正確選擇不同服役條件下錳系奧氏體鋼的成分和熱處理工藝，是發(fā)揮其抗磨潛力的重要方面。本課題中，在充分考慮鎳銅礦用圓錐破碎機特殊性能的條件下，根據(jù)圓錐破碎機襯板用耐磨材料的使用情況、工況條件和性能要求，對鋼的化學成分、熱處理工藝、綜合性能進行了試驗研究，并優(yōu)化出一套最佳熱處理工藝方案，制定了熔煉、鑄造、熱處理工藝，進行了生產小試和裝機運行。
1、改性高錳鋼的熱處理工藝
高錳鋼的熱處理工藝有水韌處理和沉淀強化熱處理。
水韌處理是將鋼加熱到Ac。以上保溫一段時間，使鑄態(tài)組織中碳化物溶解、共析組織奧氏體化、鑄態(tài)組織全部消除，得到化學成分均勻的單相奧氏體組織，然后快速冷卻得到過冷的奧氏體固溶體。通過水韌處理可以提高鋼的力學性能并在強沖擊磨料磨損的條件下表現(xiàn)出好的耐磨性。
沉淀強化熱處理是通過熱處理使奧氏體基體中出現(xiàn)彌散分布的第二相，使基體得到強化，從而提高材料抗磨料磨損的能力。因為沉淀強化熱處理時通常需要加入與碳結合能力較強的合金元素，使奧氏體中析出合金元素的碳化物，成為第二相，所以高錳鋼中錳、碳的含量都將有所變化。在一定的工況條件下這種沉淀強化的高錳鋼有很好的抗磨料磨損的能力。
本試驗將對7種不同成分的改性高錳鋼分別進行3種工藝的熱處理，分析不同的熱處理工藝對材料力學性能的影響。改性高錳鋼的化學成分如表1所示。
由于本試驗的改性高錳鋼中加入了與碳結合能力較強的合金元素鉻、鉬，所以在確定改性高錳鋼的加熱溫度時應當考慮碳化物的充分溶解、奧氏體適宜的晶粒度、鋼中化學成分盡可能均勻，并防止過熱組織的出現(xiàn)，最終得到最佳的力學性能。
由于合金元素鉻、鉬的加入，組織中可能會出現(xiàn)特殊碳化物，而這些碳化物溶解較困難，所以溫度要稍高一些。因此改性高錳鋼的加熱溫度應較普通高錳鋼提高30—50℃。本試驗將改性高錳鋼的水淬溫度定為1080℃。
為使奧氏體晶內析出彌散相碳化物，同時消除奧氏體晶界的碳化物，從而增加材料抵抗磨料磨損的能力，采取了以下熱處理工藝：
(1)加熱至950℃保溫1.5h，爐冷，加熱到1080℃保溫2h．水淬：
(2)加熱至600℃保溫12h，加熱到1080℃保溫2h，水淬；
(3)加熱至1080℃保溫2h,水淬，加熱至350℃保溫8h，空冷。
2、熱處理工藝對改性高錳鋼組織和力學性能的影響
不同熱處理工藝條件下各種成分改性高錳鋼的力學性能如表2所示。
圖l是第一種熱處理工藝條件下不同成分改性高錳鋼的金相組織。結合表2和圖l可以看出，1#試樣晶粒較粗大，晶界存在大量碳化物；2#試樣品界碳化物稍少，晶粒仍比較粗大，但其力學性能要比1#好：3#試樣加入稀土硅鐵合金進行變質處理后，晶粒明顯細化，沖擊韌度和抗拉強度也明顯提高。所以3#試樣的綜合力學性能比1#、2#試樣好。這是因為：①1#試樣的鉻含量較高，使鋼的抗拉強度有所下降，且在常溫下，鉻含量的增加將降低鋼的沖擊韌度；②由于鉻能加快高溫區(qū)內碳化物的析出速度，所以在凝固后的冷卻過程中有大量碳化物出現(xiàn)；③由于鉻的擴散特點和鉻對擴散過程的影響，加鉻后的奧氏體穩(wěn)定性提高，共析轉變開始較晚。4#試樣的碳化物數(shù)量減少，雖然晶粒仍然很粗大，但性能比1#試樣要好。5#試樣比4#的抗拉強度及沖擊韌度都有所降低．只是硬度稍有提高。這是因為5#試樣的鉻含量增加，使鉻的碳化物增多，即硬質點增多，因此硬度稍有提高。6#試樣加入稀土進行變質處理后，晶粒明顯細化，綜合力學性能最好。7#試樣晶粒較粗大且晶界存在大量碳化物，而錳、鉻等碳化物形成元素含量的降低，使奧氏體不能完全溶解碳化物而在晶界聚集，所以力學性能較差。
圖2是第二種熱處理工藝條件下改性高錳鋼的金相組織。第二種熱處理工藝采用了中間600℃保溫較長時間的方法。根據(jù)Fe-Mn-C三元合金相圖，當加熱溫度低于400℃時，鑄態(tài)組織沒有明顯變化，當升溫到450℃左右時開始有針狀碳化物析出，達到500℃時碳化物數(shù)量明顯增加，大約在550℃時碳化物數(shù)量達到最大值，到600℃時針狀碳化物變短變粗。在加熱過程中隨著碳化物析出、溶解的同時，金屬基體組織也在發(fā)生變化，當溫度達到550—600℃時基體發(fā)生共析分解，形成珠光體。由于珠光體析出時，碳化物是引領相．所以開始時碳化物四周的奧氏體先分解形成珠光體，隨后珠光體范圍擴大，形成珠光體層片狀晶團，并隨溫度的升高趨于粒狀化，但奧氏體能夠全部分解。同時碳化物充分分解的產物一碳和合金元素固溶于奧氏體并擴散形成成分盡可能均勻的合金化奧氏體。
保溫時間的確定要考慮鑄件壁厚、固溶處理溫度、鋼的化學成分、鑄件結構特點等，鑄件壁愈厚，保溫時間就愈長，經驗數(shù)據(jù)是每25mm保溫1h。鋼中含有鉻、鉬等合金元素，這些特殊的碳化物溶解困難，且合金元素擴散速度慢，保溫時間也要適當延長。本試驗考慮襯板的厚度和結構等因素，將中間保溫時間延長到12h。就能充分發(fā)生共析轉變，并使碳化物得到球化。綜合比較發(fā)現(xiàn)，第二種熱處理工藝條件下，改性高錳鋼的力學性能普遍比第一種熱處理工藝條件下的好。
圖3是第三種熱處理工藝條件下改性高錳鋼的金相組織。可以看出，在這種熱處理工藝條件下，1#試樣的晶界存在大量的大顆粒狀碳化物，這是由于水韌時組織內碳化物不能完全溶解而殘留在晶界．且回火后晶內也析出了部分碳化物。2#試樣晶界碳化物明顯減少，晶內也沒有析出太多碳化物，但奧氏體晶粒較粗大，因此性能也較差。3#試樣經稀土變質處理后，晶粒均勻細小，350℃回火后析出大量顆粒狀碳化物，這些碳化物在奧氏體基體上彌散分布，強化了基體，使鋼的強韌性及硬度都得到提高。4#和5#試樣晶粒都比較粗大，同時析出大量分布比較密集的碳化物，因此強度不高。與5#試樣相比，6#試樣晶粒明顯細化，碳化物析出也較均勻，所以沖擊韌度較好。7#試樣碳含量偏高，回火后析出了大量碳化物，材料強度和沖擊韌度均降低。結合表2和圖3可知，第三種熱處理工藝下，材料的抗拉強度普遍不高，沖擊韌度也比前兩種熱處理工藝差。
根據(jù)以上的實驗結果和分析，選擇改性高錳鋼化學成分及熱處理工藝分別為：冶煉采用稀土變質處理，鑄件熱處理采用第二種工藝，即將鑄件加熱至600℃保溫12h;再加熱到1080℃保溫2h水淬。
3、使用效果
根據(jù)H6000圓錐破碎機兩年多的運行情況看，進口破碎壁、軋臼壁的使用壽命為6-8個月；國產備件從2003年11月30日安裝使用截止2004年10月15日（至令仍在使用）累計運行11個月1750h。此項指標已超過進口備件的使用壽命。
進口破碎壁、軋臼壁按其壽命為8個月、每天設備運行Sh、每小時處理礦量為200t計算，進口備件每套處理礦量為24萬噸；國產備件按運行11個月1750h、每小時處理礦量為200t計算，國產備件每套處理礦量為35萬噸。此項指標已超過進口備件的礦石處理量。
4、結語
(1)合金化高錳鋼的性能與鋼水質量、鑄造工藝和熱處理工藝有很大關系，在生產中必須嚴格控制鋼水的化學成分，進行鑄造工藝優(yōu)化，并選擇合適的熱處理工藝。
(2)按照此工藝生產的球磨機襯板和圓錐破碎機，其軋臼壁、破碎壁等耐磨鑄件的使用壽命是普通高錳鋼的1.3—1.5倍，且處理礦量增加，具有明顯的經濟效益。
