正火贝氏体铸钢的研究和应用

摘  要：在普通中碳钢中，以硅、锰为主要合金元素，另外加入廉价的含钨、锰、铌、钽和钛等元素的钨渣铁合金，正火后获得了贝氏体组织，具有良好的强韧性和优异的耐磨性，用于制造破碎机颚板，使用寿命比高锰钢提高3倍以上，而生产成本相当。推广使用正火贝氏体铸钢颚板，具有良好的经济和社会效益。

关键词：贝氏体钢；正火；钨渣铁合金；颚板

20世纪50年代，Irvine和Pickering[1]在系统研究合金元素对过冷奥氏体转变动力学的影响，以及贝氏体转变温度与形态和性能之间关系的基础上，开发出在正火状态便可获得贝氏体组织的Mo-B系空冷贝氏体钢，使贝氏体钢在保持高性能前提下，生产工艺明显简化。近年来由于钼合金价格飞速上涨，Mo-B系空冷贝氏体钢的生产和应用受到限制。国内曾开发了Mn-B贝氏体钢，由于单纯加入锰作为主要合金元素，钢的组织显著粗大，铸造成型中易开裂，而且粗大铸造组织导致材料性能的稳定性较差。国内还开发了Si-Mn-Mo系贝氏体铸钢，具有优良的综合力学性能和耐磨性，但钼元素的加入也使得钢的生产成本大幅度提高，推广应用也非常困难。笔者在中碳钢中加入提高淬透性的锰元素和阻止碳化物析出的硅元素，并加入适量廉价的含钨、锰、铌、钽和钛等元素的钨渣铁合金，进一步改善了钢的淬透性且细化了钢的凝固组织，在正火后获得了性能优异的贝氏体组织，用于制造破碎机颚板，使用寿命明显延长，并明显降低颚板生产成本。

1  试验方法

贝氏体钢采用20kg中频感应电炉熔炼。废钢熔清后，加入锰铁、硅铁、增碳剂和钨渣铁合金。炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1600～1650℃，用Si-Ca预脱氧，用铝终脱氧，然后出炉，包内加入硼铁。浇注标准楔形试块，钢水浇注温度1460～1480℃。所有力学性能、金相和微观分析试样都从楔形试块上制取。试块热处理工艺是加热至830℃保温1h后，炉冷至520℃保温1h，再继续加热至920℃并保温1h，然后空冷。

在JB-36型三用冲击试验机上测试冲击韧度值，跨距40mm，试样是10mm×10mm×55mm的U型缺口试样。断裂韧度在MTSNew810试验机上进行，并在该试验机上预制裂纹，试样尺寸15mm×30mm×140mm。在DLY-30型30t万能材料试验机上测试抗拉强度、伸长率和断面收缩率。试样尺寸!10mm×120mm。所有试验数据均为3个试样的平均值。用HR-150D型洛氏硬度计测试贝氏体铸钢的硬度，硬度值取7点的平均值。

2  试验结果与分析

铸钢的铸态组织主要是贝氏体、珠光体和少量铁素体。热处理后，获得了粒状贝氏体和针状贝氏体组织，且贝氏体组织细小，有利于提高铸钢的力学性能和耐磨性。这是铸钢中含有较多的锰和硅以及少量的钨、铌、钽、钛和硼等元素所致。其中硅是非碳化物形成元素，可增加碳在奥氏体中的活度，在贝氏体铁素体生长过程中，多余的碳会排向界面一侧的邻近奥氏体中，由于硅阻碍渗碳体析出，造成周围奥氏体富碳，使贝氏体铁素体片条间或片条内的富碳残留奥氏体稳定化，形成无碳化物贝氏体。锰具有扩大奥氏体区和提高淬透性的作用，还可以降低贝氏体相变温度，使钢中贝氏体组织更细小并增大贝氏体铁素体中碳的过饱和度，有利于贝氏体组织的获得。硼元素对低合金钢获得贝氏体组织并提高其淬透性也具有重要作用。另外，W,Nb,Ta和Ti是强碳化物形成元素，形成的碳化物熔点高、颗粒细小且分布均匀，这些细小的高熔点碳化物颗粒，易促进凝固形核，引起铸钢凝固组织的细化。

正火贝氏体铸钢经180℃低温回火后的性能可以看出，正火贝氏体钢不仅拉伸强度和硬度高，而且塑性和韧性好，具有良好的综合力学性能。钢的力学性能是由其显微组织决定的，钢的硬度主要取决于贝氏体中固溶碳含量，由于本研究铸钢中含有较多的硅，而硅具有显著阻碍碳化物析出的能力，在铸态和热处理组织中均未发现碳化物的存在，加入钢中的碳全部固溶于贝氏体中，因此，材料表现出较高的硬度。另外，贝氏体转变时，合金元素不发生长程的再分配，其含量与母相奥氏体相同。由于钢中含有较多的硅、锰强化元素，因此，正火贝氏体钢具有较高的强度。贝氏体铸钢中含有的W,Nb,Ta和Ti是强碳化物形成元素，形成的碳化物硬度高，也有利于提高钢的硬度。此外，溶于基体的部分W,Nb,Ta和Ti，也可以提高铸钢强度。本研究铸钢中较高的含硅量抑制碳化物的形成，使空冷后获得具有残余奥氏体薄膜的无碳化物贝氏体，无碳化物贝氏体分割原奥氏体晶粒，使贝氏体组织细化，有利于改善钢的韧性和塑性。

3  贝氏体铸钢颚板的制造与应用

在上述基础试验基础上，在750kg中频感应电炉内熔炼贝氏体铸钢，并在水玻璃砂铸型中浇注部分铸钢颚板，颚板尺寸400mm×600mm。颚板经清砂、打磨后，在台车加热炉内加热，加热温度(830±10)℃，保温4h后，炉冷至(520±10)℃保温3h，再继续加热至(920±10)℃并保温3h，然后空冷。最后在井式加热炉内进行回火，去除内应力，回火加热温度(180±6)℃，保温时间8h。用便携式硬度计在颚板表面进行了硬度测量，结果显示，颚板平均硬度超过55HRC，硬度均匀性好，颚板表面的硬度差低于1.5HRC。

目前颚板已在铁矿山用于破碎铁矿石，在石料厂用于破碎白云石，结果显示，不论是动板还是静板，贝氏体铸钢颚板都表现出优异的耐磨性，贝氏体铸钢颚板磨损均匀，使用中无断裂、剥落现象出现，其使用寿命比普通高锰钢颚板提高3倍以上。该贝氏体铸钢颚板不含钼、镍等价格昂贵的合金元素，生产成本低，吨成本约4800元，市场竞争力强，生产工艺简便，推广应用具有良好的经济和社会效益。

4  结论

（1）以硅、锰为主要合金元素，另加入廉价的含钨、锰、铌、钽和钛等元素的钨渣铁合金，在正火条件下，获得了力学性能优良的贝氏体铸钢。

（2）贝氏体铸钢用于制造破碎机颚板，使用安全、可靠，使用寿命比普通高锰钢提高3倍以上。

本文摘自：闫浩等“正火贝氏体铸钢的研究和应用”