优质改性高锰钢生产工艺中的新探索

    据中国钢铁新闻网2007年9月11日报道：近些年来，随国家矿冶工程的发展，用于矿石粗磨的颚式破碎机、中细磨的圆锥破碎机的颚板、球磨机衬板、粉碎机锤头等高锰钢件年耗量已达百万吨。这促使人们愈发重视在高锰钢生产新工艺上的探索，以期不断提高高锰钢铸件的质量。高锰钢生产新工艺其核心是将变质处理、孕育处理和微合金化技术三位一体。

    冶金处理技术

    冶金处理技术对优质高锰钢的改性作用受制于在处理过程中所应具备的相关的动力学条件，而温度和成分浓度的条件必然包括其中。实践证明，这两个条件对提高高锰钢使用寿命至关重要。高锰钢以冶炼温度1550～1580℃、处理温度1500～1520℃、浇注温度1400～1470℃为宜；对材料的成分设计在参考ＧＢ5680—1985和美国、德国、俄罗斯相关标准的同时，更应考虑高锰钢的不同使用工况条件。一般将其分为两类：一类是强调材料的高韧性，一类是强调材料的抗磨性。Ｍｎ含量愈高，奥氏体愈稳定，并由此造成的对材料基体固溶强化的程度也不一样。优质高锰钢生产新工艺的冶金处理技术包括以下几个方面。

    1 变质处理

    变质处理的作用主要是：改善碳化物形态；减少夹杂、净化钢液；细化晶粒；稳定合金元素。

    优质高锰钢采用Rｅ-Cａ-Tｉ-Aｌ复合变质剂对钢液实施分级复合变质。

    例如ZGMｎ13钢的分级变质工艺是出钢前向炉内加入0.06%～0.10%的钛铁和0.1%～0.2% 1#稀土硅铁合金，出钢前将0.08%～0.12% Sｉ20Ａｌ50Ｆｅ合金投入钢包，出钢时随流加入0.03%～0.05%的Sｉ-Cａ合金，转包时在包中加入0.3%～0.4% 1# 稀土硅铁合金或在瞬时随流浇注时加入0.04%～0.08%的Cｅ-ＲＥ。

    2 孕育处理

    孕育处理的作用主要是：改变、细化和稳定碳化物形态；细化晶粒；增强厚大铸件断面组织、性能的一致性。

    优质高锰钢采用Ｖ渣-Tｉ-Ｚｎ复合孕育剂对钢液实施分级复合孕育。

    如ＺＧＭｎ13钢的分级孕育工艺是出钢前向炉内加入1%～1.5%Ｖ渣，出钢前将0.006%～0.012%的Ｚｎ投入钢包，出钢时随流加入0.1%～0.15%钛铁。

    3 微合金化处理

    微合金化处理的作用主要是：提高材料起始硬度和加工硬化能力；固溶强化基体；细化晶粒；稳定碳化物形态。

    优质高锰钢采用Ｃｒ-Ｍｏ-Ｖ-Ｔｉ等作为微合金化添加元素，对大而厚壁的铸件，为提高其抗裂能力可酌加Ｎｂ元素。合金元素可在脱氧后炉内加入，亦可安排在炉前进行处理。优质高锰钢的微合金化元素的加入量为Ｃｒ：2.0%～2.5%；Ｍｏ：0.4%～0.6%；Ｎｂ一般为0.02%～0.04%。对此类经微合金化处理的铸件除应提高水韧处理温度外(达1080℃)，一定要进行回火处理，回火温度为250～350℃，由试验结果确定。由此形成的Ｃｒ-Ｃ配对原子簇增加了位错强度，从而能明显提高材料起始硬度和加工硬化能力。

    性能对比与机理分析

    1 性能对比高锰钢经过上述冶金处理后，各方面的状态性能均发生了较大的变化。主要表现于：

    1) 晶粒度由传统高锰钢的1～2级，提升到4级；
    2) 夹杂物不但数量上有较大的减少而且形态变为球粒状；
    3) 铸态组织避免和消除了网状碳化物；
    4) 大幅度提高了材料的力学性能和使用性能，如表1。

    表1　改性处理高锰钢对力学性能、耐磨性的影响

    2 机理分析

    在合适的温度，合适的钢液基本成分的条件下，变质处理、孕育处理、微合金化处理除充分发挥各自的冶金处理作用外，还彼此“互融”体现了三位一体、互为作用的效果。例如：

    1) 随着合金元素的溶入改变了碳在奥氏体中的扩散系数，在凝固过程连续冷却条件下，扩散速度减小就意味着碳的析出量的减少；
    2) 由良好的孕育效果形成的一定量的异质形核质点将导致奥氏体脱溶的碳原子和因钢液中浓度起伏出现的碳原子集团优先向其扩散，从而使碳化物转向以异质形核为主的结晶方式；
    3) 稀土等活性元素吸附在新生碳化物表面，使其难以连结成网状；
    4) 在凝固过程中由于溶质元素再分配使添加的各种合金元素富集在奥氏体结晶前沿的液体中，提高了奥氏体的形核率，使奥氏体基体细化；
    5) 经过变质处理，微合金化和孕育处理后，增大了钢液过冷倾向，使冷却速度对结晶过冷度的影响减弱，从而表现为厚大铸件断面的组织、性能趋以一致。

    变质处理、孕育处理和微合金化的共同作用细化了晶粒，消除了碳化物的网状析出，减少了夹杂数量、改变了夹杂形态、净化了晶界、净化了钢液，增大了处理效果的稳定性，延长了“衰退”时间，为获得良好的水韧处理效果提供了有利的铸态组织和性能的保证。

    结语

    分级复合变质处理，复合孕育处理和微合金化处理为优质高锰钢的生产提供了简便稳定的技术支持。建立动力学条件的冶金处理过程局部和整体效果影响的理念，不论是运用该工艺，还是不断完善它都是必要的。