正确选择不同服役条件下锰系奥氏体钢的成分和热处理工艺，是发挥其抗磨潜力的重要方面。本课题中，在充分考虑镍铜矿用圆锥破碎机特殊性能的条件下，根据圆锥破碎机衬板用耐磨材料的使用情况、工况条件和性能要求，对钢的化学成分、热处理工艺、综合性能进行了试验研究，并优化出一套最佳热处理工艺方案，制定了熔炼、铸造、热处理工艺，进行了生产小试和装机运行。
1、改性高锰钢的热处理工艺
高锰钢的热处理工艺有水韧处理和沉淀强化热处理。
水韧处理是将钢加热到Ac。以上保温一段时间，使铸态组织中碳化物溶解、共析组织奥氏体化、铸态组织全部消除，得到化学成分均匀的单相奥氏体组织，然后快速冷却得到过冷的奥氏体固溶体。通过水韧处理可以提高钢的力学性能并在强冲击磨料磨损的条件下表现出好的耐磨性。
沉淀强化热处理是通过热处理使奥氏体基体中出现弥散分布的第二相，使基体得到强化，从而提高材料抗磨料磨损的能力。因为沉淀强化热处理时通常需要加入与碳结合能力较强的合金元素，使奥氏体中析出合金元素的碳化物，成为第二相，所以高锰钢中锰、碳的含量都将有所变化。在一定的工况条件下这种沉淀强化的高锰钢有很好的抗磨料磨损的能力。
本试验将对7种不同成分的改性高锰钢分别进行3种工艺的热处理，分析不同的热处理工艺对材料力学性能的影响。改性高锰钢的化学成分如表1所示。
由于本试验的改性高锰钢中加入了与碳结合能力较强的合金元素铬、钼，所以在确定改性高锰钢的加热温度时应当考虑碳化物的充分溶解、奥氏体适宜的晶粒度、钢中化学成分尽可能均匀，并防止过热组织的出现，最终得到最佳的力学性能。
由于合金元素铬、钼的加入，组织中可能会出现特殊碳化物，而这些碳化物溶解较困难，所以温度要稍高一些。因此改性高锰钢的加热温度应较普通高锰钢提高30—50℃。本试验将改性高锰钢的水淬温度定为1080℃。
为使奥氏体晶内析出弥散相碳化物，同时消除奥氏体晶界的碳化物，从而增加材料抵抗磨料磨损的能力，采取了以下热处理工艺：
(1)加热至950℃保温1.5h，炉冷，加热到1080℃保温2h．水淬：
(2)加热至600℃保温12h，加热到1080℃保温2h，水淬；
(3)加热至1080℃保温2h,水淬，加热至350℃保温8h，空冷。
2、热处理工艺对改性高锰钢组织和力学性能的影响
不同热处理工艺条件下各种成分改性高锰钢的力学性能如表2所示。
图l是第一种热处理工艺条件下不同成分改性高锰钢的金相组织。结合表2和图l可以看出，1#试样晶粒较粗大，晶界存在大量碳化物；2#试样品界碳化物稍少，晶粒仍比较粗大，但其力学性能要比1#好：3#试样加入稀土硅铁合金进行变质处理后，晶粒明显细化，冲击韧度和抗拉强度也明显提高。所以3#试样的综合力学性能比1#、2#试样好。这是因为：①1#试样的铬含量较高，使钢的抗拉强度有所下降，且在常温下，铬含量的增加将降低钢的冲击韧度；②由于铬能加快高温区内碳化物的析出速度，所以在凝固后的冷却过程中有大量碳化物出现；③由于铬的扩散特点和铬对扩散过程的影响，加铬后的奥氏体稳定性提高，共析转变开始较晚。4#试样的碳化物数量减少，虽然晶粒仍然很粗大，但性能比1#试样要好。5#试样比4#的抗拉强度及冲击韧度都有所降低．只是硬度稍有提高。这是因为5#试样的铬含量增加，使铬的碳化物增多，即硬质点增多，因此硬度稍有提高。6#试样加入稀土进行变质处理后，晶粒明显细化，综合力学性能最好。7#试样晶粒较粗大且晶界存在大量碳化物，而锰、铬等碳化物形成元素含量的降低，使奥氏体不能完全溶解碳化物而在晶界聚集，所以力学性能较差。
图2是第二种热处理工艺条件下改性高锰钢的金相组织。第二种热处理工艺采用了中间600℃保温较长时间的方法。根据Fe-Mn-C三元合金相图，当加热温度低于400℃时，铸态组织没有明显变化，当升温到450℃左右时开始有针状碳化物析出，达到500℃时碳化物数量明显增加，大约在550℃时碳化物数量达到最大值，到600℃时针状碳化物变短变粗。在加热过程中随着碳化物析出、溶解的同时，金属基体组织也在发生变化，当温度达到550—600℃时基体发生共析分解，形成珠光体。由于珠光体析出时，碳化物是引领相．所以开始时碳化物四周的奥氏体先分解形成珠光体，随后珠光体范围扩大，形成珠光体层片状晶团，并随温度的升高趋于粒状化，但奥氏体能够全部分解。同时碳化物充分分解的产物一碳和合金元素固溶于奥氏体并扩散形成成分尽可能均匀的合金化奥氏体。
保温时间的确定要考虑铸件壁厚、固溶处理温度、钢的化学成分、铸件结构特点等，铸件壁愈厚，保温时间就愈长，经验数据是每25mm保温1h。钢中含有铬、钼等合金元素，这些特殊的碳化物溶解困难，且合金元素扩散速度慢，保温时间也要适当延长。本试验考虑衬板的厚度和结构等因素，将中间保温时间延长到12h。就能充分发生共析转变，并使碳化物得到球化。综合比较发现，第二种热处理工艺条件下，改性高锰钢的力学性能普遍比第一种热处理工艺条件下的好。
图3是第三种热处理工艺条件下改性高锰钢的金相组织。可以看出，在这种热处理工艺条件下，1#试样的晶界存在大量的大颗粒状碳化物，这是由于水韧时组织内碳化物不能完全溶解而残留在晶界．且回火后晶内也析出了部分碳化物。2#试样晶界碳化物明显减少，晶内也没有析出太多碳化物，但奥氏体晶粒较粗大，因此性能也较差。3#试样经稀土变质处理后，晶粒均匀细小，350℃回火后析出大量颗粒状碳化物，这些碳化物在奥氏体基体上弥散分布，强化了基体，使钢的强韧性及硬度都得到提高。4#和5#试样晶粒都比较粗大，同时析出大量分布比较密集的碳化物，因此强度不高。与5#试样相比，6#试样晶粒明显细化，碳化物析出也较均匀，所以冲击韧度较好。7#试样碳含量偏高，回火后析出了大量碳化物，材料强度和冲击韧度均降低。结合表2和图3可知，第三种热处理工艺下，材料的抗拉强度普遍不高，冲击韧度也比前两种热处理工艺差。
根据以上的实验结果和分析，选择改性高锰钢化学成分及热处理工艺分别为：冶炼采用稀土变质处理，铸件热处理采用第二种工艺，即将铸件加热至600℃保温12h;再加热到1080℃保温2h水淬。
3、使用效果
根据H6000圆锥破碎机两年多的运行情况看，进口破碎壁、轧臼壁的使用寿命为6-8个月；国产备件从2003年11月30日安装使用截止2004年10月15日（至令仍在使用）累计运行11个月1750h。此项指标已超过进口备件的使用寿命。
进口破碎壁、轧臼壁按其寿命为8个月、每天设备运行Sh、每小时处理矿量为200t计算，进口备件每套处理矿量为24万吨；国产备件按运行11个月1750h、每小时处理矿量为200t计算，国产备件每套处理矿量为35万吨。此项指标已超过进口备件的矿石处理量。
4、结语
(1)合金化高锰钢的性能与钢水质量、铸造工艺和热处理工艺有很大关系，在生产中必须严格控制钢水的化学成分，进行铸造工艺优化，并选择合适的热处理工艺。
(2)按照此工艺生产的球磨机衬板和圆锥破碎机，其轧臼壁、破碎壁等耐磨铸件的使用寿命是普通高锰钢的1.3—1.5倍，且处理矿量增加，具有明显的经济效益。
