新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

隨著礦山設(shè)備向大型化、智能化發(fā)展，對(duì)礦用耐磨鑄件質(zhì)量提出了更高的要求，高質(zhì)量耐磨鑄件的需求量將穩(wěn)定持續(xù)增長(zhǎng)。高錳鋼是一種具有加工硬化能力及耐磨性能優(yōu)良的材質(zhì)，但對(duì)于厚大斷面的耐磨鑄件，普通高錳鋼材質(zhì)水韌處理后內(nèi)部常常出現(xiàn)碳化物而使韌性下降問(wèn)題；低溫下使用的高錳鋼鑄件也常出現(xiàn)脆斷的現(xiàn)象及屈服強(qiáng)度低的問(wèn)題。為了提高大型高錳鋼鑄件的耐磨性，進(jìn)行了新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

新型超高錳鋼是在ZG120Mn17Cr2 基礎(chǔ)上增加Mn 含量，研制的一種新型高錳鋼材質(zhì)。增加Mn 含量提高奧氏體穩(wěn)定性，阻止碳化物析出，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和塑性，并提高鋼的加工硬化能力和耐磨性；Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%時(shí)，可達(dá)到最好的耐磨性，選擇Mn 的范圍為21%～25%.加入Cr 可提高材料的強(qiáng)韌性、耐磨性和加工硬化能力，但Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.5%會(huì)使沖擊韌性下降，選擇Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.5%；加入Mo 能提高厚大件的抗裂性能和淬透性，考慮成本因素選擇Mo 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為0.50%～0.80%.

提高C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高材質(zhì)的硬度及抗磨性能，但塑性和韌性降低，綜合考慮C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.0%～1.4%范圍；Si 具有脫氧的作用，但Si 含量高，材質(zhì)熱處理時(shí)易產(chǎn)生晶粒粗大，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.3%～0.9%范圍；材質(zhì)主要應(yīng)用于厚大件、高應(yīng)力及低溫等工況條件，要嚴(yán)格控制P、S 等有害元素含量，要求w（P）≤0.06%，w（S）≤0.04%，材質(zhì)試驗(yàn)成分見(jiàn)表1.

2 材質(zhì)試驗(yàn)方案

2.1 熔煉試驗(yàn)和試樣制備

ZG120Mn23Cr2Mo為高合金鑄鋼材質(zhì)，采用50kg真空感應(yīng)電爐熔煉，為了模擬鑄件生產(chǎn)的實(shí)際情況，采用真空熔煉和大氣狀態(tài)澆注的試驗(yàn)工藝進(jìn)行熔煉試驗(yàn)，澆注溫度確定為1 430 ℃～1 450 ℃.澆注2 組基爾試塊，冷卻到室溫后，碳刨為8 個(gè)單個(gè)基爾試塊，清理打磨，并進(jìn)行編號(hào)，以備進(jìn)行熱處理及性能對(duì)比試驗(yàn)。

按熔煉試驗(yàn)方案進(jìn)行了2 爐次材質(zhì)試驗(yàn)及1爐次生產(chǎn)試驗(yàn)，全部符合設(shè)計(jì)成分要求，選擇代表性試驗(yàn)爐次SO2 進(jìn)行材質(zhì)熱處理和性能試驗(yàn)。材質(zhì)試驗(yàn)的主要成分如表1.

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 熱處理工藝試驗(yàn)方案

高錳鋼的常規(guī)熱處理工藝為1 050 ℃～1 100 ℃水韌處理，ZG120Mn23C2rMo 由于加人了Cr 和Mo合金元素，水韌處理溫度比一般高錳鋼要高，取上限為1 090 ℃.為了提高材質(zhì)的耐磨性能，水韌處理后增加低溫回火處理工藝。為了確定滿足硬度和沖擊性能綜合性能好的工藝，選擇同爐澆注的試塊，水韌處理后，選擇250 ℃、300 ℃、350 ℃、450 ℃4種不同的回火溫度工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。熱處理試驗(yàn)方案見(jiàn)表2.

表2 熱處理實(shí)驗(yàn)方案

熱處理實(shí)驗(yàn)后，按照GB/T228.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同試驗(yàn)方案的力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T229標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常溫沖擊及低溫沖擊對(duì)比試驗(yàn)，按照GB/T231.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同試樣的硬度試驗(yàn)，對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，確定優(yōu)化的熱處理工藝。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 拉力性能試驗(yàn)分析

新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 水韌處理后按不同回火工藝進(jìn)行試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表3 和圖1.

拉力性能試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）水韌處理后，從250 ℃到450 ℃溫度范圍回火，材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先高后低的趨勢(shì)。300 ℃回火時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值854 MPa，伸長(zhǎng)率為47.0%.350 ℃和450 ℃較高溫度回火后，拉力性能和伸長(zhǎng)率下降，450 ℃回火后嚴(yán)重下降。（2）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，ZG120Mn23Cr2Mo 材質(zhì)的基礎(chǔ)硬度較高，水韌處理后達(dá)到224 HB，低溫回火后硬度略有提高。

3.2 沖擊性能試驗(yàn)分析

按照熱處理工藝方案試驗(yàn)后，進(jìn)行了室溫沖擊和低溫沖擊對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4 和圖2.

表3 力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 不同回火工藝?yán)π阅茉囼?yàn)結(jié)果

表4 沖擊韌性試驗(yàn)

圖2 回火溫度對(duì)沖擊韌性的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：1）ZG120Mn23Cr2Mo 材質(zhì)，水韌處理后，采用低溫回火工藝處理，由于細(xì)小彌散碳化物第二相析出，室溫沖擊韌性和低溫沖擊韌性有一定提高；在250 ℃回火-40 ℃沖擊值為117 J，300℃回 火 -40 ℃沖 擊 值 達(dá) 123.6 J，說(shuō) 明ZG120Mn23Cr2Mo 低溫沖擊性能較好。2）較高溫度350 ℃到450 ℃回火，由于析出碳化物的長(zhǎng)大及在晶界析出，沖擊韌性呈下降的趨勢(shì)，特別是450 ℃回火沖擊韌性嚴(yán)重下降。較為合適的回火溫度為300 ℃.

3.3 金相組織分析

依照試驗(yàn)方案對(duì)ZG120Mn23Cr2Mo 材質(zhì)鑄態(tài)、水韌處理、水韌處理+300 ℃低溫回火狀態(tài)進(jìn)行顯微組織分析，如圖3.顯微組織對(duì)比分析顯示：（1）材質(zhì)的鑄態(tài)顯微組織為奧氏體+大量碳化物，且碳化物大量在晶界聚集，見(jiàn)圖3a）.（2）材質(zhì)水韌處理后顯微組織基體主要為奧氏體，存在極少量未溶碳化物，水韌處理消除了晶界的網(wǎng)狀碳化物，見(jiàn)圖3b）.（3）材質(zhì)水韌處理+300 ℃低溫回火后，金相組織為奧氏體+少量細(xì)小彌散碳化物，晶內(nèi)顆粒碳化物彌散狀分布，見(jiàn)圖3c）具有沉淀強(qiáng)化的作用，強(qiáng)化了奧氏體基體組織，提高了材質(zhì)的初始耐磨性，可提高厚大鑄件的整體耐磨性。

3.4 回火處理碳化物顯微組織分析

ZG120Mn23Cr2Mo 材質(zhì)水韌處理后，采用不同的溫度回火處理，析出碳化物顯微組織形態(tài)分析見(jiàn)圖4.

從不同回火溫度析出碳化物形態(tài)分析看：1）采用250 ℃低溫回火，奧氏體基體開(kāi)始析出彌散細(xì)小碳化物；回火溫度提高到300 ℃，晶內(nèi)析出的細(xì)小碳化物數(shù)量增加，呈彌散分布，起到強(qiáng)化基體的作用。2）采用350 ℃較高溫度回火，彌散析出的碳化物晶內(nèi)開(kāi)始呈針狀析出，少量沿晶界析出，影響材質(zhì)的塑性和沖擊性能。3）采用450 ℃高溫回火，碳化物以條狀沿晶界析出，呈網(wǎng)狀分布，對(duì)奧氏體基體產(chǎn)生有害作用，降低材質(zhì)的強(qiáng)度并使組織發(fā)脆，拉力性能和沖擊韌性嚴(yán)重降低。較高溫度的回火工藝，降低高錳鋼的綜合性能，不適合新型超高錳鋼的熱處理。

圖3 ZG120Mn23Gr2Mo 鑄態(tài)、水韌處理、水韌+300 ℃回水顯微組織對(duì)比

圖4 ZG120Mn23Cr2Mo 水韌+回火析出碳化物形態(tài)分析

3.5 材質(zhì)的加工硬化特性試驗(yàn)

為了試驗(yàn)材質(zhì)的加工硬化性能，選擇綜合性能較好的S02-2 試驗(yàn)料，采用沖擊式滾筒設(shè)備進(jìn)行了4 h 小能量沖擊硬化試驗(yàn)，然后切鋸開(kāi)試驗(yàn)料，在切割斷面從邊緣到芯部，進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5.

圖5 ZG120Mn23CrMo 材質(zhì)小能量沖擊硬化試驗(yàn)

從試驗(yàn)料解剖硬度看，表面沖擊硬度最高達(dá)386 HB，3 mm 深硬度318 HB，6 mm 深硬度259 HB，試驗(yàn)料的心部硬度在215 HB 以上，硬化深度在3 mm～6 mm，加工硬化特性性能較好。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 在普通高錳鋼基礎(chǔ)上，通過(guò)增加Mn 含量，并進(jìn)行Cr、Mo 再合金化，達(dá)到提高高錳鋼奧氏體的穩(wěn)定性和水韌處理淬透性，阻止熱處理過(guò)程厚大部位碳化物的析出，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度、塑性和低溫沖擊性能的目的。材質(zhì)適合于厚大高錳鋼鑄件使用。

2）新型超高錳鋼熱處理工藝方案為水韌處理+低溫回火處理，低溫回火主要作用為彌散強(qiáng)化奧氏體基體組織。水韌處理后的高錳鋼通過(guò)低溫回火，使基體中析出細(xì)小彌散分布的顆粒狀第二相質(zhì)點(diǎn)M23C6，第二相質(zhì)點(diǎn)起到強(qiáng)化奧氏體基體的作用，提高了超高錳鋼的力學(xué)性能和耐磨性。試驗(yàn)確定的熱處理工藝為1 090 ℃水韌處理+300℃低溫回火。

3）新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 的加工硬化是位錯(cuò)強(qiáng)化、孿晶強(qiáng)化及彌散析出的超微細(xì)碳化物顆粒強(qiáng)化綜合作用的結(jié)果；材質(zhì)的加工硬化能力比普通高錳鋼高得多，在小變形情況下就可表現(xiàn)出很高的加工硬化能力，具有較高硬度和韌度的良好配合，綜合良好的耐磨性，適用于在高應(yīng)力、高沖擊工況條件下大斷面工件的使用，也適合低溫條件下耐磨零件的應(yīng)用。

4）新型超高錳鋼材質(zhì)適用于大型旋回破碎機(jī)動(dòng)錐、動(dòng)錐，大型鄂式破碎機(jī)鄂板、錘板，大型耐磨襯板等厚大高錳鋼件的使用，適用于高寒低溫地區(qū)大型礦山破碎磨機(jī)等耐磨鑄件的使用。特別適合受應(yīng)力大、沖擊磨損嚴(yán)重的破碎機(jī)破碎段定錐襯板及動(dòng)錐襯板等耐磨零件應(yīng)用（如圖6），比普通高錳鋼材質(zhì)具有更高的抗磨性及耐磨損使用壽命，材質(zhì)的應(yīng)用具有較廣泛市場(chǎng)。

圖6 大型破碎站應(yīng)用的耐磨鑄件

5 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)試驗(yàn)研究確定的新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 的化學(xué)成分范圍為ω（C）1.0～1.4%，ω（Mn）21.0～25.0%，ω（Si）0.3～0.9%，ω（Cr）1.5～2.5%，ω（Mo）0.5～0.8%，ω（S）≤0.04%，ω（P）≤0.06%.

2）新型超高錳鋼ZG120Mn23Cr2Mo 的熱處理工藝方案為水韌處理+低溫回火處理，水韌處理后的高錳鋼通過(guò)低溫回火，使基體中出現(xiàn)細(xì)小彌散分布的顆粒狀第二相質(zhì)點(diǎn)，起到強(qiáng)化基體組織的作用，提高了超高錳鋼的力學(xué)性能和耐磨性；試驗(yàn)確定的熱處理工藝為1 090 ℃水韌處理+300 ℃低溫回火。

3）新型超高錳鋼ZG120Mn23CrMo 在小變形情況下就可表現(xiàn)出很高的加工硬化能力，具有較高硬度和韌度的良好配合，綜合良好的耐磨性，適用于高應(yīng)力、低溫、高沖擊工況條件下大斷面耐磨件的應(yīng)用。