釩鈦微合金化對鑄態中錳鋼組織和性能的影響

吳海平

（安徽省機械科學研究所，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。高錳鋼是借助強烈沖擊下產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的方向之一。

本研究在保證鑄態中錳鋼基本組分的基礎上，通過釩鈦微合金化，以改善鑄態中錳鋼的組織和性能，實現非強烈沖擊載荷工況條件中錳鋼的耐磨性。

1 試驗內容及方法

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調整成分，稀土加硅鈣合金變質處理，釩鐵、鈦鐵進行微合金化試驗；采用中頻感應爐電爐不氧化法煉鋼工藝熔煉鋼水，用快速熱電偶測溫，當鋼液達到1600℃時出鋼，采用沖入法進行變質處理，在1450℃～1470℃進行澆注。

1.2 性能檢測

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

1.3 釩鈦微合金化試驗方案

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

2 試驗結果與分析

2.1 微量V和Ti對中錳鋼鑄態組織的影響

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

釩加入鋼中，多數溶入奧氏體，小部分以碳化物的形式存在；而鈦是強碳化物形成元素。釩和鈦均有細化晶粒，限制鑄態枝晶生長、擴大等軸晶區等作用，并有利于碳化物進一步球化[2]。

試驗表明，控制C、Si、Mn含量在基本組分內，V、Ti各與質量分數為0.8%稀土合金+0.2%硅鈣合金變質劑的復合加入處理，顯著改善中錳鋼的鑄態組織，未經處理的鑄態組織為奧氏體基體上分布著針網狀碳化物，如圖1，經處理鑄態組織為奧氏體基體上分布著團球狀碳化物，且分布均勻，如圖2。

圖1 未經處理中錳鋼鑄態組織×120

圖2 經處理中錳鋼鑄態組織×120

2.2 微量V和Ti對鑄態中錳鋼機械性能的影響

微量V、Ti分別與稀土和硅鈣合金的復合加入處理后，對鑄態中錳鋼進行硬度和沖擊試驗，結果見表1。

表1 微量V、Ti與鑄態中錳鋼機械性能

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 0.15%，Ak（J）值最高；當V或Ti的加入量超過0.2%時，會引起鑄態中錳鋼韌性的明顯降低。

2.3 V和Ti對鑄態中錳鋼沖擊磨損性能的影響

采取在MLD-10沖擊試驗機上進行高錳鋼與鑄態中錳鋼的比對沖擊試驗，分別選取0.5 J、1.0J、1.5 J、1.8 J的沖擊功，測量經試驗后的相對耐磨性。

相對耐磨性=沖擊磨損時間/試驗前后的試樣重量差。

沖擊磨損試驗的結果見表2。

表2 沖擊磨損試驗結果

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

3 應用情況

表3 兩種板的磨損量

4 結論

1）經添加質量分數為 0.1%～0.2%的 V或0.15%的Ti與稀土和硅鈣合金的復合處理后的鑄態中錳鋼，實現鑄態碳化物的分布團球化，并細化晶粒，改善鑄態組織。

2）微量V或Ti與稀土和硅鈣合金的復合加入處理后鑄態中錳鋼，在中低沖擊載荷下耐磨性能優于高錳鋼，且可不經水韌處理而鑄態使用，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濟和社會效益。

［1］王明勝.奧氏體中錳鋼成分設計［J］.機械工程材料，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.