1、前  言
    高錳鋼由于C、Mn含量高，鑄態組織為奧氏體及碳化物，水韌后成為非平衡的奧氏體組織。使用過程中，工作面受外力沖擊、鑿削或擠壓，表面硬化，耐磨性能提高，而內部仍然保持原有的硬度和韌性。因此，被廣泛用于受沖擊負荷較大的耐磨部件上。
    然而，隨著工業的發展，普通高錳鋼已經不適用某些特殊工況條件的要求，需進一步提高耐磨性能．延長鑄件的使用壽命。例如，我廠的鉻鐵、鎢鐵、鉬鐵等鐵合金產品原來用普通高錳鋼顎板的破碎機破碎成各種粒度，這些鐵合金產品硬度很高，洛氏硬度達到HRC60左右，遠遠大于顎板本體的硬度，故難于抵抗高硬度鐵合金對顎板的沖擊、鑿削和磨損，顎板消耗量大，更換比較頻繁。據調查，破碎高碳鉻鐵的顎板有時1~2天就要更換1塊。因此，改進顎板材料，提高其使用壽命，降低生產成本，是勢在必行的研究課題。
    1993年開始，我廠開展了Mn13Cr2VMoRE新型鄂板的試驗研究，試制了3批顎板，并進行現場裝機試驗，用來破碎高碳鉻鐵。通過運行試驗，證明這種新型顎板具有較好的耐磨性和強韌性，顎板壽命成倍提高，取得了預想的試驗效果。
2、試驗概況
2.1 化學成分
    目前，國內外許多研究者通過向奧氏體錳鋼中加入各種微量合金元素、變質處理以及改進熱處理制度等途徑，以提高鑄件的強韌性、耐磨性、加工硬化能力。我們在查閱有關資料的基礎上，結合幾年來對耐磨鋼的研究實踐，首先選擇Cr.V、Mo、RE（稀土）等元素作為研究對象，Cr、V都是強碳化物形成元素，它們對增加碳化物數量以及時效處理后析出彌散第二相硬質點十分有利。考慮到Cr含量超過2.5%會使韌性下降，所以將Cr含量選擇在1.5%~2.5%范圍，且控制在中限。V控制在0. 2%~0.6%，雖然加入量增加對耐磨性有利，但會增加顎板成本。Mo在鋼中大部分形成碳化物，部分溶于奧氏體中，提高奧氏體強度，增加合金碳化物數量，但鉬鐵較貴，因此，Mo的含量設計在0.2%~0.3%范圍。稀土元素可以有效地改變碳化物形狀且與Cr、V、Mo元素還能起到細化晶粒的作用，因此添加0. 1%~0. 2%。為了有較多的合金碳化物形成，將C定在1. 2%~1.4%(一般高錳鋼含C 0.9%~1.3%)。Mn.Si按正常成分加入。為了與普通高錳鋼以示區別，我們將改進后的新型材質內定牌號為Mn13Cr2VMoRE。表1列出了設計成分及試驗顎板化驗分析結果。
2.2  冶煉操作
    熔煉設備為0.5 t三相電弧爐，每爐裝料量800 kg，爐料配比大部分按設計成分中、上限配算。
    裝料順序：先加生鐵、廢鋼，鉬鐵隨爐料一起加入。鋼水熔清后于還原期加入鉻鐵，還原后期渣子發白時加入錳鐵。釩鐵容易氧化燒損，因此在出鋼前5~ 10分鐘加進鋼水內。稀土金屬在出鋼時加入鋼包內沖熔。
    C、Si、Mn出鋼前10~15分鐘爐前取樣化驗以便調整成分，Cr.V、Mo. RE爐前不能分析，成分不能及時調整，只能取成品樣經化驗后再調整下一爐的配料比。造還原渣加硅鐵粉和焦炭粉，出鋼前扒掉擴散脫氧的還原渣插入鋁進行終脫氧，然后出爐。出鋼溫度為1 550—1 600℃，澆鑄溫度控制在1 450℃左右。為了降溫和夾雜物上浮，出鋼后鎮靜幾分鐘，扒掉包內浮渣再進行澆鑄。
    每爐鋼水澆鑄2塊顎板，凈重530 kg左右。
    從表1的化驗結果看，C、Si、Mn. Cr.V等元素基本在設計成分之內，Mo稍高一些，唯有RE超出上限較多，其原因有二，一是RE回收率按30%計算，計算的回收率偏低，加入量相應增加。二是稀土金屬難破碎，有時整塊加入，也會超標。
2.3  造型工藝
    本試驗與生產普通高錳鋼顎板的造型工藝有所不同，主要做以下幾點改進：
2.3.1  改水平澆鑄為立式澆鑄，立式澆鑄能夠增加鑄件密度，有利于夾雜物的上浮，鑄件強度增加，工作面無夾渣，表面光滑。
2.3.2  立式澆鑄的主水口上下貫通，鋼水不直接進入型腔內，而是通過立式水口開的三個橫的水平澆口自下而上逐漸進入型腔。這樣可以減小對型腔型砂的沖刷。采取的這些措施，也增加了水冒口的重量，因此水冒口約占鋼水重量的30%。
2.3.3  造型材料先用石英砂試驗2爐，雖然鑄件表面光潔度比較好，但因鑄件部分表面有粘附物，經分析其主要成分為Mno  S102，熔點1270℃，造成清砂困難。后改用水玻璃、C02、石灰石自硬砂（簡稱七O砂）。背砂顆粒較粗，利于透氣；面砂顆粒較細，保證了鑄件表面光滑。
2.4  熱處理制度
熱處理分水韌處理及時效硬化，前者使用井式電阻爐，發熱體為鐵鉻鋁絲，后者使用鎳鉻絲發熱體，升控溫均為熱電偶監測、手動控制。熱處理曲線如圖1、圖2所示。
2.5  裝機試驗
    裝機試驗是在400×600 mm顎式破碎機上進行的，破碎高碳鉻鐵。因鉻系合金硬而難碎，顎板磨損較快，如果使用效果好，破碎其他產品也會取得突破；另外，由于顎板磨損快，更換周期短，便于觀察使用效果。
    裝機試驗從1993年1 1月開始到1994年2月結束，歷時4個月。Mnl3Cr2VMoRE新型耐磨顎板連續3次裝機試驗，均取得比較理想的使用效果。為了進行對比，新型顎板試驗之前在同一破碎機上做了普通顎板使用測試。試驗過程中對使用時間、破碎量、板體使用前后的重量做了記錄，并計算出噸鐵的板體消耗。其試驗結果見表2。
    從裝機試驗結果可以看出，普通高錳鋼顎板使用壽命為6天，破碎高碳鉻鐵98噸，顎板磨損量6.5 kg，噸鐵磨耗0.066 kg/t。
    Mn13CrzVMoRE新型耐磨顎板三次裝機試驗平均使用天數25天，平均破碎高碳鉻鐵347噸，顎板平均磨損量6.6 kg，噸鐵磨耗0.019 kg/t。
    試驗數據表明，新型耐磨顎板在時間上比普通顎板使用壽命延長了3倍；在噸鐵消耗上，新型耐磨顎板則下降到三分之一以下，磨耗的下降與壽命延長基本相符合。
3、分析討論
3.1  關于熱處理制度
    試驗顎板除C、Mn. Si外，加入2.0% Cr.0. 4%V、0.3% Mo，還有0.3%左右的稀土元素，這些元素的加入對顯微組織，各種物相的形成和轉變溫度產生一定影響，常規水韌處理制度已經不適用。為此，在實驗室內對試驗樣品進行條件試驗，摸索升溫速度、保溫時間、水韌溫度等工藝參數，觀察顯微組織變化規律，測試硬度數據，然后計算并放大成適合顎板整體水韌處理制度，見圖1所示。從圖1看出，新材質水韌處理曲線有如下特點：
3.1.1  熱處理時間從普通高錳鋼12小時增加到18小時。
3.1.2  考慮到加入的合金元素多，導熱性能差，限制升溫速度，低溫60~ 70℃/h.高溫100℃/h。
3.1.3  為了使鑄件均溫，防止升溫裂紋產生，增加350℃、650℃兩個保溫臺階。
3.1.4  水韌溫度控制在上限，并有足夠的保溫時間，以便碳化物充分溶于奧氏體中，水韌后得到單一奧氏體組織。
    圖3、圖4為水韌處理前后金相組織。圖片證明鑄態時的碳化物經過合適的水韌處理，基本固溶在奧氏體中，成為單一的奧氏體組織。
    試驗顎板水韌處理后，增加了時效硬化熱處理工藝，見圖2。目的是使合金碳化物從奧氏體中析出且彌散分布。試驗時樣品升溫、保溫8小時，出爐空冷，而生產現場時效保溫后則隨爐冷卻，這樣時效時間可達14小時。
3.2  金相組織與布氏硬度
    Mn13Cr2VMoRE顎板各種狀態下的金相組織，布氏硬度列于表3、表4。
    圖3、圖4、圖5分別為試驗材質鑄態、水韌、時效硬化后的金相圖片。圖6是合金碳化物電鏡形貌。對該區域進行電鏡的面掃描，證實碳化物內有Mn. Cr.V的存在，見圖7、圖8、圖9，Cr.V碳化物周圍富集Mn。圖片中不難發現，V形成碳化物的能力和富集程度比Cr要強一些，適當提高含V量，有助于鑄件硬度的增加。
從上述圖表看出，普通高Mn鋼鑄態碳化物以條、針狀存在且分布在晶界附近，而新材質鑄件中的碳化物多呈塊、粒狀，分布比較均勻，硬度為HB241，高于普通錳鋼(HB229)，其強韌性也遠高于普通錳鋼，從新材質鑄件水冒口砸斷的困難程度也證實了這一點。水韌處理后基本為單一奧氏體組織，偶有碳化物存在。此時新老材質硬度雖然都有所下降，但新材質硬度仍高于普通高錳鋼。時效硬化后，析出的細小碳化物硬質點彌散分布于奧氏體內，硬度提高到HB255，如圖5、表4所示，達到了時效強化的目的。水韌加時效之所以能提高鑄件硬度和強度，是因為水韌處理時冷卻速度很快，水韌后的奧氏體為過飽和的非平衡組織，經過時效處理，過飽和的Cr.V、Mo.C等以C的化合物形式彌散析出，因此，硬度明顯增加。
3.3  合金碳化物對晶粒度的影響
    在奧氏體錳鋼中加入Cr、V、Mo元素后使晶粒得到細化，晶粒度從普通高錳鋼2~3級提高到5級左右，見圖5所示。
    V、Cr. Mo之所以細化晶粒，原因在于V、Cr.Mo都是碳化物形成元素，尤其是Cr.V與C的親和性較強，這些合金碳化物熔點較高，在鋼水凝固之前，液態下即可結晶析出，起到非自發晶核的作用，使單位體積內晶粒數目顯著增加，晶粒得到細化。
    一般情況下，顎板（400×600 mm破碎機用）這樣的厚大鑄件，晶粒度在2級左右，加入Cr、V、Mo的新材質顎板晶粒度達到5級，提高幅度較大。
3.4Cr、V、Mo對加工硬化的影響
    據有關資料介紹，普通高錳鋼加工硬化后，硬化層的硬度HB450~ 500，加入Cr.V、Mo的新材質顎板使用后，從本體取下樣品，經測定，硬化層厚度3 mm（不算過渡層）左右，硬度HB540~560，表面有鑿削溝痕以及層片狀剝落殘跡等。Cr.V、Mo等元素加入，使加工硬化能力提高可以認為有三個方面的原因：
3.4.1Cr.V、Mo.RE能夠細化晶粒，因為晶界會阻礙位錯運動，晶界越多對位錯的阻礙越嚴重。
3.4.2  時效硬化沉淀出的彌散合金碳化物對位錯運動產生阻礙作用，加工硬化能力提高。
3.4.3  由于加入Cr.V、M0、稀土后形了細小彌散分布的硬質點及少量塊狀碳化物，從而提高了鑄件在加工硬化層未形成之前的初始硬度，這對鑄件的抗沖擊磨損作用是十分重要的。
4、經濟效益
    1993年試驗時期，當時普通高錳鋼顎板廠內價格5 112元／噸，全廠每年顎板用量50噸。
    新材質Mn13CrzVMoRE耐磨顎板每噸增加鐵合金費用1 346元／噸，每噸增加熱處理費用294元／噸，則新型耐磨顎板實際價格為6 752元／噸。
    由于新型耐磨顎板比普通高錳鋼顎板使用壽命延長3倍，則每年少消耗三分之二用量的顎板鑄件，即節省顎板鑄件約33.3噸，實際用量則為16.7噸。每年節約效益約14萬元。
    Mn13Cr2VMoRE新型耐磨顎板自1994年試驗成功之后，在我廠得到了普遍推廣應用，取得明顯的經濟效益，到目前為止，累計增加效益己達70多萬元。
5、結  論
5.1  試驗證明，在奧氏體錳鋼中加入2.0% Cr.0. 4%V、0.3% Mo既保持普通高錳鋼耐沖擊的特點，又增加里碳化物數量，細化了晶粒，提高了鑄件的強度，耐磨性及抗沖擊硬化能力。
5.2  加入少量稀土金屬，能有效地改變碳化物形狀和分布，即使水韌處理后，奧氏體內有少量未溶或析出的碳化物，也仍然以塊狀或粒狀的形態存在，提高了鑄件的強度和韌性。
5.3  根據新材質特點制定出的水韌、時效硬化熱處理工藝改變了以往單一水韌處理模式，增加350℃/2h、650℃ /2h保溫臺階防止了鑄件升溫脆性，保證了熱處理質量。時效硬化8小時，沉淀析出的彌散硬質點，可以使鑄件樣品的硬度達到HB255。
5.4  鑄件采用立式澆鑄以及鋼水通過三個水平澆口自下而上逐步進入型腔，可以使型腔內鋼水溫度均勻，有利于夾雜物的上浮，板體表面光滑無夾雜，同時，增加了鑄件的密度，提高了顎板的強度。
5.5Mn13Cr2VMoRE新型耐磨顎板替代Mn13普通顎板破碎高硬度的鐵合金產品，不但使用壽命明顯提高，經濟效益十分顯著；而且極大地減輕了機械工人的勞動強度，使鐵合金加工破碎的出口計劃得到保證。
    這種新型耐磨材料，如果在全國其他行業推廣應用，將會取得更大的經濟效益和社會效益。