釩鈦微合金化對鑄態(tài)中錳鋼組織和性能的影響

吳海平

（安徽省機(jī)械科學(xué)研究所，安徽 合肥 230022）

目前我國用于襯板、腭板及錘頭的耐磨材料主要分為兩大類：一類是多元低合金馬氏體鋼，另一類是錳系奧氏體鋼，而使用較為廣泛的仍是高錳鋼。高錳鋼是借助強(qiáng)烈沖擊下產(chǎn)生加工硬化來抵抗磨損的，對于中低沖擊載荷工作的高錳鋼耐磨件，因其加工硬化性能得不到充分發(fā)揮，耐磨性能很低，每年要消耗大量的金屬資源。錳是我國富有元素，價(jià)格低廉，開展錳系耐磨鋼的研究，提高中低沖擊載荷下的耐磨性是我國耐磨材料的研究開發(fā)的方向之一。

本研究在保證鑄態(tài)中錳鋼基本組分的基礎(chǔ)上，通過釩鈦微合金化，以改善鑄態(tài)中錳鋼的組織和性能，實(shí)現(xiàn)非強(qiáng)烈沖擊載荷工況條件中錳鋼的耐磨性。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 爐料及熔煉

高錳鋼回爐料、低碳廢鋼和Z18號生鐵為基本原料，用中碳錳鐵和75SiFe調(diào)整成分，稀土加硅鈣合金變質(zhì)處理，釩鐵、鈦鐵進(jìn)行微合金化試驗(yàn)；采用中頻感應(yīng)爐電爐不氧化法煉鋼工藝熔煉鋼水，用快速熱電偶測溫，當(dāng)鋼液達(dá)到1600℃時(shí)出鋼，采用沖入法進(jìn)行變質(zhì)處理，在1450℃～1470℃進(jìn)行澆注。

1.2 性能檢測

采用10mm×10mm×55mm無缺口沖擊試塊，化驗(yàn)、金相和沖擊磨損試塊在沖斷后的沖擊試塊上截取。沖擊試驗(yàn)在MK-36三用沖擊試樣機(jī)上進(jìn)行，用A-200洛氏硬度計(jì)測試硬度，在MLD-10沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，用XJP-6A金相顯微鏡觀察微觀組織。

1.3 釩鈦微合金化試驗(yàn)方案

選擇確定鑄態(tài)中錳鋼基本組分為ω（C）：1.4%～1.6%，ω（Si）:1.6%～2.0%，ω（Mn）:8%～9%[1]。爐前采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%稀土合金+0.2%硅鈣合金變質(zhì)處理，并且隨變質(zhì)劑分別加入不同量的V、Ti澆注試塊，而后進(jìn)行硬度、沖擊和磨損試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微量V和Ti對中錳鋼鑄態(tài)組織的影響

奧氏體錳鋼中加入微量合金元素（如V、Ti等）可以起到細(xì)化鑄態(tài)晶粒，改善鑄態(tài)組織，增加基體硬度形成抗磨硬質(zhì)相，抑制鑄態(tài)針狀碳化物，改善夾雜物形態(tài)等作用。

釩加入鋼中，多數(shù)溶入奧氏體，小部分以碳化物的形式存在；而鈦是強(qiáng)碳化物形成元素。釩和鈦均有細(xì)化晶粒，限制鑄態(tài)枝晶生長、擴(kuò)大等軸晶區(qū)等作用，并有利于碳化物進(jìn)一步球化[2]。

試驗(yàn)表明，控制C、Si、Mn含量在基本組分內(nèi)，V、Ti各與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%稀土合金+0.2%硅鈣合金變質(zhì)劑的復(fù)合加入處理，顯著改善中錳鋼的鑄態(tài)組織，未經(jīng)處理的鑄態(tài)組織為奧氏體基體上分布著針網(wǎng)狀碳化物，如圖1，經(jīng)處理鑄態(tài)組織為奧氏體基體上分布著團(tuán)球狀碳化物，且分布均勻，如圖2。

圖1 未經(jīng)處理中錳鋼鑄態(tài)組織×120

圖2 經(jīng)處理中錳鋼鑄態(tài)組織×120

2.2 微量V和Ti對鑄態(tài)中錳鋼機(jī)械性能的影響

微量V、Ti分別與稀土和硅鈣合金的復(fù)合加入處理后，對鑄態(tài)中錳鋼進(jìn)行硬度和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 微量V、Ti與鑄態(tài)中錳鋼機(jī)械性能

從表 1 中可看出，ω（V）：0.1%～0.2%，Ak（J）值最高，HRC平均值為44；Ti加入量的改變，HRC值變化不大，而 Ti加入量達(dá) 0.15%，Ak（J）值最高；當(dāng)V或Ti的加入量超過0.2%時(shí)，會(huì)引起鑄態(tài)中錳鋼韌性的明顯降低。

2.3 V和Ti對鑄態(tài)中錳鋼沖擊磨損性能的影響

采取在MLD-10沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高錳鋼與鑄態(tài)中錳鋼的比對沖擊試驗(yàn)，分別選取0.5 J、1.0J、1.5 J、1.8 J的沖擊功，測量經(jīng)試驗(yàn)后的相對耐磨性。

相對耐磨性=沖擊磨損時(shí)間/試驗(yàn)前后的試樣重量差。

沖擊磨損試驗(yàn)的結(jié)果見表2。

表2 沖擊磨損試驗(yàn)結(jié)果

沖擊磨損試驗(yàn)表明，添加微量V或Ti元素的鑄態(tài)中錳鋼，在中低沖擊功下耐磨性能明顯優(yōu)于高錳鋼，但當(dāng)沖擊功大于1.5 J耐磨性迅速降低。

3 應(yīng)用情況

表3 兩種板的磨損量

4 結(jié)論

1）經(jīng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1%～0.2%的 V或0.15%的Ti與稀土和硅鈣合金的復(fù)合處理后的鑄態(tài)中錳鋼，實(shí)現(xiàn)鑄態(tài)碳化物的分布團(tuán)球化，并細(xì)化晶粒，改善鑄態(tài)組織。

2）微量V或Ti與稀土和硅鈣合金的復(fù)合加入處理后鑄態(tài)中錳鋼，在中低沖擊載荷下耐磨性能優(yōu)于高錳鋼，且可不經(jīng)水韌處理而鑄態(tài)使用，可明顯降低成本，在中低沖擊載荷下取代高錳鋼具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］王明勝.奧氏體中錳鋼成分設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程材料，1993，2（17）：17-21.

［2］李紹雄.奧氏體中錳鋼多元合金化對耐磨性的影響［J］.鑄造，1989（2）：4.