提高破碎机高锰钢破碎齿性能的措施

孙 伟，宁玲艳

（三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027）

高锰钢因其高的耐磨性广泛应用在矿山机械、冶金等领域，但随着现代工艺的发展，这些领域产生了很多要求更高耐磨性的采矿、破碎、挖掘设备等，传统的热处理工艺已经不能满足使用要求。

高锰钢使用前易产生热裂，使用过程中会出现脆断、崩裂及使用寿命短等缺点。针对这些问题，从高锰钢敏感合金元素、水韧处理工艺及表面强化处理几方面分别进行分析，以探讨提高高锰钢破碎齿性能的措施。

1 高锰钢中敏感合金元素的作用

1.1 C和Mn的影响

在高锰钢中碳对耐磨性的影响最为显著，随碳含量增加，高锰钢的相对耐磨性是增加的；锰的提高则有利于提高钢的冲击韧性。如果C含量保持在1.1%～1.5%，保证有最高的冲击韧性，将Mn提高到18%左右时，可使钢达到最好的耐磨性[1]。一并考虑Mn与C值对冲击韧性的影响，可提高钢的韧性和减少碳化物的析出倾向，可用来制作超大截面的耐磨件，并可在低温下使用[2，3]。

1.2 B的影响

高锰钢中加入微量B能显著提高钢的淬透性，每加入质量分数为0.001%的B在提高淬透性方面所起的作用相当于 Mn0.85%、Ni2.4%、Cr0.45%、Mo0.35%，同时能显著提高力学性能，特别是冲击韧性[4]。

随B含量的增加，冲击韧性先增加后降低，以0.003%左右的含B量冲击韧性最佳。这是由于钢中硼的含量＜0.0050%时有细化组织的作用，数量过多时反而使晶粒粗化。钢中硼含量较高时，由于硼的分布不均匀，局部区域硼富集，能够形成含硼的共晶，其中有硼化铁（Fe2B）、碳化物和奥氏体相，这些共晶很脆，严重恶化钢的性能。而且硼是表面活性元素，富集于奥氏体晶界处，主要存在于晶体缺陷处；正是由于硼在晶界富集，所以硼含量高时，钢的冲击韧性明显降低[4]。

1.3 Cr的影响

Cr是碳化物形成元素，能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，促使铸态晶粒形状较规则，使整个截面晶粒较均匀，同时改善碳化物形状。晶粒愈细，晶界愈多，阻止位错滑移作用愈大，可阻止显微裂纹扩展，迫使裂纹改变方向，消耗裂纹大量能量，提高屈服强度、断裂韧性和耐磨性[8]。当Cr含量在2%左右时耐磨性提高很大，当Cr含量增加到3%时，耐磨性提高20%～30%，k值下降不大，但继续增加Cr含量，耐磨性增加就不明显，而 k值下降很多，因此加入的Cr量应不超过3%[3]。

1.4 Ti的影响

Ti能细化铸态组织，防止热处理时发生开裂现象，形成的TiC组织能消除铸件中的柱状晶组织，使钢的强度、硬度、塑性提高15%～20%，显著提高材料的加工硬化性能，同时也大大改善了钢的耐低温性能。但钛的夹杂物呈多角形，有尖锐的棱角，在反复载荷作用下，出现应力集中成为裂纹源，故Ti不能过多加入[5]，根据经验Ti含量一般控制在0.1%～0.15%。

1.5 RE的影响

用稀土对高锰钢进行变质处理，可以细化晶粒，改善碳化物和非金属夹杂的形态及分布，有利于提高高锰钢铸件的韧性；加入稀土还可提高钢液流动性，减小钢件热裂和冷裂倾向[6]，提高使用硬化能力，但稀土加入量必须控制，否则适得其反，一般稀土加入量控制在0.03%～0.05%。

1.6 有害元素P、Si的控制

Si含量高会降低碳在奥氏体中的溶解度，碳化物在晶界上析出增多，水韧处理后，在晶界上留下较大的显微疏松。但为了能较完全地清除钢中的夹杂物，含硅量不能低于0.3%。一般认为高锰钢的含硅量控制在0.4%～0.6%时最佳，致密性最好，钢具有最好的耐磨性，超过这个范围后耐磨性降低[3]。

磷在钢中的溶解度很小，常以Fe2P、Fe3P和Mn2P的形式存在于晶界上，使高猛钢的强度、韧性和耐磨性大大降低，碳含量高加剧磷以共晶体形式析出在晶界上。为保证性能，高锰钢的碳磷量应遵循如下数学关系：C%=1.27%～2.7*P%。据测定：影响高锰钢性能的最大因素是碳磷，而磷对高锰钢性能的破坏能力是碳的五倍。P含量一般控制在0.006%以下。

2 水韧处理工艺

由于高锰钢的导热性能差，线膨胀系数又大，虽然铸件在低温加热过程中无相变应力发生，但它加热到300℃以上后，会出现晶内和晶界上脆性碳化物增多的现象；有时会发生少量珠光体转变。这对壁厚≥80mm又不均匀的大型铸件，入炉温度应≤300℃；对壁厚≤25mm的均匀小件，入炉温度可≥500℃。

升温速度要按铸件复杂程度、壁厚大小和含碳量高低来确定。铸件外形尺寸较小，结构简单，壁厚均匀且较薄，可采用快速升温工艺；与此相反的铸件采用慢速升温工艺。为此，可采用50～60（℃/h）的加热速度。

一般的高锰钢水韧温度为1000℃，但对含Cr大于2.5%的含硼高锰钢水韧处理温度要高于1110℃才可能形成单一的奥氏体组织，另外由于超高锰钢加入了合金元素Cr和Mo，其水淬温度较一般高锰钢将提高30℃～50℃[1]，所以将水韧温度定位在1110℃～1130℃。高温加热后必须快速冷却，以免在冷却过程中析出碳化物，否则将导致钢的韧性和耐磨性降低。保温时间可取 2.5～3（min/mm）[7，8]。

淬火时要严格规定从炉门开启到铸件下水的时间不能超过30s，并且要想碳化物不重新析出，铸件必须快速冷却，铸件入水时的水温和水量是达到快速冷却的充要条件，入水时水温要≤30℃，并采用循环水冷却，并作上下左右运动，确保均匀快速冷却，出水后水温要≤45℃。要满足后一个指标，每吨铸件要有8 t～10t水量才行，水池要有鼓风装置或设有排出热水、注进冷水的水池，选8 t水/t铸件，否则为10t水/t铸件。

对于厚度大于80mm的高锰钢件水韧后，心部冷速慢，析出了针状碳化物，使性能下降。为了减少高温下碳化物固溶的困难，降低能耗及缩短生产周期，对80mm～100mm厚度的简单铸件，可采用200℃入炉，以 70～80（℃/h）速度升温，不进行 650℃保温的水韧工艺。

3 表面强化处理

利用表面强化技术，对高锰钢产品进行预硬化处理，提高其原始硬度，减少产品初期磨损，也是相对提高产品耐磨性的好办法[9]。

3.1 表面脱碳技术

利用形变马氏体机制，可以通过降低高锰钢铸件表面含碳量来使其表面出现形变马氏体，曾有关于发现马氏体的报导，可能是高锰钢在空气炉中高温加热，造成表面碳、锰降低，或是加热不足，局部贫碳，促使形变马氏体出现。根据这个机理，现在已有将高锰钢进行表面控制脱碳，使得在水韧处理后产生马氏体，用以强化高锰钢，提高耐磨性的报导。Mn13高锰钢在热处理时表面脱碳到0.6%以下时，水韧处理后，脱碳层会形成马氏体，从而提高铸件表面质量。可用的表面脱碳技术有：

1）还原性气氛下加热，通过H2与表面基体的化学反应实现表面脱碳。

2）Ar离子轰击法：在渗金属炉中通过离子轰击，高锰钢表面的碳原子能够被轰击出去。工作气体为工业纯Ar。

3.2 表面合金化

1）采用镶铸工艺，通过在铸型表面刷含合金涂料，撒锰铁粉或是贴上合金铸铁片的方法，使钢水浇入后熔化并熔接这些材料，大幅度提高了铸件表面性能[10]。

2）采用含Cr焊条在高锰钢上进行堆焊，以提高耐磨性，一般铬锰钢堆焊焊条堆焊硬度为HRC31左右，一般铬钼钢堆焊焊条堆焊硬度可达≥HRC40，铬锰硅钢堆焊焊条堆焊硬度可达≥HRC50。

3.3 喷丸处理

通过喷丸强化在高锰钢铸件表面形成一层微细晶粒，以提高其表面初始硬度，并且还提高零件的疲劳强度或防止应力腐蚀破坏。

3.4 爆炸硬化

爆炸硬化就是用炸药爆炸的方法，对高锰钢零件进行表面预硬化处理的一种有效方法，目前只应用在高锰钢铸件方面，例如铁道上的辄叉、挖掘机的斗齿以及颚式破碎机的牙板等等，用来增加零件工作表面的硬度，提高耐磨性[11]。

爆炸硬化强化高锰钢铸件表面是利用爆炸极短时间内产生3×107 KPa高压使高锰钢表面形成40mm～50mm硬化层，硬化层硬度达到HB300～HB500，表层屈服强度可提高2倍，耐磨性提高50%。

对于以上所列表面脱碳技术可操作性差，含铬焊条堆焊技术不仅成本高，而且对于高锰钢来说堆焊浪费了高锰钢的奥氏体可加工硬化性，可采用表面强化处理技术、喷丸强化或爆炸硬化的方法来强化表面。喷丸强化比较成熟，这里不作详细说明；爆炸硬化是目前世界上最先进的高锰钢表面硬化技术，并且是专用于高锰钢的，国内已于2010年5月引进。

4 结语

针对破碎机上高锰钢破碎齿易产生的三类缺陷，从敏感合金元素、水韧处理工艺及表面强化处理三个方面讨论了改善高锰钢破碎齿性能的措施，得到了最佳性能高锰钢铸件元素百分含量，确定了优良的水韧处理工艺，总结并比较了高锰钢材料的各种表面强化处理方法。

［1］闫华，谢敬佩，王文焱，等.超高锰钢热处理工艺优化及力学性能的提高［J］.铸造，2006（55）：1068-1069.

［2］李萍，李星月.高锰钢铸件生产中常见问题与对策［J］.铸造设备研究，2002（4）：33-34.

［3］梁建平，乔林锁，周旨峰.稀土复合变质对超高锰钢组织的影响［J］.包钢科技，2004（1）：15-17.

［4］何奖爱，李书琴，辛启斌，等.硼含量对超高锰钢组织和性能的影响［J］.铸造，2008（2）：134-136.

［5］杜其新，邵宏飞，黄永浩.延长高锰钢铸件使用寿命的途径［J］.铸造技术，2003（5）：444-445.

［6］黄四亮.稀土、钒、钛复合变质超高锰耐磨铸钢试验研究［J］.矿山机械，2001（2）：51-53.

［7］李承荣，李伟，丁仕荫.破碎机齿板热处理工艺总结［J］.铸锻热——热处理实践，1996（2）：37-38.

［8］王荣滨，海燕.高锰钢破碎机齿板淬裂分析与强韧化处理［J］.金属热处理，2002（27）：55-56.

［9］曲广播.新型矿山自动化环形车场的研制及应用［J］.矿山机械，2002（8）：40-42.

［10］杨芳，丁志敏.耐磨高锰钢的发展现状［J］.机车车辆工艺，2006（6）：6-8.

［11］郑哲敏，杨振声.爆炸加工（修订本）［M］.北京：国防工业出版社，1981.