新型超高锰钢ZG120Mn23Cr2Mo 材质的实验研究

2019-03-06

铸造设备与工艺 2019年6期

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

随着矿山设备向大型化、智能化发展，对矿用耐磨铸件质量提出了更高的要求，高质量耐磨铸件的需求量将稳定持续增长。高锰钢是一种具有加工硬化能力及耐磨性能优良的材质，但对于厚大断面的耐磨铸件，普通高锰钢材质水韧处理后内部常常出现碳化物而使韧性下降问题；低温下使用的高锰钢铸件也常出现脆断的现象及屈服强度低的问题。为了提高大型高锰钢铸件的耐磨性，进行了新型超高锰钢ZG120Mn23Cr2Mo 材质的实验研究。

1 化学成分设计

新型超高锰钢是在ZG120Mn17Cr2 基础上增加Mn 含量，研制的一种新型高锰钢材质。增加Mn 含量提高奥氏体稳定性，阻止碳化物析出，进一步提高钢的强度和塑性，并提高钢的加工硬化能力和耐磨性；Mn 质量分数为23%时，可达到最好的耐磨性，选择Mn 的范围为21%～25%.加入Cr 可提高材料的强韧性、耐磨性和加工硬化能力，但Cr 质量分数超过2.5%会使冲击韧性下降，选择Cr 质量分数为1.5%～2.5%；加入Mo 能提高厚大件的抗裂性能和淬透性，考虑成本因素选择Mo 质量分数的范围为0.50%～0.80%.

提高C 质量分数可提高材质的硬度及抗磨性能，但塑性和韧性降低，综合考虑C 质量分数控制在1.0%～1.4%范围；Si 具有脱氧的作用，但Si 含量高，材质热处理时易产生晶粒粗大，Si 质量分数控制在0.3%～0.9%范围；材质主要应用于厚大件、高应力及低温等工况条件，要严格控制P、S 等有害元素含量，要求w（P）≤0.06%，w（S）≤0.04%，材质试验成分见表1.

2 材质试验方案

2.1 熔炼试验和试样制备

ZG120Mn23Cr2Mo为高合金铸钢材质，采用50kg真空感应电炉熔炼，为了模拟铸件生产的实际情况，采用真空熔炼和大气状态浇注的试验工艺进行熔炼试验，浇注温度确定为1 430 ℃～1 450 ℃.浇注2 组基尔试块，冷却到室温后，碳刨为8 个单个基尔试块，清理打磨，并进行编号，以备进行热处理及性能对比试验。

按熔炼试验方案进行了2 炉次材质试验及1炉次生产试验，全部符合设计成分要求，选择代表性试验炉次SO2 进行材质热处理和性能试验。材质试验的主要成分如表1.

表1 化学成分（质量分数，%）

2.2 热处理工艺试验方案

高锰钢的常规热处理工艺为1 050 ℃～1 100 ℃水韧处理，ZG120Mn23C2rMo 由于加人了Cr 和Mo合金元素，水韧处理温度比一般高锰钢要高，取上限为1 090 ℃.为了提高材质的耐磨性能，水韧处理后增加低温回火处理工艺。为了确定满足硬度和冲击性能综合性能好的工艺，选择同炉浇注的试块，水韧处理后，选择250 ℃、300 ℃、350 ℃、450 ℃4种不同的回火温度工艺进行对比试验。热处理试验方案见表2.

表2 热处理实验方案

热处理实验后，按照GB/T228.1 标准进行不同试验方案的力学性能对比试验，按照标准GB/T229标准进行常温冲击及低温冲击对比试验，按照GB/T231.1 标准进行不同试样的硬度试验，对试样的显微组织进行了试验，并对试验结果进行了分析，确定优化的热处理工艺。

3 试验结果分析

3.1 拉力性能试验分析

新型超高锰钢ZG120Mn23Cr2Mo 水韧处理后按不同回火工艺进行试验，力学性能试验结果数据见表3 和图1.

拉力性能试验结果表明：（1）水韧处理后，从250 ℃到450 ℃温度范围回火，材质的抗拉强度和伸长率呈现先高后低的趋势。300 ℃回火时抗拉强度达到最高值854 MPa，伸长率为47.0%.350 ℃和450 ℃较高温度回火后，拉力性能和伸长率下降，450 ℃回火后严重下降。（2）从实验结果看，ZG120Mn23Cr2Mo 材质的基础硬度较高，水韧处理后达到224 HB，低温回火后硬度略有提高。

3.2 冲击性能试验分析

按照热处理工艺方案试验后，进行了室温冲击和低温冲击对比试验，试验结果见表4 和图2.

表3 力学性能检测数据

图1 不同回火工艺拉力性能试验结果

表4 冲击韧性试验

图2 回火温度对冲击韧性的影响

试验结果表明：1）ZG120Mn23Cr2Mo 材质，水韧处理后，采用低温回火工艺处理，由于细小弥散碳化物第二相析出，室温冲击韧性和低温冲击韧性有一定提高；在250 ℃回火-40 ℃冲击值为117 J，300℃回火 -40 ℃冲击值达 123.6 J，说明ZG120Mn23Cr2Mo 低温冲击性能较好。2）较高温度350 ℃到450 ℃回火，由于析出碳化物的长大及在晶界析出，冲击韧性呈下降的趋势，特别是450 ℃回火冲击韧性严重下降。较为合适的回火温度为300 ℃.

3.3 金相组织分析

依照试验方案对ZG120Mn23Cr2Mo 材质铸态、水韧处理、水韧处理+300 ℃低温回火状态进行显微组织分析，如图3.显微组织对比分析显示：（1）材质的铸态显微组织为奥氏体+大量碳化物，且碳化物大量在晶界聚集，见图3a）.（2）材质水韧处理后显微组织基体主要为奥氏体，存在极少量未溶碳化物，水韧处理消除了晶界的网状碳化物，见图3b）.（3）材质水韧处理+300 ℃低温回火后，金相组织为奥氏体+少量细小弥散碳化物，晶内颗粒碳化物弥散状分布，见图3c）具有沉淀强化的作用，强化了奥氏体基体组织，提高了材质的初始耐磨性，可提高厚大铸件的整体耐磨性。

3.4 回火处理碳化物显微组织分析

ZG120Mn23Cr2Mo 材质水韧处理后，采用不同的温度回火处理，析出碳化物显微组织形态分析见图4.

从不同回火温度析出碳化物形态分析看：1）采用250 ℃低温回火，奥氏体基体开始析出弥散细小碳化物；回火温度提高到300 ℃，晶内析出的细小碳化物数量增加，呈弥散分布，起到强化基体的作用。2）采用350 ℃较高温度回火，弥散析出的碳化物晶内开始呈针状析出，少量沿晶界析出，影响材质的塑性和冲击性能。3）采用450 ℃高温回火，碳化物以条状沿晶界析出，呈网状分布，对奥氏体基体产生有害作用，降低材质的强度并使组织发脆，拉力性能和冲击韧性严重降低。较高温度的回火工艺，降低高锰钢的综合性能，不适合新型超高锰钢的热处理。

图3 ZG120Mn23Gr2Mo 铸态、水韧处理、水韧+300 ℃回水显微组织对比

图4 ZG120Mn23Cr2Mo 水韧+回火析出碳化物形态分析

3.5 材质的加工硬化特性试验

为了试验材质的加工硬化性能，选择综合性能较好的S02-2 试验料，采用冲击式滚筒设备进行了4 h 小能量冲击硬化试验，然后切锯开试验料，在切割断面从边缘到芯部，进行显微硬度试验，试验结果如图5.

图5 ZG120Mn23CrMo 材质小能量冲击硬化试验

从试验料解剖硬度看，表面冲击硬度最高达386 HB，3 mm 深硬度318 HB，6 mm 深硬度259 HB，试验料的心部硬度在215 HB 以上，硬化深度在3 mm～6 mm，加工硬化特性性能较好。

4 试验结果分析

1）新型超高锰钢ZG120Mn23Cr2Mo 在普通高锰钢基础上，通过增加Mn 含量，并进行Cr、Mo 再合金化，达到提高高锰钢奥氏体的稳定性和水韧处理淬透性，阻止热处理过程厚大部位碳化物的析出，进一步提高钢的强度、塑性和低温冲击性能的目的。材质适合于厚大高锰钢铸件使用。

2）新型超高锰钢热处理工艺方案为水韧处理+低温回火处理，低温回火主要作用为弥散强化奥氏体基体组织。水韧处理后的高锰钢通过低温回火，使基体中析出细小弥散分布的颗粒状第二相质点M23C6，第二相质点起到强化奥氏体基体的作用，提高了超高锰钢的力学性能和耐磨性。试验确定的热处理工艺为1 090 ℃水韧处理+300℃低温回火。

3）新型超高锰钢ZG120Mn23Cr2Mo 的加工硬化是位错强化、孪晶强化及弥散析出的超微细碳化物颗粒强化综合作用的结果；材质的加工硬化能力比普通高锰钢高得多，在小变形情况下就可表现出很高的加工硬化能力，具有较高硬度和韧度的良好配合，综合良好的耐磨性，适用于在高应力、高冲击工况条件下大断面工件的使用，也适合低温条件下耐磨零件的应用。

4）新型超高锰钢材质适用于大型旋回破碎机动锥、动锥，大型鄂式破碎机鄂板、锤板，大型耐磨衬板等厚大高锰钢件的使用，适用于高寒低温地区大型矿山破碎磨机等耐磨铸件的使用。特别适合受应力大、冲击磨损严重的破碎机破碎段定锥衬板及动锥衬板等耐磨零件应用（如图6），比普通高锰钢材质具有更高的抗磨性及耐磨损使用寿命，材质的应用具有较广泛市场。