孫 偉，寧玲艷

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

高錳鋼因其高的耐磨性廣泛應(yīng)用在礦山機(jī)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脆斷、崩裂及使用壽命短等缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，從高錳鋼敏感合金元素、水韌處理工藝及表面強(qiáng)化處理幾方面分別進(jìn)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(duì)耐磨性的影響最為顯著，隨碳含量增加，高錳鋼的相對(duì)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(shí)，可使鋼達(dá)到最好的耐磨性[1]。一并考慮Mn與C值對(duì)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(lái)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?jǐn)?shù)為0.001%的B在提高淬透性方面所起的作用相當(dāng)于 Mn0.85%、Ni2.4%、Cr0.45%、Mo0.35%，同時(shí)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(shí)有細(xì)化組織的作用，數(shù)量過(guò)多時(shí)反而使晶粒粗化。鋼中硼含量較高時(shí)，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(yán)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(shí)，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(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，促使鑄態(tài)晶粒形狀較規(guī)則，使整個(gè)截面晶粒較均勻，同時(shí)改善碳化物形狀。晶粒愈細(xì)，晶界愈多，阻止位錯(cuò)滑移作用愈大，可阻止顯微裂紋擴(kuò)展，迫使裂紋改變方向，消耗裂紋大量能量，提高屈服強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性[8]。當(dāng)Cr含量在2%左右時(shí)耐磨性提高很大，當(dāng)Cr含量增加到3%時(shí)，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(guò)3%[3]。

1.4 Ti的影響

Ti能細(xì)化鑄態(tài)組織，防止熱處理時(shí)發(fā)生開(kāi)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(qiáng)度、硬度、塑性提高15%～20%，顯著提高材料的加工硬化性能，同時(shí)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(guò)多加入[5]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Ti含量一般控制在0.1%～0.15%。

1.5 RE的影響

用稀土對(duì)高錳鋼進(jìn)行變質(zhì)處理，可以細(xì)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(dòng)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(huì)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(rèn)為高錳鋼的含硅量控制在0.4%～0.6%時(shí)最佳，致密性最好，鋼具有最好的耐磨性，超過(guò)這個(gè)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(qiáng)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(cè)定：影響高錳鋼性能的最大因素是碳磷，而磷對(duì)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(guò)程中無(wú)相變應(yīng)力發(fā)生，但它加熱到300℃以上后，會(huì)出現(xiàn)晶內(nèi)和晶界上脆性碳化物增多的現(xiàn)象；有時(shí)會(huì)發(fā)生少量珠光體轉(zhuǎn)變。這對(duì)壁厚≥80mm又不均勻的大型鑄件，入爐溫度應(yīng)≤300℃；對(duì)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(lái)確定。鑄件外形尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(guò)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(shí)間可取 2.5～3（min/mm）[7，8]。

淬火時(shí)要嚴(yán)格規(guī)定從爐門(mén)開(kāi)啟到鑄件下水的時(shí)間不能超過(guò)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(shí)的水溫和水量是達(dá)到快速冷卻的充要條件，入水時(shí)水溫要≤30℃，并采用循環(huán)水冷卻，并作上下左右運(yùn)動(dòng)，確保均勻快速冷卻，出水后水溫要≤45℃。要滿足后一個(gè)指標(biāo)，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(jìn)冷水的水池，選8 t水/t鑄件，否則為10t水/t鑄件。

對(duì)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(duì)80mm～100mm厚度的簡(jiǎn)單鑄件，可采用200℃入爐，以 70～80（℃/h）速度升溫，不進(jìn)行 650℃保溫的水韌工藝。

3 表面強(qiáng)化處理

利用表面強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)高錳鋼產(chǎn)品進(jìn)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(duì)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(jī)制，可以通過(guò)降低高錳鋼鑄件表面含碳量來(lái)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(bào)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(gè)機(jī)理，現(xiàn)在已有將高錳鋼進(jìn)行表面控制脫碳，使得在水韌處理后產(chǎn)生馬氏體，用以強(qiáng)化高錳鋼，提高耐磨性的報(bào)導(dǎo)。Mn13高錳鋼在熱處理時(shí)表面脫碳到0.6%以下時(shí)，水韌處理后，脫碳層會(huì)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(guò)H2與表面基體的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)表面脫碳。

2）Ar離子轟擊法：在滲金屬爐中通過(guò)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(guò)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(jìn)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(dá)≥HRC40，鉻錳硅鋼堆焊焊條堆焊硬度可達(dá)≥HRC50。

3.3 噴丸處理

通過(guò)噴丸強(qiáng)化在高錳鋼鑄件表面形成一層微細(xì)晶粒，以提高其表面初始硬度，并且還提高零件的疲勞強(qiáng)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(duì)高錳鋼零件進(jìn)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(jī)的斗齒以及顎式破碎機(jī)的牙板等等，用來(lái)增加零件工作表面的硬度，提高耐磨性[11]。

爆炸硬化強(qiáng)化高錳鋼鑄件表面是利用爆炸極短時(shí)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(dá)到HB300～HB500，表層屈服強(qiáng)度可提高2倍，耐磨性提高50%。

對(duì)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(duì)于高錳鋼來(lái)說(shuō)堆焊浪費(fèi)了高錳鋼的奧氏體可加工硬化性，可采用表面強(qiáng)化處理技術(shù)、噴丸強(qiáng)化或爆炸硬化的方法來(lái)強(qiáng)化表面。噴丸強(qiáng)化比較成熟，這里不作詳細(xì)說(shuō)明；爆炸硬化是目前世界上最先進(jìn)的高錳鋼表面硬化技術(shù)，并且是專(zhuān)用于高錳鋼的，國(guó)內(nèi)已于2010年5月引進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)破碎機(jī)上高錳鋼破碎齒易產(chǎn)生的三類(lèi)缺陷，從敏感合金元素、水韌處理工藝及表面強(qiáng)化處理三個(gè)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(qiáng)化處理方法。

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