含硼高锰钢鄂板材料组织性能研究

含硼高锰钢鄂板材料组织性能研究

谷物破碎是一种广泛应用于矿山、冶金、建筑等行业的破碎设备。同时，由于动锯的挤压运动，纸浆泵压断裂，材料破碎，对锯屑的磨损相当严重。现在广泛使用的研磨板材料是水强度高锰钢。由于挤压和硬化，在制造过程中发现，冷地区经常发生高锰钢零件的脆性断裂，造成巨大的经济损失。例如，在内蒙古寒冷地区的露天矿挖掘机中，几乎20%的叶片和带回板都失败了。基于稀土硼合金化，对高锰钢的组织和力学进行了研究，并分析了其低温性能。同时，结合鄂板的区位条件，分析了其长期可靠性的原因。1试验材料和方法1.1试验材料试验用试样采用基尔试块,在浇注鄂板时浇注,每炉浇注2个.鄂板重量为900kg,其尺寸和形状如图1所示,化学成分见表1.1.2硬度和组织分析试验设计了3种热处理工艺,其中一个基尔试块在工厂随铸件同时进行热处理,热处理工艺定为工艺1;另一个试块的热处理在实验室中分两种情况进行,热处理工艺分别定为工艺2和工艺3,如图2所示.采用HRBV-187.5型洛布维硬度计进行硬度测定,取6个测量点硬度的平均值.采用OLYMPUSGX51光学显微镜和TECNAIG2透射电镜进行金相组织观察.根据《金属机械性能实验方法》,采用夏比U型缺口标准冲击试样,在JB-301摆锤式冲击试验机上,分别测定了常温和低温性能;低温系列试验温度分别为0℃,-20℃,-40℃,-60℃;采用干冰加酒精作为冷却介质,每一温度测3根试样,取平均值.2试验结果及分析2.1透射电镜分析图3为3种水韧处理工艺下合金化高锰钢的金相组织,由图可以看出,水韧处理后合金化高锰钢组织主要有两相:奥氏体和合金碳化物.采用工艺3处理的高锰钢组织中晶内和晶界碳化物明显高于采用工艺1和2处理的组织中的碳化物,且其碳化物颗粒也较细小.图4为合金化高锰钢水韧处理后的透射电镜照片,图中白色区域为奥氏体基体,在奥氏体基体上分布的黑色条形相为碳化物.2.2高硅钢的机械性能包括含矿高铬钢的力学性能2.2.1冲击韧性能指标冲击韧性是高锰钢重要的机械性能指标之一,它表示材料抵抗断裂的能力,不同的工况对冲击韧性有不同的要求.韧性好,可以消除挤压或冲击过程中的脆性碎裂.表2为合金化高锰钢不同热处理工艺下的常温冲击韧性.常温时,合金化高锰钢具有良好的冲击韧性,保证了铸件在使用过程中不出现或少出现断裂.经工艺1和工艺2处理的试样,冲击韧性值差别不大,但却低于经工艺3处理的冲击韧性值.这表明经工艺3处理的合金化高锰钢冲击韧性优于工艺1和工艺2.2.2.2宏观断口形貌试验中对工艺1处理的试样进行低温性能的测定,结果见表3.图5为采用工艺1处理的合金化高锰钢冲击韧性-温度关系曲线,由图可知,随着温度的升高,高锰钢的冲击韧性上升.-20℃时冲击值为78.4J/cm2,为常温时的51.3%;-60℃时为29.9J/cm2,仅为常温时的19.6%.说明温度对合金化高锰钢冲击韧性的影响是十分显著的.GB∕T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》规定了3种确定金属材料韧脆转变温度的方法,其中FATT50为较常用的一种,即断口形貌以脆性断面收缩率为50%所对应的温度.图6为高锰钢试样宏观断口形貌.由图6可见,试样侧面膨胀量随着试验温度的降低而逐渐降低,断口上放射区所占百分比逐渐增大,说明韧性越来越差.随着温度的降低,合金化高锰钢在断口区域内纤维区所占比例逐渐缩小,放射区所占比例不断增大,花纹越来越明显.20℃时断口处以粗糙不平的纤维状小峰为主,表面灰暗,为韧性断裂;在温度为-20℃时,放射区约占整个断口表面的50%.按GB∕T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》中的规定,确定此合金化高锰钢的韧脆转变温度约为-20℃;这符合文献中提到的“一般认为ak值降到常温时数值的一半的温度,是脆性转变温度”的说法.当温度低于-20℃时,断口几乎大部分呈现放射状的颗粒特征,为明显的粗晶脆性断口.图7为合金化高锰钢低温系列冲击试样在扫描电镜上的断口形貌.从图看出,随着温度的降低,合金化高锰钢的微观断裂机制发生明显的变化.在20℃时,以韧性断裂为主,韧断机制是微孔聚合,大韧窝之间布满小韧窝.韧窝是微孔长大的结果,韧窝处有少量的夹杂物或第二相,这证明微孔多萌生于夹杂物和第二相与基体的界面上;在-20℃时,试样断口的形貌是沿晶断口加韧窝断口,断口处有少量二次相及断续分布的二次裂纹;-60℃时,试样的断口形貌则以脆性断裂为主,断口呈现明显的沿晶断裂特征,为脆性断裂.3鄂板微合金化钢材料从鄂板使用的工况条件来看,其破碎的物料为镍矿石,合金化高锰钢鄂板每天连续工作16h,破碎物料质量700t,从鄂板装机使用到报废卸下共计使用了100d,破碎物料总质量为70000t,而原来采用普通高锰钢时,使用寿命仅为30d,破碎物料质量为21000t,由此可知,鄂板在采用微合金化高锰钢材料后,寿命较原来的普通高锰钢提高了2.3倍.从上面对鄂板材料的组织和性能分析可以看出,硼合金化高锰钢鄂板寿命比原来普通高锰钢寿命有较大的提高,原因是:水韧处理含硼高锰钢中除了奥氏体组织外,还有一定的碳化物存在,这些未溶或析出碳化物分布比较均匀,有利于含硼高锰钢的形变强化和加工硬化,从而提高耐磨性;同时,Cr的加入,形成弥散分布的硬的碳化物质点相,这种碳化物较稳定,增强了铸件的耐磨性.因此在保证高锰钢足够冲击韧性的情况下,碳化物存在对高锰钢的耐磨性是有利的.这要求在对高锰钢进行水韧处理时,要根据铸件的形状、尺寸及化学成分合理设计其热处理工艺.4硼合金化高锰钢的优点(1)合金化高锰钢,耐磨性能得到了提高,与普通高锰钢铸件