王仲玨 傅宏江 張芬紅 陳樹立 俞保平

(1.安徽工程大學(xué)，安徽241000；2.河北海鉞金屬耐磨材料科技有限公司，河北064400； 3.合肥開爾納米科技有限公司，安徽230000；4.浙江長興震瀚裝備制造科技有限公司，浙江313100； 5.安徽蕪湖和蓄機(jī)械制造科技有限公司，安徽241000)

在受較大沖擊應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的工況條件下，奧錳鋼仍是一種具有較好耐磨性能的材料[1]。由于缺乏有效的精煉方法、變質(zhì)方法和工藝手段，制約了奧錳鋼耐磨性能的提升和應(yīng)用。

奧錳鋼金相組織是單相奧氏體組織，在其基體中殘存有形態(tài)、大小、數(shù)量和分布狀態(tài)各異的碳化物和以氧化物、硫化物、硅酸鹽為主的非金屬夾雜物等。在一定的工況條件下，工件受到不同應(yīng)力的作用，所產(chǎn)生的溫度和環(huán)境的酸堿度均有可能使其表層組織發(fā)生變化，從而使其具有獨(dú)特的力學(xué)性能和使用性能。

長期、大量的研究表明：組織、力學(xué)性能、加工性能和使用性能相似的奧錳鋼可分為三類：中錳鋼；高錳鋼；超高錳鋼[2]。

針對不同工作環(huán)境對奧錳鋼鑄件力學(xué)性能、加工性能和使用性能的影響，分別在成分設(shè)計、冶金處理工藝、鑄造工藝和熱處理工藝上進(jìn)行了詳細(xì)研究，并利用顯微分析技術(shù)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取證和分析。研究表明，正確的奧錳鋼基本成分設(shè)計、微合金化和采取有效的復(fù)合精煉是獲得高性能耐磨奧錳鋼的前提和必要條件。利用熔煉條件或爐外精煉條件、利用鑄造成型方法特別是消失模鑄造、利用納米級尺寸的變質(zhì)劑或孕育劑施以改性處理是獲得高性能耐磨奧錳鋼的充分條件。

1 奧錳鋼鑄件材料研制方法

1.1 材料研究

奧錳鋼材料的主要特性為：

(1)由合金導(dǎo)熱特性確定，在較高溫度下充型和凝固易產(chǎn)生柱狀晶；

(2)凝固方式傾向于中間凝固，易產(chǎn)生成分偏析和形成熱裂；

(3)碳化物易沿晶界呈網(wǎng)狀析出；

(4)在較大沖擊、擠壓應(yīng)力作用下，表層易產(chǎn)生加工硬化；

(5)具有較高韌度；

(6)熔煉工藝處理不當(dāng)，易產(chǎn)生較多彌散殘留物存于鋼液中。

奧錳鋼材料改性的主要期望是：

(1)提高不易產(chǎn)生柱狀晶的澆注溫度；

(2)提高工件表面起始硬度；

(3)減少夾雜、偏析，避免熱裂；

(4)消除網(wǎng)狀碳化物，凈化晶界；

(5)提高工作面表層加工硬化速率和加工硬化能力；

(6)提高磨后硬度、強(qiáng)度和韌度。

1.2 工藝研究

1.2.1 控制P含量

奧錳鋼磷含量是影響工件力學(xué)性能和使用壽命的最重要因素[3]?？刂屏缀康闹饕に囃緩綖椋?/p>

(1)控制爐料含磷量(尤其是采用感應(yīng)爐熔煉時)；

(2)早造渣，造好渣(采用鋇鈣系無機(jī)物造高堿度渣料)，勤扒渣，勤造渣；

(3)加強(qiáng)精煉。

1.2.2 凈化鋼液，凈化晶界

(1)沉淀式復(fù)合預(yù)脫氧應(yīng)先加錳鐵，避免形成微小高彌散的氧化物污染鋼液，富集晶界[4]；

(2)采用氣體浮游法精煉。

1.2.3 勻晶強(qiáng)化

(1)在實(shí)現(xiàn)鋼液高度凈化的前提下，強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)鑄件凝固溫度場均勻化的鑄造工藝設(shè)計內(nèi)容；

(2)采用有效的孕育劑、變質(zhì)劑達(dá)到增加共晶團(tuán)數(shù)量和改變鑄態(tài)結(jié)晶組織并使之趨于均勻化。

1.2.4 彌散強(qiáng)化

(1)采用高熔點(diǎn)、未氧化的鋼液活性微粒子在熔煉后期、充型和凝固過程中高度彌散的分布于晶界、晶內(nèi)。部分與濃度起伏的近程有序的原子集團(tuán)共同形成有效晶核，起到細(xì)化晶粒的作用；

(2)采用具有珠光體細(xì)化和促進(jìn)碳化物溶解呈彌散化分布的水韌處理工藝。

1.2.5 減少應(yīng)力

(1)正確設(shè)計澆注系統(tǒng)、鑄件引液位置。設(shè)計冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，制定可最大程度減少殘余應(yīng)力的鑄造工藝；

(2)采用可最大程度減少應(yīng)力的熱處理工藝。

1.2.6 成分設(shè)計

在基本成分按中錳鋼、高錳鋼、超高錳鋼設(shè)定的前提下，微合金化體現(xiàn)于：

(1)加鉻主要是增加工件淬透性；

(2)加稀土、鈦和硼主要是細(xì)化晶粒和增加工件工作面表層加工硬化速率和加工硬化能力。

1.2.7 提高表面起始硬度和磨后硬度

(1)在工件韌度大為提高的前提下，最大程度增加工件碳含量；

(2)利用消失模鑄造實(shí)現(xiàn)工件工作面耐磨合金鑄滲處理。

2 復(fù)合精煉提高奧錳鋼的純凈度

奧錳鋼鑄件的工藝研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，提高奧錳鋼的純凈度是進(jìn)行材料改性處理和提高鑄件力學(xué)性能、加工性能和使用壽命的前提。熔池底部吹氬精煉、熔池頂面覆蓋精煉和轉(zhuǎn)包沖入精煉均是效果顯著的精煉方法。

2.1 底部吹氬精煉

底部吹氬是高效便捷的精煉方法。

在爐底部安裝透氣磚及吹氬裝置進(jìn)行吹氬處理，得到極好的精煉效果。感應(yīng)爐底吹氬裝置安裝示意圖如圖1所示。

1 —透氣磚 2 —不銹鋼殼 3 —石英砂 4 —不銹鋼漸擴(kuò)室 5 —剛玉坐磚 6 —陶瓷管7 —石棉板 8 —中頻爐底板 9 —石棉墊片 10 —螺母 11 —金屬軟管圖1 感應(yīng)爐底吹氬裝置安裝示意圖Figure 1 The schematic drawing of induction furnace bottom argon blowing device installation

2.2 熔池頂面覆蓋精煉

熔池頂面覆蓋精煉主要有兩種方法：

(1)熔煉后期，可移式吹氬氣膜裝置(圖2)在感應(yīng)爐爐殼上端形成致密的氬氣膜，它不僅起到鋼液與大氣的隔絕作用，且與熔池上形成的稀渣配合將熔池中鋼液內(nèi)的各種氣體和可上浮的夾雜和冶金渣充分逸出和集聚。

(2)熔煉后期，將復(fù)合精煉劑均勻加入液面。精煉劑有兩個作用：通過不斷翻動鋼液，發(fā)生系列冶金反應(yīng)，完成造渣過程；形成的精煉渣與鋼液的接觸面應(yīng)具有吸蓄氣體和粘附上浮夾雜和冶金渣的能力。

當(dāng)然，這兩種覆蓋精煉方法既可單獨(dú)使用也可聯(lián)合使用。聯(lián)合使用時，應(yīng)控制渣的稀稠度。

1 —球閥 2 —儲氣腔體 3 —滾輪 4 —螺釘孔 5 —金屬墊片 6 —螺釘圖2 吹氬氣膜裝置Figure 2 Argon blowing film device

1 —磁性警示板 2 —閘閥1 3 —止回閥1 4 —管路1 5 —蝶閥 6 —球閥1 7 —球閥2 8 —罐體 9 —透視鏡1 10 —閘閥2 11 —回料管 12 —球閥3 13 —橡膠管 14 —球閥4 15 —支架小車 16 —透視鏡2 17 —止回閥2 18 —球閥5 19 —負(fù)壓裝置 20 —球閥6 21 —管路2 22 —壓力表圖3 吹氬噴粉裝置Figure 3 Argon blowing powder-spraying device

2.3 轉(zhuǎn)包沖入精煉

在鋼液沖入前將干燥處理的0.1%～0.2%無機(jī)脫氧、脫硫礦物質(zhì)放入包底，加少許產(chǎn)生高蒸氣壓的活性物質(zhì)后，即刻進(jìn)行鋼液沖包。沖包結(jié)束后，應(yīng)立即將攪渣扒入鋼包液面約100 mm處快速施以攪拌，以提高精煉效果[7]。

3 納米變質(zhì)改性奧錳鋼

近年來，國內(nèi)已有多家科研單位和企業(yè)采用納米級粉料、納米晶合金塊、非晶態(tài)納米級粉料等微量添加劑改性奧錳鋼，但效果一直不穩(wěn)定。

經(jīng)過大量分析研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)奧錳鋼高度純凈化的前提下，采用底部噴粉變質(zhì)、喂絲插入變質(zhì)、轉(zhuǎn)包沖入變質(zhì)和消失模鑄造白模浸涂、流涂、刷涂變質(zhì)可獲得較好的效果。

3.1 底部噴粉變質(zhì)

采用如圖3所示的吹氬噴粉裝置，將35 nm～65 nm的TiN經(jīng)無氧處理后，置于負(fù)壓吸送，納米粉體在拉應(yīng)力狀態(tài)下通過狹縫型透氣磚裝置從感應(yīng)爐底部噴射到熔池。

底部噴粉變質(zhì)的工藝特點(diǎn)主要是：感應(yīng)爐爐料熔化到1/4左右時，開始少量吹氬，一般吹氬精煉時間以20 min為宜。繼而，以0.45 MPa～0.65 MPa壓力吹氬噴粉1 min左右后，靜置2 min～3 min后出鋼。吹氬噴粉裝置實(shí)現(xiàn)智能控制后，此方法可適用于大中小熔池。

3.2 喂絲插入變質(zhì)

采用08Al制殼，內(nèi)芯為納米變質(zhì)劑 + 固體中性汽化劑，采用普通型冶金用自動喂絲機(jī)構(gòu)。操作前，調(diào)好喂絲速度和喂絲時間即可。此方法一般適用于中小熔池。

3.3 轉(zhuǎn)包沖入變質(zhì)

在鋼液轉(zhuǎn)包前，將納米晶或含納米變質(zhì)劑的壓片(內(nèi)含脫氧劑+低熔點(diǎn)無機(jī)中性高氣化粘結(jié)劑)置于包底，并立即沖入鋼液。此方法僅限于小熔池。

3.4 消失模鑄造白模浸涂、流涂、刷涂變質(zhì)

在白模的工件工作面選用高碳鉻鐵作鑄滲層增強(qiáng)相，并用納米級還原鐵粉作調(diào)節(jié)劑，稀土Ce作表面活性劑，粘結(jié)劑為PAF改性淀粉，溶劑選用硼砂。將涂料攪拌均勻后涂掛在聚苯乙烯泡沫模型上，干燥后與澆注系統(tǒng)粘結(jié)到一塊。為防止粘砂，再涂掛一層高透氣性自制耐火涂料，在烘房內(nèi)烘干，其后埋在砂箱中振動緊實(shí)，負(fù)壓澆注。

4 結(jié)論

初步的研究表明，復(fù)合精煉對純凈奧錳鋼液和充分發(fā)揮納米變質(zhì)對奧錳鋼的改性效果具有十分重要的。

文中所述復(fù)合精煉與納米變質(zhì)對奧錳鋼實(shí)施改性處理的方法是三年來的工作體會。為了更好的將科研成果應(yīng)用到實(shí)際中，河北省金屬耐磨材料工程技術(shù)中心擬對如下幾個專題開展進(jìn)一步的深入研究并進(jìn)行較全面的實(shí)踐驗(yàn)證與成果完善：

(1)在研究復(fù)合精煉奧錳鋼的工藝中，突出對感應(yīng)爐爐底吹氬工藝的進(jìn)一步研究，解決使用狹縫型透氣磚裝置一體化完成復(fù)合精煉和納米變質(zhì)的工藝成熟性，并解決與高爐齡爐襯使用壽命保持同步的問題；

(2)在現(xiàn)行使用的吹氬噴粉裝置基礎(chǔ)上，開發(fā)吹氬壓力、納米流質(zhì)流量、納米流質(zhì)吹入時間、納米粉體脫氧程度等重要參數(shù)的信息傳感檢測和動態(tài)處理；采用智能元件完成復(fù)合精煉工藝內(nèi)容到納米變質(zhì)工藝內(nèi)容的邏輯程序、時間特性的自動化控制和對運(yùn)行過程出現(xiàn)的故障實(shí)施報警、適時排除等智能化功能控制的內(nèi)容；

(3)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，加強(qiáng)電子顯微結(jié)構(gòu)分析，尋找復(fù)合精煉與納米變質(zhì)對材料改性作用的客觀實(shí)據(jù)；

(4)深入研究針對不同類型奧錳鋼使之具有珠光體細(xì)化和促進(jìn)碳化物溶解呈彌散化分布的水韌處理工藝，并探討其組織形成機(jī)制；

(5)在研究復(fù)合精煉與納米變質(zhì)改性奧錳鋼的成熟化進(jìn)程中，開展在其它鋼鐵材料改性處理上的應(yīng)用推廣研究。

[1] 李衛(wèi).耐磨鋼鐵件的市場與生產(chǎn)[J].鑄造，2004，53(12)：958-961.

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[3] 杜西靈，杜磊.鋼鐵耐磨鑄件鑄造技術(shù)[M].廣州：廣州科技出版社，2005：20-33.

[4] 劉世永，史雅琴，李世軍.碳化物彌散分布耐磨高錳鋼的研究[J].機(jī)械工程材料.1996,20(4):18-19.

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[7] 何力，伍玉嬌，張嘵燕，等.錳系奧氏體鋼的發(fā)展及前景[J].現(xiàn)代機(jī)械.1999(2):12-17.