钒钛微合金化对铸态中锰钢组织和性能的影响

吴海平

（安徽省机械科学研究所，安徽 合肥 230022）

目前我国用于衬板、腭板及锤头的耐磨材料主要分为两大类：一类是多元低合金马氏体钢，另一类是锰系奥氏体钢，而使用较为广泛的仍是高锰钢。高锰钢是借助强烈冲击下产生加工硬化来抵抗磨损的，对于中低冲击载荷工作的高锰钢耐磨件，因其加工硬化性能得不到充分发挥，耐磨性能很低，每年要消耗大量的金属资源。锰是我国富有元素，价格低廉，开展锰系耐磨钢的研究，提高中低冲击载荷下的耐磨性是我国耐磨材料的研究开发的方向之一。

本研究在保证铸态中锰钢基本组分的基础上，通过钒钛微合金化，以改善铸态中锰钢的组织和性能，实现非强烈冲击载荷工况条件中锰钢的耐磨性。

1 试验内容及方法

1.1 炉料及熔炼

高锰钢回炉料、低碳废钢和Z18号生铁为基本原料，用中碳锰铁和75SiFe调整成分，稀土加硅钙合金变质处理，钒铁、钛铁进行微合金化试验；采用中频感应炉电炉不氧化法炼钢工艺熔炼钢水，用快速热电偶测温，当钢液达到1600℃时出钢，采用冲入法进行变质处理，在1450℃～1470℃进行浇注。

1.2 性能检测

采用10mm×10mm×55mm无缺口冲击试块，化验、金相和冲击磨损试块在冲断后的冲击试块上截取。冲击试验在MK-36三用冲击试样机上进行，用A-200洛氏硬度计测试硬度，在MLD-10冲击试验机上进行冲击试验，用XJP-6A金相显微镜观察微观组织。

1.3 钒钛微合金化试验方案

选择确定铸态中锰钢基本组分为ω（C）：1.4%～1.6%，ω（Si）:1.6%～2.0%，ω（Mn）:8%～9%[1]。炉前采用质量分数为0.8%稀土合金+0.2%硅钙合金变质处理，并且随变质剂分别加入不同量的V、Ti浇注试块，而后进行硬度、冲击和磨损试验。

2 试验结果与分析

2.1 微量V和Ti对中锰钢铸态组织的影响

奥氏体锰钢中加入微量合金元素（如V、Ti等）可以起到细化铸态晶粒，改善铸态组织，增加基体硬度形成抗磨硬质相，抑制铸态针状碳化物，改善夹杂物形态等作用。

钒加入钢中，多数溶入奥氏体，小部分以碳化物的形式存在；而钛是强碳化物形成元素。钒和钛均有细化晶粒，限制铸态枝晶生长、扩大等轴晶区等作用，并有利于碳化物进一步球化[2]。

试验表明，控制C、Si、Mn含量在基本组分内，V、Ti各与质量分数为0.8%稀土合金+0.2%硅钙合金变质剂的复合加入处理，显著改善中锰钢的铸态组织，未经处理的铸态组织为奥氏体基体上分布着针网状碳化物，如图1，经处理铸态组织为奥氏体基体上分布着团球状碳化物，且分布均匀，如图2。

图1 未经处理中锰钢铸态组织×120

图2 经处理中锰钢铸态组织×120

2.2 微量V和Ti对铸态中锰钢机械性能的影响

微量V、Ti分别与稀土和硅钙合金的复合加入处理后，对铸态中锰钢进行硬度和冲击试验，结果见表1。

表1 微量V、Ti与铸态中锰钢机械性能

从表 1 中可看出，ω（V）：0.1%～0.2%，Ak（J）值最高，HRC平均值为44；Ti加入量的改变，HRC值变化不大，而 Ti加入量达 0.15%，Ak（J）值最高；当V或Ti的加入量超过0.2%时，会引起铸态中锰钢韧性的明显降低。

2.3 V和Ti对铸态中锰钢冲击磨损性能的影响

采取在MLD-10冲击试验机上进行高锰钢与铸态中锰钢的比对冲击试验，分别选取0.5 J、1.0J、1.5 J、1.8 J的冲击功，测量经试验后的相对耐磨性。

相对耐磨性=冲击磨损时间/试验前后的试样重量差。

冲击磨损试验的结果见表2。

表2 冲击磨损试验结果

冲击磨损试验表明，添加微量V或Ti元素的铸态中锰钢，在中低冲击功下耐磨性能明显优于高锰钢，但当冲击功大于1.5 J耐磨性迅速降低。

3 应用情况

表3 两种板的磨损量

4 结论

1）经添加质量分数为 0.1%～0.2%的 V或0.15%的Ti与稀土和硅钙合金的复合处理后的铸态中锰钢，实现铸态碳化物的分布团球化，并细化晶粒，改善铸态组织。

2）微量V或Ti与稀土和硅钙合金的复合加入处理后铸态中锰钢，在中低冲击载荷下耐磨性能优于高锰钢，且可不经水韧处理而铸态使用，可明显降低成本，在中低冲击载荷下取代高锰钢具有良好的经济和社会效益。

［1］王明胜.奥氏体中锰钢成分设计［J］.机械工程材料，1993，2（17）：17-21.

［2］李绍雄.奥氏体中锰钢多元合金化对耐磨性的影响［J］.铸造，1989（2）：4.