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近些年來，隨國家礦冶工程的發(fā)展，用于礦石粗磨的顎式破碎機、中細磨的圓錐破碎機的顎板、球磨機襯板、粉碎機錘頭等高錳鋼件年耗量已達百萬噸。這促使人們愈發(fā)重視在高錳鋼生產新工藝上的探索，以期不斷提高高錳鋼鑄件的質量。高錳鋼生產新工藝其核心是將變質處理、孕育處理和微合金化技術三位一體。
冶金處理技術
冶金處理技術對優(yōu)質高錳鋼的改性作用受制于在處理過程中所應具備的相關的動力學條件，而溫度和成分濃度的條件必然包括其中。實踐證明，這兩個條件對提高高錳鋼使用壽命至關重要。高錳鋼以冶煉溫度1550～1580℃、處理溫度1500～1520℃、澆注溫度1400～1470℃為宜；對材料的成分設計在參考ＧＢ5680—1985和美國、德國、俄羅斯相關標準的同時，更應考慮高錳鋼的不同使用工況條件。一般將其分為兩類：一類是強調材料的高韌性，一類是強調材料的抗磨性。Ｍｎ含量愈高，奧氏體愈穩(wěn)定，并由此造成的對材料基體固溶強化的程度也不一樣。優(yōu)質高錳鋼生產新工藝的冶金處理技術包括以下幾個方面。
1 變質處理
變質處理的作用主要是：改善碳化物形態(tài)；減少夾雜、凈化鋼液；細化晶粒；穩(wěn)定合金元素。
優(yōu)質高錳鋼采用Rｅ-Cａ-Tｉ-Aｌ復合變質劑對鋼液實施分級復合變質。
例如ZGMｎ13鋼的分級變質工藝是出鋼前向爐內加入0.06％～0.10％的鈦鐵和0.1％～0.2％ 1#稀土硅鐵合金，出鋼前將0.08％～0.12％ Sｉ20Ａｌ50Ｆｅ合金投入鋼包，出鋼時隨流加入0.03％～0.05％的Sｉ-Cａ合金，轉包時在包中加入0.3％～0.4％ 1# 稀土硅鐵合金或在瞬時隨流澆注時加入0.04％～0.08％的Cｅ-ＲＥ。
2 孕育處理
孕育處理的作用主要是：改變、細化和穩(wěn)定碳化物形態(tài)；細化晶粒；增強厚大鑄件斷面組織、性能的一致性。
優(yōu)質高錳鋼采用Ｖ渣-Tｉ-Ｚｎ復合孕育劑對鋼液實施分級復合孕育。
如ＺＧＭｎ13鋼的分級孕育工藝是出鋼前向爐內加入1％～1.5％Ｖ渣，出鋼前將0.006％～0.012％的Ｚｎ投入鋼包，出鋼時隨流加入0.1％～0.15％鈦鐵。
3 微合金化處理
微合金化處理的作用主要是：提高材料起始硬度和加工硬化能力；固溶強化基體；細化晶粒；穩(wěn)定碳化物形態(tài)。
優(yōu)質高錳鋼采用Ｃｒ-Ｍｏ-Ｖ-Ｔｉ等作為微合金化添加元素，對大而厚壁的鑄件，為提高其抗裂能力可酌加Ｎｂ元素。合金元素可在脫氧后爐內加入，亦可安排在爐前進行處理。優(yōu)質高錳鋼的微合金化元素的加入量為Ｃｒ：2.0％～2.5％；Ｍｏ：0.4％～0.6％；Ｎｂ一般為0.02％～0.04％。對此類經微合金化處理的鑄件除應提高水韌處理溫度外(達1080℃)，一定要進行回火處理，回火溫度為250～350℃，由試驗結果確定。由此形成的Ｃｒ-Ｃ配對原子簇增加了位錯強度，從而能明顯提高材料起始硬度和加工硬化能力。
性能對比與機理分析
1 性能對比高錳鋼經過上述冶金處理后，各方面的狀態(tài)性能均發(fā)生了較大的變化。主要表現(xiàn)于：
1) 晶粒度由傳統(tǒng)高錳鋼的1～2級，提升到4級；
2) 夾雜物不但數(shù)量上有較大的減少而且形態(tài)變?yōu)榍蛄睿?
3) 鑄態(tài)組織避免和消除了網狀碳化物；
4) 大幅度提高了材料的力學性能和使用性能，如表1。
表1改性處理高錳鋼對力學性能、耐磨性的影響
| 牌號 |
σｂ/ＭＰａ |
δ(％) |
αＫ/(Ｊ/ｃｍ2) |
ＨＢＳ |
相對耐磨系數(shù)β |
ＺＧＭｎ13
改性高錳鋼 |
608
916 |
13
34 |
112
187 |
210
224 |
1
2.64 |
2 機理分析
在合適的溫度，合適的鋼液基本成分的條件下，變質處理、孕育處理、微合金化處理除充分發(fā)揮各自的冶金處理作用外，還彼此“互融”體現(xiàn)了三位一體、互為作用的效果。例如：
1) 隨著合金元素的溶入改變了碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，在凝固過程連續(xù)冷卻條件下，擴散速度減小就意味著碳的析出量的減少；
2) 由良好的孕育效果形成的一定量的異質形核質點將導致奧氏體脫溶的碳原子和因鋼液中濃度起伏出現(xiàn)的碳原子集團優(yōu)先向其擴散，從而使碳化物轉向以異質形核為主的結晶方式；
3) 稀土等活性元素吸附在新生碳化物表面，使其難以連結成網狀；
4) 在凝固過程中由于溶質元素再分配使添加的各種合金元素富集在奧氏體結晶前沿的液體中，提高了奧氏體的形核率，使奧氏體基體細化；
5) 經過變質處理，微合金化和孕育處理后，增大了鋼液過冷傾向，使冷卻速度對結晶過冷度的影響減弱，從而表現(xiàn)為厚大鑄件斷面的組織、性能趨以一致。
變質處理、孕育處理和微合金化的共同作用細化了晶粒，消除了碳化物的網狀析出，減少了夾雜數(shù)量、改變了夾雜形態(tài)、凈化了晶界、凈化了鋼液，增大了處理效果的穩(wěn)定性，延長了“衰退”時間，為獲得良好的水韌處理效果提供了有利的鑄態(tài)組織和性能的保證。
結語
分級復合變質處理，復合孕育處理和微合金化處理為優(yōu)質高錳鋼的生產提供了簡便穩(wěn)定的技術支持。建立動力學條件的冶金處理過程局部和整體效果影響的理念，不論是運用該工藝，還是不斷完善它都是必要的
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