铬铁合金在高锰钢铸件中的应用

高锰钢因具有良好的耐磨性和冲击韧性，在矿山机械中得到了广泛地应用。但在现场应用过程中，常常会出现有些铸件耐磨性差，使用寿命短，甚至发生断裂等不良现象。以球磨机衬板为例，刚开始使用时比较耐磨，但当磨去三分之一厚度时开始急剧磨损，严重地影响了衬板的使用寿命，尤其是厚大的衬板更为严重。通过对高锰钢熔炼工艺、铸造工艺和热处理工艺等方面的全面分析与研究，发现厚大铸件断面的表层是组织细密、晶粒细小的奥氏体组织，而心部却是晶粒较粗大的珠光体组织，并且从外表到心部奥氏体量逐渐减少，珠光体量逐渐增加。所以影响高锰钢耐磨性的根本原因，是铸件淬火时没有淬透，心部仍是铸态组织，没有发生金属相变。因此，保证厚大高锰钢铸件的淬透性是提高其耐磨性和冲击韧性的有效途径^[1]。

2 高锰钢耐磨机理

2.1 高锰钢主要化学成分及其作用分析

   高锰钢的机械性能是由金相组织决定的，而金相组织是由其化学成分和热处理方法所决定的。它的主要化学成分为：碳0.9%～1.4%，锰9%～14%，硅0.4%～0.7%。主要元素在高锰钢中的作用如下。

   （1）碳（c）：它是在冲击、摩擦的载荷作用下，表面形成马氏体的主要成分，其含量过低就无法形成马氏体，因而失去耐磨性；含量过高，在基体中将出现大量的碳化物析出，形成脆硬相，也失去了良好的冲击韧性。

   （2）锰（mn）：它是形成奥氏体的有效成分，因为它能扩大奥氏体区，降低奥氏体向珠光体转变的临界温度，从而在快速冷却的条件下，形成单一的奥氏体组织。

   （3）硅（si）：其主要作用是强化基体，细化晶粒。防止在载荷作用下晶格滑移产生变形。例如：球磨机格子板，若硅含量低将会产生堵塞排矿孔现象。同时它能够促进碳化物析出，影响韧性，所以硅含量不宜过高。

由此可见，碳、锰元素在高锰钢中至关重要，锰元素是获得韧性的主要元素，碳元素是获得耐磨性的主要元素^[2]。

2.2 高锰钢耐磨机理

高锰钢的韧性和耐磨性是由其金相组织所决定的。由于它的金相组织是单一的奥氏体，所以才具有很高的韧性，能够承受较高的冲击载荷；而它的耐磨性则是由于在冲击、摩擦的过程中其表面形成了一层马氏体组织，具有很高的硬度，表现出了良好的耐磨性^[3]。

3 高锰钢铸件常见的损坏形式及原因分析

高锰钢铸件在使用过程中，主要有2种损坏形式：一是不耐磨，使用寿命短；二是断裂。这2种损坏情况主要有以下原因：①化学成分不合格，碳高锰低，有害杂质磷、硫超标等；②铸件有缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷；③在热处理过程中，铸件没有淬透。

在铸件实际生产过程中，前2种原因可以通过炉前或炉后化验其化学成分，采用超声波或磁力探伤等手段，及时发现铸件的缺陷，并通过调整配料，采取适当的铸造工艺，可完全避免缺陷的产生。第3种原因，即淬透性问题，涉及到高锰钢铸件生产过程中最主要的工序热处理工序。由于高锰钢在铸型中冷却后，所得到的铸态金相组织是珠光体＋碳化物，并且碳含量较高，比较脆硬，不耐冲击，耐磨性也差，没有应用价值。所以必须经过热处理，即水韧处理，使铸件在急速冷却的条件下，碳化物没有析出前就冷却到相变温度（723℃)以下，得到单一的具有面心立方晶格的奥氏体组织。若得不到单一奥氏体组织，高锰钢就没有耐冲击的高韧性，失去了高锰钢的特殊性。因此，高锰钢的水韧处理十分重要，是保证高锰钢具有高韧性和耐磨性的重要的工艺步骤。若热处理工艺不符合要求，温升过快，淬火温度低，冷却速度慢等都得不到合格的高锰钢铸件。所以，需要控制温升速度、淬火温度、水温、处理量和水池水量等相关因素。目前来说，高锰钢铸件常用的热处理炉是台车式电阻炉，对于控制温升、装炉量、加热温度、保温时间、入水速度、水池水温均可以达到技术要求。而在实际生产过程中，往往会出现高锰钢铸件表面形成了单一的奥氏体组织，而心部却有大量的碳化物析出，其金相组织为（珠光体＋少量奥氏体）基体＋碳化物，尤其是蓄热较高的厚大铸件，其淬透层不足20mm，心部碳化物析出量很大，几乎没有奥氏体，完全是珠光体＋碳化物，严重的还会有裂纹产生^[4]，这都是由于淬透性差所致，影响了高锰钢铸件的正常使用寿命。