奥锰钢耐磨材料双变质工艺研究张国庆 章成希.docx

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奥锰钢耐磨材料双变质工艺研究张国庆章成希

奥锰钢耐磨材料双变质工艺研究

张国庆章成希

作者单位铜陵市大明玛钢有限责任公司

单位地址安徽省铜陵市

邮编244061

联系人章成希

E-mailzcx_zhao@

摘要

分级复合双变质处理新工艺的核心就是将冶金处理技术的内核：

变质处理；孕育处理；微合金化技术三位一体，相辅相成，互为作用；在实现组织明显改善的同时，使材料的综合性能得到全面提升。

该类奥锰钢采用Re—Ca—Ti—Al复合变质剂，在炉内、炉外实行“二步法”处理并按变质合金的异质形核的生核能大小设计分级处理的顺序；采用V渣+Ti+Zn复合孕育剂，也按孕育合金的异质形核的生核能大小设计分级处理的顺序；V（以V渣形式）、Cr、Mo（大型板件配加Nb）等合金化元素作为微合金化元素在预脱氧后加入。

在奥锰钢的冶金处理中，变质与孕育应该是两个看似相仿，其实各有侧重的对材料施行改性处理的方法。

在过程中，它们发挥着相辅相成的作用。

通过对奥锰钢的分级复合双变质冶金处理达到：

1）减少碳化物析出量；

2）控制碳化物析出形态；

3）细化奥氏体、强化奥氏体、稳定奥氏体

实现在实际工况，材料呈现较小变形情况下就能体现出良好的加工硬化特性。

因此，变质与孕育是冶金处理技术中十分重要的内容。

双变质处理的工艺的优点在于：

将新型复合变质剂和新型复合孕育剂按双变质处理工艺加入钢液后，对改变铸态组织、提高热处理效果均产生明显的作用；

通过采用氮气喷射处理剂装置不但使变质剂、孕育剂的变质效果得到增强，使变质效果稳定，减少添加剂的用量，而且通过氮元素的溶入形成高熔点的氮化物，这有利于进一步细化晶粒和提高组织硬度；所形成的气泡还可作为精炼载体，纯净钢液。

关键词：

奥锰钢　复合变质复合孕育　分级复合双变质耐磨性

第一章绪论

1.1奥锰钢耐磨材料

奥锰钢是在19世纪中叶出现的一种韧性极好的耐磨材料。

由于它含有韧化相奥氏体，具有高的强韧性；在一定的冲击、挤压应力的工况条件下，具有独树一帜的表面加工硬化特点，因而耐磨性能良好。

因其价格低廉，长期以来广泛应用于伴有冲击载荷的凿削磨损，应用于冶金、矿山、建筑、水泥、化工、机械和军事工程中。

但是由于传统奥锰钢在特定的非强烈冲击、挤压应力条件下，其加工硬化的作用不能充分发挥，就无法充分发挥奥锰钢潜在的抗磨能力而表现得非常不耐磨，耐磨性能受到较大影响，导致材料磨损率高，对使用单位的经济效益产生一定的影响。

近些年来，随国家矿冶工程的发展，仅用于矿石粗磨的颚式破碎机、中细磨的圆锥破碎机的颚板、球磨机衬板、粉碎机锤头等高锰钢件年耗量已达百万吨。

这促使人们愈发重视在奥锰钢生产新工艺上的探索，以期不断提高奥锰钢铸件的质量。

安徽铜陵是各种矿产相对集中的地区，随着国家产业政策的调整和矿业行业技术的进步，对提高奥锰钢零件的材料性能，实现降低机械能耗，提高矿业生产率，生产出性能优越的奥锰钢材料，提出了迫切要求。

铜陵市大明玛钢有限责任公司是以开发、生产耐磨材料为主的专业化工厂，具有年产各类奥锰钢铸件10000吨的生产能力，针对奥锰钢材料的改性处理，公司与安徽工程科技学院就联合共同研发高韧性、高耐磨性先进奥锰钢材料的项目达成合作协议，对传统奥锰钢的改性处理进行了技术攻关。

主要在该类材料的成分设计，孕育剂的研制，变质剂的研制，微合金化处理的内容和方法上进行了较为深入的研究。

研发出一种新型的奥锰钢孕育剂，一种新型的奥锰钢变质剂和创造出一种新型的分级复合双变质处理的工艺方法，从而在提高奥锰钢铸件的韧性基础上明显的提高了其磨后硬度和材料的同工况条件下的耐磨性能。

在各类使用该类铸件的单位返回的数据表明：

先进奥锰钢的耐磨性能与传统耐磨钢的耐磨性能相比，其能力得到了较大的提高，其提升率为50％～100％以上。

1.2设计思路

先进奥锰钢的设计思路就是针对克服上述两类衬板材料的缺点，研制开发一种不但韧性良好，而且具有较快的加工硬化转变速率和较高的磨后硬度的衬板，使衬板的使用寿命得到很大的提高，为此我们从材料的基本成分设计入手，通过研发新型孕育剂、新型变质剂和采用分级复合双变质处理的新工艺实现对材料组织的控制，细化晶粒，增强强韧化处理的效果，提高材料加工硬化的能力，提高在冲击和冲刷应力下材料发生加工硬化转变的速率，使用这类耐磨材料的铸件具有优良的综合力学性能和较高的耐磨性能。

第二章工艺设计

2.1变质、孕育剂组分设计

奥锰钢的强韧化处理技术研究的思路主要有：

采用V渣－Ti－Zn复合孕育剂、稀土Re-Ca-Ti-Al复合变质剂和采用B、Nb、N等微量合金元素进行微合金化处理，目的在增强形核；细化晶粒；有效控制了碳化物的数量、大小和形态，实现对组织和性能的改进。

在实际钢液液态结构中，由于钒、钛和碳具有很强的亲和力，从凝固初期始，就形成钒、钛碳化物构成的孕育质点，在凝固过程中，这些质点继而引起碳原子的偏聚、簇合，且在随后的结晶过程中造成晶界上碳化物数量减少而晶内的碳化物数量增多。

另一方面，在一定含量V、Ti元素的影响下，界面前沿过冷度明显增大，这样就促使钢液中有利于形成异质晶核的硫化物、氧化物、氮化物和复合夹杂作为结晶基底，从而增强形核，细化晶粒。

因此，钒、钛等元素的孕育作用一是细化了奥氏体枝晶；二是有效控制了碳化物的数量、大小和形态。

通过加入变质剂及微合金元素可以增加奥氏体中实际固溶的碳含量，并使析出的碳化物等相呈粒状均匀分布，同时加入稀土Re、B、Ca等活性元素，可以有效地改变晶体生长的方式，在孕育剂的基础上进一步改善组织。

采用孕育剂、变质剂、微合金化元素，对奥锰钢的冶金任务主要是：

改变碳化物析出形态；

通过细化奥氏体、强化奥氏体，实现在实际工况，材料呈现较小变形情况下就能体现出良好的加工硬化的特性。

在奥锰钢的冶金处理中，孕育剂、变质剂、微合金化元素共同作用细化奥锰钢晶粒，综合地改善铸件的力学性能和使用性能。

2.2微合金化元素的选择

在试验中，我们主要采用的合金元素有B-Cr-Nb，根据课题组前期工作和国内外相关的研究结果，确定元素的加入范围如下：

B一般在高锰钢中加入0.005～0.007%，就可以改善组织，提高性能，通常以硼铁的形式加入；

N一般加入量低于0.2%，通常以氮化锰铁或氮化铬铁的形式的加入；

Nb0.2%～1.0%

2.3优化成分组合设计

成分优化设计是在正确的基本成分设计的基础上，将基本成分与新型孕育剂、新型变质剂及微合金化元素的选择作为一个生产优质奥锰钢的工艺参数体系。

因此，为了减少试验的复杂性在前述已求出的最佳变质剂、最佳孕育剂和最佳微合金化元素的选择和最佳基本成分C、Mn、Cr的成分等因素上，考虑他们作为集体混合因素对生产优质高锰钢体系综合影响来最终确定孕育剂、变质剂及微合金化元素的加入量和基本成分C、Cr、Mn的加入量。

以此作为奥锰钢强韧化处理作为研究指标。

2.4分级复合双变质（熔炼）

传统奥锰钢的生产工艺主要有两类：

一类是在奥锰钢的基本成分确定后按照传统的熔炼工艺进行熔炼，由于按传统的熔炼工艺进行熔炼通常不施行变质处理、孕育处理。

用这种工艺生产的奥锰钢铸态组织中的碳化物沿晶界呈网状分布，在含碳量较高时这种网状碳化物较发达，网片较厚，致使材料的脆性很大。

其次钢液中的非金属夹杂通常也易呈网状分布，这些特性不仅造成铸态下材料的脆性，容易在凝固过程和生产过程中造成铸件的断裂，而且在随后的水韧处理过程中往往要求在较高的奥氏体化温度和较长的保温时间下才能完成碳化物的熔解，达到获得单一奥氏体组织的目的。

由于奥氏体化温度增高和保温时间变长，使晶粒粗大，并且在原来碳化物分布的位置由于碳化物的熔解而留下了显微裂纹，这些都不利于提高材料的韧性，这些都容易使材料在服役期间容易造成零件的失效。

我国在70年代后期开始采用稀土硅铁对奥锰钢进行变质处理，变质后碳化物的形态、大小均发生了较为显著的变化，但是从碳化物在基体中的分布来看是较为不均匀，它主要体现在碳化物在基体中的分布不均匀和碳化物的形态与大小在各局域偏差较大；非金属夹杂物的形态和大小也发生了较为显著的变化，但和碳化物的变形雷同，其局部区域也是不均匀的。

造成上述奥锰钢传统生产工艺对奥锰钢组织影响的结果的主要原因是应该强化变质处理效果，尤其是在提高碳化物和非金属夹杂的均匀分布上予以显著的改进。

2.4.1分级复合变质工艺

本研制的新型变质剂主要特点表现为：

采用Re-Ca-Ti-Al多元素复合变质剂来进行对钢液的变质；多元素变质的特点在于由于变质元素具有各自不同的物理特性和化学特性，因此在钢液进行变质的过程中和钢液在铸型里进行的凝固过程中随着温度的变化，这些复合元素将依次按顺序进行对钢液的变质，从而使变质过程的有效时间延长，各元素的变质效果能够做到一种相彰得益的效果。

另一方面将变质剂在炉内、炉外实现“两步法”分级处理，其主要目的是节能细化初晶奥氏体，也能控制钢液凝固过程的组织结晶。

分级复合变质处理的工艺效果主要体现为：

明显提高了铸态组织中碳化物的形态和大小，减少了碳化物的晶界分布，增大了晶内分布，并减少了碳化物的数量；

改变了碳化物的形态，使碳化物趋于块状或团粒状；

明显减少了非金属夹杂的数量，并且使非金属夹杂呈团粒状分布；

采用新型变质剂进行分级复合处理，由于碳化物和非金属夹杂物的明显改变，使铸态组织的韧性有所提高，并且使随后的奥氏体化的保温时间缩短，奥氏体化保温温度得到一定的降低，这样不仅有利于防止奥氏体晶粒的粗化，而且明显削弱了明显由于碳化物造成的显微裂纹存在的可能，使奥锰钢组织获得更高的韧性；

由于熔炼后期和炉前进行的分级复合化变质使变质组织在奥氏体基体上的分布均匀化。

例如，选用传统ZGMn13作为基础钢。

分级复合变质工艺是：

先用锰铁，再用Si-Ca进行预脱氧，再依以下顺序加入：

锰铁→（氮化锰铁）→稀土硅铁（占总量的1/3）

出钢温度1500℃～1550℃。

用Al终脱氧后，出钢时随流冲入Si-Ca；将剩余2/3的1#包头稀土硅铁、钛铁放置于包内，待钢液冲入处理。

2.4.2分级复合孕育工艺

研制的新型孕育剂是在采用新型变质剂对钢液进行有效变质处理的基础上通过增加孕育处理来进一步巩固变质处理的效果，并发挥孕育处理的作用，采用新型孕育剂进行处理的主要特点表现为：

研制的新型孕育剂既可以对钢液单独作为冶金添加剂对钢液实施冶金处理，从而细化碳化物和非金属夹杂，以及改变碳化物和非金属夹杂的数量及分布状态，从而有利于提高奥锰钢工件的力学性能和使用性能；

也可以通过再采用新型变质剂对钢液进行处理时，通过采用新型孕育剂对钢液进行孕育处理来达到进一步巩固孕育处理效果，进一步细化晶粒和提高碳化物和非金属夹杂的均匀分布，使奥锰钢的铸态组织以及水韧处理后的组织得到更为明显的改善，使奥锰钢工件的力学性能和使用性能获得更大的提高。

研制的新型孕育剂主要表现的特点为：

采用V渣-Ti-Zn多元素新型复合孕育剂来进行对钢液的孕育；多元素孕育的有点在于钢液中高熔点碳化物结晶核心的形成和一定数量的分布使碳化物的结晶核心得到明显的增加，并使其在奥氏体晶粒以及晶界上得到更为均匀的分布，这样不仅可以改变碳化物的形态而且使碳化物变小和进一步的增强了生成团粒状的倾向；复合孕育处理的工艺效果主要体现为：

明显改善了铸态组织中碳化物的形态和大小，增加了碳化物的结晶核心，从而细化了碳化物；

由于增加了凝固过程中的结晶核心，使奥氏体晶粒得到细化；

碳化物和晶粒的细化使钢液在炉前处理和在铸型凝固过程中的抗变质衰退能力得到增强；

由于采用了复合孕育处理进一步提高了工件铸态和水韧处理后的力学性能，这样在奥锰钢基本成分的设计上为提高该类奥锰钢工件的耐磨性可适当增加材料的含碳量，由此可增加材料的硬度、加工硬化的能力，使工件获得更高的耐磨性能；

对采用弥散强化处理的奥锰钢工件，复合孕育处理可以加速弥散相的析出速度和均匀分布的程度。

例如，选用传统ZGMn13作为基础钢。

分级复合孕育工艺是：

先用锰铁，再用Si-Ca进行预脱氧，再依以下顺序加入：

锰铁→（氮化锰铁）→稀土硅铁（占总量的1/3）→V渣

出钢温度1500℃～1550℃。

用Al终脱氧后，出钢时随流冲入Si-Ca；将剩余2/3的1#包头稀土硅铁、Zn、钛铁放置于包内，待钢液冲入处理。

综上所述对奥锰钢实施分级复合变质处理和分级复合孕育处理，既显著改变了碳化物的数量、大小和形态分布，而且也明显提高了在奥氏体基体上分布的均匀性；减少和改善了非金属的数量和分布状态；细化了奥氏体晶粒，显著的减少了由于碳化物的熔解所留下的显微裂纹，这些特征的改变均明显的提高了奥锰钢工件的综合力学性能及其耐磨性能，并且由于韧性的提高，在适度提高碳含量的基础上，由于提高了加工硬化能力，使工件的磨后硬度显著提高，这点在中锰钢工件上的表现尤为突出，分级复合双变质处理不仅能提高钢液的冶炼处理质量，也能提高抗孕育衰退能力。

对厚截面的大型铸件，实施微合金化处理可解决由铸造过程和热处理过程中产生的粗晶现象和促进其表层与心部组织的一致性。

2.4.3分级复合双变质处理新工艺

分级复合双变质处理新工艺的主要内容：

在奥锰钢（中锰钢、高锰钢、超高锰钢）采用Re-Ca-Ti-Al复合变质剂；在炉内、炉外实行“二步法”处理并按变质合金异质形核的生核能大小进行分级处理的基础上，为进一步稳定和巩固变质处理的效果；为进一步改变铸态组织，提高和增强综合力学性能和使用性能，在冶金处理上还通过增加采用V渣－Zn－Ti孕育剂进行孕育处理的工艺方法，使晶粒进一步细化，达到进一步改变、细化和稳定碳化物形态的效果，尤其是保证了厚大铸件断面组织、性能的一致性。

分级复合双变质处理新工艺其核心就是将冶金处理技术的内核：

变质处理；孕育处理；微合金化技术三位一体，相辅相成，互为作用；在实现组织明显改善的同时，使材料的综合性能得到全面提升。

双变质处理的工艺是：

将分级复合变质工艺和分级复合孕育工艺兼容后，把炉外处理部分需加入的添加剂（粉状Re＋钛铁）通过采用氮气喷送处理装置，向钢包内吹喷。

在炉外处理上采用如图6所示的氮气喷送处理剂装置，采用0.2～0.3MPa氮气将处

理剂（粉状Re＋钛铁）吹喷到钢水包的熔液中，在高度均匀地施行变质处理、孕育处理的同时还可进一步发挥氮气固溶以及精炼钢液的作用。

对2吨以上容量的钢包还可在带有塞口机构的包底装上透气耐火砖进行吹氩处理。

利用吹氮喷射Re+钛铁粉末新工艺克服了由于添加元素的密度与钢液的不同易造成处理过程和效果不稳定，反应不充分的缺陷，使变质和孕育的效果优良而稳定；同时由于氮气在钢液中形成了大量气泡，在该类气泡的生成、长大和在钢液中的上浮过程中，气泡作为载体不仅可以吸收钢液中的各种气体，而且在上浮过程中还能将钢液内的杂质和浊点吸附于气泡表面而上浮到液面，从而造成渣液分离，这有益于进一步净化钢液，减少成分偏析，显著的降低铸件产生热裂缺陷的倾向。

双变质处理的工艺的优点在于：

将新型复合变质剂和新型复合孕育剂按双变质处理工艺加入钢液后，对改变铸态组织、提高热处理效果均产生明显的作用；

通过采用氮气喷射处理剂装置不但使变质剂、孕育剂的变质效果得到增强，使变质效果稳定，减少添加剂的用量，而且通过氮元素的溶入形成高熔点的氮化物，这有利于进一步细化晶粒和提高组织硬度；所形成的气泡还可作为精炼载体，纯净钢液；

对大型钢包在塞口底部放置透气耐火砖进行吹氩处理，会更进一步提高对钢液的精炼效果，提高材料的综合力学性能和使用性能。

2.4.4分级复合双变质实施例

分级复合双变质新工艺目前正在申请国家专利，以下是一种用于锤头的中锰钢的复合变质、复合孕育、双变质处理新工艺的实施例。

一种用于锤头的中锰钢

基本成分：

W（%）

C0.9～1.1；

Si0.3～0.5；

Mn5～7；

P≤0.06；

S≤0.04。

复合变质剂：

采用稀土Re-Ca-Ti-Al复合变质剂。

W（Re）0.20%～0.25%

W（Ti）0.02%～0.03%

W（Si-Ca）0.20%～0.25%

W（Al）0.15%～0.20%

分级复合变质工艺：

先用0.20%的锰铁，再用0.20%的Si-Ca进行预脱氧，再依以下顺序加入：

锰铁→（氮化锰铁）→稀土硅铁（占总量的1/3）

出钢温度1500℃～1550℃。

用W（Al）0.15%～0.20%终脱氧后，出钢时随流冲入W（Si-Ca）0.04%～0.06%；将剩余2/3的1#包头稀土硅铁、钛铁放置于包内，待钢液冲入处理。

浇注温度1420℃～1470℃。

钢液要求5～7分钟浇完。

复合孕育剂：

采用V渣－Ti－Zn复合孕育剂。

W（Zn）0.006%～0.008%

W（Ti）0.02%～0.03%

W（V渣）2.0%～2.5%

分级复合孕育工艺：

先用0.20%的锰铁，再用0.10%的Si-Ca进行预脱氧，再依以下顺序加入：

锰铁→（氮化锰铁）→稀土硅铁（占总量的1/3）→V渣

出钢温度1500℃～1550℃。

用W（Al）0.15%～0.20%终脱氧后，出钢时随流冲入W（Si-Ca）0.04%～0.06%；将锌块、钛铁放置于包内，待钢液冲入处理。

浇注温度1420℃～1470℃。

钢液要求5～7分钟浇完。

双变质处理工艺：

先用0.20%的锰铁，再用0.20%的Si-Ca进行预脱氧，再依以下顺序加入：

锰铁→（氮化锰铁）→稀土硅铁（占总量的1/3）→V渣

出钢温度1500℃～1550℃。

用W（Al）0.15%～0.20%终脱氧后，出钢时待钢液充满钢包，将表面涂有耐火材料（Al2O3＋刚玉粉＋水玻璃）的氮气喷送处理剂装置插入钢液1~2min，将炉外变质处理、孕育处理的添加剂加入后，取出并净置3min。

浇注温度1420℃～1470℃。

钢液要求5～7分钟浇完。

2.5处理效果

用双变质剂进行处理的效果见下表：

从表中所述，中锰钢、高锰钢、超高锰钢从双变质处理前和双变质处理后的效果对比，可得出的结论为：

经过由双变质剂进行处理的奥锰钢其力学性能和耐磨性能均有较大的提高，尤其是中锰钢材料，这主要的原因是中锰钢除具有高锰钢和超高锰钢所具有的碳的固溶强化和碳化物的弥散强化外还易产生大量的应力诱变马氏体，从而使其加工硬化速率提高，加工硬化效果更为显著。

第三章结论

3.1采用新型变质剂进行分级复合处理，由于碳化物和非金属夹杂物的明显改变，使铸态组织的韧性有所提高，并且使随后的奥氏体化的保温时间缩短，奥氏体化保温温度得到一定的降低，这样不仅有利于防止奥氏体晶粒的粗化，而且明显削弱了明显由于碳化物造成的显微裂纹存在的可能，使奥锰钢组织获得更高的韧性；

3.2研制的新型孕育剂是在采用新型变质剂对钢液进行有效变质处理的基础上通过增加孕育处理来进一步巩固变质处理的效果，并发挥孕育处理的作用，从而细化碳化物和非金属夹杂，以及改变碳化物和非金属夹杂的数量及分布状态，因而有利于提高奥锰钢工件的力学性能和使用性能；

3.3分级复合双变质处理新工艺其核心就是将冶金处理技术的内核：

变质处理；孕育处理；微合金化技术三位一体，相辅相成，互为作用；在实现组织明显改善的同时，使材料的综合性能得到全面提升。

双变质处理的工艺的优点在于：

将新型复合变质剂和新型复合孕育剂按双变质处理工艺加入钢液后，对改变铸态组织、提高热处理效果均产生明显的作用；

通过采用氮气喷射处理剂装置不但使变质剂、孕育剂的变质效果得到增强，使变质效果稳定，减少添加剂的用量，而且通过氮元素的溶入形成高熔点的氮化物，这有利于进一步细化晶粒和提高组织硬度；所形成的气泡还可作为精炼载体，纯净钢液；

对大型钢包在塞口底部放置透气耐火砖进行吹氩处理，会更进一步提高对钢液的精炼效果，提高材料的综合力学性能和使用性能。

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