yè)純Ar。

3.2 表面合金化

1）采用鑲鑄工藝，通過在鑄型表面刷含合金涂料，撒錳鐵粉或是貼上合金鑄鐵片的方法，使鋼水澆入后熔化并熔接這些材料，大幅度提高了鑄件表面性能[10]。

2）采用含Cr焊條在高錳鋼上進行堆焊，以提高耐磨性，一般鉻錳鋼堆焊焊條堆焊硬度為HRC31左右，一般鉻鉬鋼堆焊焊條堆焊硬度可達≥HRC40，鉻錳硅鋼堆焊焊條堆焊硬度可達≥HRC50。

3.3 噴丸處理

通過噴丸強化在高錳鋼鑄件表面形成一層微細晶粒，以提高其表面初始硬度，并且還提高零件的疲勞強度或防止應(yīng)力腐蝕破壞。

3.4 爆炸硬化

爆炸硬化就是用炸藥爆炸的方法，對高錳鋼零件進行表面預(yù)硬化處理的一種有效方法，目前只應(yīng)用在高錳鋼鑄件方面，例如鐵道上的輒叉、挖掘機的斗齒以及顎式破碎機的牙板等等，用來增加零件工作表面的硬度，提高耐磨性[11]。

爆炸硬化強化高錳鋼鑄件表面是利用爆炸極短時間內(nèi)產(chǎn)生3×107 KPa高壓使高錳鋼表面形成40mm～50mm硬化層，硬化層硬度達到HB300～HB500，表層屈服強度可提高2倍，耐磨性提高50%。

對于以上所列表面脫碳技術(shù)可操作性差，含鉻焊條堆焊技術(shù)不僅成本高，而且對于高錳鋼來說堆焊浪費了高錳鋼的奧氏體可加工硬化性，可采用表面強化處理技術(shù)、噴丸強化或爆炸硬化的方法來強化表面。噴丸強化比較成熟，這里不作詳細說明；爆炸硬化是目前世界上最先進的高錳鋼表面硬化技術(shù)，并且是專用于高錳鋼的，國內(nèi)已于2010年5月引進。

4 結(jié)語

針對破碎機上高錳鋼破碎齒易產(chǎn)生的三類缺陷，從敏感合金元素、水韌處理工藝及表面強化處理三個方面討論了改善高錳鋼破碎齒性能的措施，得到了最佳性能高錳鋼鑄件元素百分含量，確定了優(yōu)良的水韌處理工藝，總結(jié)并比較了高錳鋼材料的各種表面強化處理方法。

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［5］杜其新，邵宏飛，黃永浩.延長高錳鋼鑄件使用壽命的途徑［J］.鑄造技術(shù)，2003（5）：444-445.

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［11］鄭哲敏，楊振聲.爆炸加工（修訂本）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1981.