1、合金成分設(shè)計(jì)
合金成分見表1，其設(shè)計(jì)原則是保證有較高的硬度和韌性，使金屬基體組織以貝氏體為主。貝氏體組織的內(nèi)應(yīng)力一般低于馬氏體組織。在外加負(fù)荷和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨粒磨損過程中，組織中殘余內(nèi)應(yīng)力越大，裂紋越易擴(kuò)展，促使磨損加速。因此在硬度相當(dāng)時(shí)，貝氏體組織的耐磨性優(yōu)于馬氏體組織。
2、試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1多元低合金貝氏體鑄鋼的熔煉和鑄造
多元低合金貝氏體鑄鋼用500kg中頻感應(yīng)電爐熔煉。用生鐵、A3廢鋼、碳素鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵配料，溫度升至1580～1620℃，經(jīng)鋁脫氧后出爐。澆包內(nèi)預(yù)先放置有鋇鐵、鈦鐵、硼鐵和釔基稀土，用沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行合金化和變質(zhì)處理。用干模鑄型直接鑄出襯板和錘頭，澆注溫度1440～1480℃。用同包鋼水還澆注了Y型試塊，進(jìn)行性能測試。
2.2熱處理工藝研究
為了提高低合金貝氏體鑄鋼的機(jī)械性能和耐磨性，需要進(jìn)行熱處理。我們研究了冷卻方式對(duì)低合金貝氏體鑄鋼組織與性能的影響，見圖1。多元低合金貝氏體鑄鋼因含有較多提高淬透性元素，具有良好的淬透性，在空冷條件下即可淬硬。
淬火溫度對(duì)低合金貝氏體鑄鋼硬度和沖擊韌性的影響見圖2。溫度低于920℃時(shí)，隨著淬火溫度升高，硬度升高，之后隨淬火溫度升高，硬度反而下降，但在860～950℃，低合金貝氏體鑄鋼具有很高的淬硬性能。這是因?yàn)榇慊饻囟容^低時(shí)，溶于高溫奧氏體中的合金元素少，淬火組織中除了出現(xiàn)貝氏體、馬氏體組織外，還有少量珠光體組織出現(xiàn)；淬火溫度過高，溶入高溫奧氏體中的合金元素增多，奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，淬火組織中有部分殘留奧氏體存在，因此硬度反而下降。隨著淬火溫度升高，低合金貝氏體鑄鋼晶粒不斷長大，沖擊韌性下降。
回火溫度對(duì)低合金貝氏體鑄鋼硬度和沖擊韌性的影響見圖3，回火溫度低于400℃時(shí)，硬度值變化不大，表明這種鋼具有良好的抗回火穩(wěn)定性。回火溫度高于400℃時(shí)，隨著回火溫度升高，硬度降低�；鼗饻囟鹊陀�350℃時(shí)，隨著回火溫度升高，沖擊韌性提高；超過350℃后，隨著回火溫度升高，沖擊韌性降低，在450℃左右達(dá)到最低值；超過450℃，沖擊韌性隨回火溫度升高而增大。
出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是：在較低溫度回火時(shí)，在貝氏體／馬氏體復(fù)相組織中析出均勻彌散并和基體保持共格關(guān)系的￡碳化物，降低貝氏體／馬氏體復(fù)相組織的含碳量，從而增加鋼的韌性，另外鋼在低溫回火時(shí)殘余應(yīng)力的消除也有利于提高鋼的沖擊韌性。當(dāng)回火溫度升高到350℃時(shí)，鋼中￡碳化物含量逐漸減少，而殘留奧氏體逐漸分解，同時(shí)析出與基體非共格的脆性滲碳體，導(dǎo)致鋼的沖擊韌性值降低。隨后，大量滲碳體從貝氏體／馬氏體復(fù)相組織中析出，明顯降低貝氏體／馬氏體含碳量，雖然滲碳體的含量也進(jìn)一步增加，但是此時(shí)鋼中貝氏體／馬氏體的含碳量較低，基體具有很高的韌性，因此回火溫度高于450℃后，鋼的整體韌性開始回升。多元低合金貝氏體鑄鋼回火溫度選擇在330～380℃是較合理的。
2.3耐磨性研究
在MLD-10型動(dòng)載沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試樣尺寸lOmmxlOmmx30mm，沖擊功分別為1.0J和3.5J，磨料為1～2mm的精制石英砂，流量450mL/min，用磨損失重的倒數(shù)表示耐磨性，回火溫度對(duì)低合金貝氏體鑄鋼耐磨性的影響見圖4�？梢娀鼗饻囟鹊陀�350。C時(shí)，隨著回火溫度升高，低合金貝氏體鑄鋼耐磨性增大，回火溫度高于350。C時(shí)，隨著回火溫度升高，低合金貝氏體鑄鋼耐磨性降低。這是因?yàn)椴牧铣惺軟_擊磨料磨損時(shí)，磨損率由兩部分組成，一部分為切削機(jī)制引起的磨損，它主要取決于材料的硬度。另一部分為疲勞機(jī)制引起的磨損，反映材料的塑性，因此疲勞磨損與材料的硬度和塑性兩個(gè)因素有關(guān)。而貝氏體鑄鋼在350℃左右回火時(shí)具有較優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，因此耐磨性最佳。
3、多元低合金貝氏體鑄鋼的應(yīng)用
在實(shí)驗(yàn)室工作的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場進(jìn)行了新型多元低合金貝氏體鑄鋼破碎機(jī)齒板和錘頭的生產(chǎn)試驗(yàn)，產(chǎn)品組織主要為貝氏體、一定量的馬氏體、少于5%的奧氏體和少于2%的碳化物。在齒板和錘頭實(shí)物上用線切割機(jī)切取10mmxl0mmx55mm的無缺口試樣，進(jìn)行了沖擊韌性和硬度測量，結(jié)果表明，其硬度值均在HRC53以上，沖擊韌性均大于11J／cm2。低合金貝氏體鑄鋼齒板和錘頭先后在國內(nèi)多家采石廠和水泥廠進(jìn)行了裝機(jī)試用，結(jié)果表明，它們使用安全，使用中從未出現(xiàn)斷裂，使用壽命比高錳鋼提高3～8倍，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率提高3%~5%。低合金貝氏體鑄鋼成本為8000元／t，高錳鋼成本為5000元／t，前者是高錳鋼的1.6倍，因此可采用低合金貝氏體鑄鋼齒板和錘頭，物料破碎成本降低8%以上，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
4、結(jié)論
(1)以Si、Mn、Cr為主要合金元素，加入適量Mo、V、Ti、B、Y的多元低合金鑄鋼，空冷后可獲得以貝氏體為主的組織，具有硬度和韌性高、耐磨性好等特點(diǎn)。
(2)空冷貝氏體鋼具有良好的抗回火穩(wěn)定性，回火溫度高于400℃時(shí)，隨著回火溫度升高，硬度降低。回火溫度低于350℃時(shí)，隨著回火溫度升高，沖擊韌性提高；超過350℃后，隨著回火溫度升高，沖擊韌性降低，在450℃左右達(dá)到最低值。
(3)用低合金貝氏體鑄鋼代替高錳鋼制造破碎機(jī)齒板和錘頭，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
