含硼高錳鋼鄂板材料組織性能研究

含硼高錳鋼鄂板材料組織性能研究

谷物破碎是一種廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建筑等行業(yè)的破碎設(shè)備。同時(shí)，由于動(dòng)鋸的擠壓運(yùn)動(dòng)，紙漿泵壓斷裂，材料破碎，對(duì)鋸屑的磨損相當(dāng)嚴(yán)重。現(xiàn)在廣泛使用的研磨板材料是水強(qiáng)度高錳鋼。由于擠壓和硬化，在制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，冷地區(qū)經(jīng)常發(fā)生高錳鋼零件的脆性斷裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，在內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)的露天礦挖掘機(jī)中，幾乎20%的葉片和帶回板都失敗了?；谙⊥僚鸷辖鸹?，對(duì)高錳鋼的組織和力學(xué)進(jìn)行了研究，并分析了其低溫性能。同時(shí)，結(jié)合鄂板的區(qū)位條件，分析了其長(zhǎng)期可靠性的原因。1試驗(yàn)材料和方法1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)用試樣采用基爾試塊,在澆注鄂板時(shí)澆注,每爐澆注2個(gè).鄂板重量為900kg,其尺寸和形狀如圖1所示,化學(xué)成分見(jiàn)表1.1.2硬度和組織分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種熱處理工藝,其中一個(gè)基爾試塊在工廠隨鑄件同時(shí)進(jìn)行熱處理,熱處理工藝定為工藝1;另一個(gè)試塊的熱處理在實(shí)驗(yàn)室中分兩種情況進(jìn)行,熱處理工藝分別定為工藝2和工藝3,如圖2所示.采用HRBV-187.5型洛布維硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)定,取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)硬度的平均值.采用OLYMPUSGX51光學(xué)顯微鏡和TECNAIG2透射電鏡進(jìn)行金相組織觀察.根據(jù)《金屬機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)方法》,采用夏比U型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,在JB-301擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上,分別測(cè)定了常溫和低溫性能;低溫系列試驗(yàn)溫度分別為0℃,-20℃,-40℃,-60℃;采用干冰加酒精作為冷卻介質(zhì),每一溫度測(cè)3根試樣,取平均值.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1透射電鏡分析圖3為3種水韌處理工藝下合金化高錳鋼的金相組織,由圖可以看出,水韌處理后合金化高錳鋼組織主要有兩相:奧氏體和合金碳化物.采用工藝3處理的高錳鋼組織中晶內(nèi)和晶界碳化物明顯高于采用工藝1和2處理的組織中的碳化物,且其碳化物顆粒也較細(xì)小.圖4為合金化高錳鋼水韌處理后的透射電鏡照片,圖中白色區(qū)域?yàn)閵W氏體基體,在奧氏體基體上分布的黑色條形相為碳化物.2.2高硅鋼的機(jī)械性能包括含礦高鉻鋼的力學(xué)性能2.2.1沖擊韌性能指標(biāo)沖擊韌性是高錳鋼重要的機(jī)械性能指標(biāo)之一,它表示材料抵抗斷裂的能力,不同的工況對(duì)沖擊韌性有不同的要求.韌性好,可以消除擠壓或沖擊過(guò)程中的脆性碎裂.表2為合金化高錳鋼不同熱處理工藝下的常溫沖擊韌性.常溫時(shí),合金化高錳鋼具有良好的沖擊韌性,保證了鑄件在使用過(guò)程中不出現(xiàn)或少出現(xiàn)斷裂.經(jīng)工藝1和工藝2處理的試樣,沖擊韌性值差別不大,但卻低于經(jīng)工藝3處理的沖擊韌性值.這表明經(jīng)工藝3處理的合金化高錳鋼沖擊韌性優(yōu)于工藝1和工藝2.2.2.2宏觀斷口形貌試驗(yàn)中對(duì)工藝1處理的試樣進(jìn)行低溫性能的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表3.圖5為采用工藝1處理的合金化高錳鋼沖擊韌性-溫度關(guān)系曲線,由圖可知,隨著溫度的升高,高錳鋼的沖擊韌性上升.-20℃時(shí)沖擊值為78.4J/cm2,為常溫時(shí)的51.3%;-60℃時(shí)為29.9J/cm2,僅為常溫時(shí)的19.6%.說(shuō)明溫度對(duì)合金化高錳鋼沖擊韌性的影響是十分顯著的.GB∕T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定了3種確定金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法,其中FATT50為較常用的一種,即斷口形貌以脆性斷面收縮率為50%所對(duì)應(yīng)的溫度.圖6為高錳鋼試樣宏觀斷口形貌.由圖6可見(jiàn),試樣側(cè)面膨脹量隨著試驗(yàn)溫度的降低而逐漸降低,斷口上放射區(qū)所占百分比逐漸增大,說(shuō)明韌性越來(lái)越差.隨著溫度的降低,合金化高錳鋼在斷口區(qū)域內(nèi)纖維區(qū)所占比例逐漸縮小,放射區(qū)所占比例不斷增大,花紋越來(lái)越明顯.20℃時(shí)斷口處以粗糙不平的纖維狀小峰為主,表面灰暗,為韌性斷裂;在溫度為-20℃時(shí),放射區(qū)約占整個(gè)斷口表面的50%.按GB∕T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》中的規(guī)定,確定此合金化高錳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-20℃;這符合文獻(xiàn)中提到的“一般認(rèn)為ak值降到常溫時(shí)數(shù)值的一半的溫度,是脆性轉(zhuǎn)變溫度”的說(shuō)法.當(dāng)溫度低于-20℃時(shí),斷口幾乎大部分呈現(xiàn)放射狀的顆粒特征,為明顯的粗晶脆性斷口.圖7為合金化高錳鋼低溫系列沖擊試樣在掃描電鏡上的斷口形貌.從圖看出,隨著溫度的降低,合金化高錳鋼的微觀斷裂機(jī)制發(fā)生明顯的變化.在20℃時(shí),以韌性斷裂為主,韌斷機(jī)制是微孔聚合,大韌窩之間布滿小韌窩.韌窩是微孔長(zhǎng)大的結(jié)果,韌窩處有少量的夾雜物或第二相,這證明微孔多萌生于夾雜物和第二相與基體的界面上;在-20℃時(shí),試樣斷口的形貌是沿晶斷口加韌窩斷口,斷口處有少量二次相及斷續(xù)分布的二次裂紋;-60℃時(shí),試樣的斷口形貌則以脆性斷裂為主,斷口呈現(xiàn)明顯的沿晶斷裂特征,為脆性斷裂.3鄂板微合金化鋼材料從鄂板使用的工況條件來(lái)看,其破碎的物料為鎳礦石,合金化高錳鋼鄂板每天連續(xù)工作16h,破碎物料質(zhì)量700t,從鄂板裝機(jī)使用到報(bào)廢卸下共計(jì)使用了100d,破碎物料總質(zhì)量為70000t,而原來(lái)采用普通高錳鋼時(shí),使用壽命僅為30d,破碎物料質(zhì)量為21000t,由此可知,鄂板在采用微合金化高錳鋼材料后,壽命較原來(lái)的普通高錳鋼提高了2.3倍.從上面對(duì)鄂板材料的組織和性能分析可以看出,硼合金化高錳鋼鄂板壽命比原來(lái)普通高錳鋼壽命有較大的提高,原因是:水韌處理含硼高錳鋼中除了奧氏體組織外,還有一定的碳化物存在,這些未溶或析出碳化物分布比較均勻,有利于含硼高錳鋼的形變強(qiáng)化和加工硬化,從而提高耐磨性;同時(shí),Cr的加入,形成彌散分布的硬的碳化物質(zhì)點(diǎn)相,這種碳化物較穩(wěn)定,增強(qiáng)了鑄件的耐磨性.因此在保證高錳鋼足夠沖擊韌性的情況下,碳化物存在對(duì)高錳鋼的耐磨性是有利的.這要求在對(duì)高錳鋼進(jìn)行水韌處理時(shí),要根據(jù)鑄件的形狀、尺寸及化學(xué)成分合理設(shè)計(jì)其熱處理工藝.4硼合金化高錳鋼的優(yōu)點(diǎn)(1)合金化高錳鋼,耐磨性能得到了提高,與普通高錳鋼鑄件