针对生产过程中各个环节分析高锰钢铸件裂纹产生的原因

篇一：细晶化在高锰钢铸件生产中的应用

细晶化在高锰钢铸件生产中的应用

郭儒欢

提 要：根据Hall-Pitch关系，即金属材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比，表明

通过细化晶粒可以使钢的强度成倍增加。本文着重从生产实际，通过细化晶粒的方式来改善高锰钢件的力学性能。

关键词：高锰钢 细化晶粒 新工艺 提高

高锰钢是历史最悠久的一种耐磨材料，它是由英国的Robert Hadfield研制，于1883年获得英国专利。一百多年来，高锰钢的成份范围没有任何大的改变。目前材料界研究的主导方向之一就是细晶化，力图通过细化晶粒来改善高锰钢的力学性能，拓宽高锰钢的应用范围，延长高锰钢产品的服役期，从而达到节省资源及社会经济可持续发展的目的。

通过多年生产实践，本着控制生产成本、简化生产工艺的原则，我们采取了以下措施来改善高锰钢的力学性能，提高高锰钢产品的使用寿命。

一、加入微量合金元素

高锰钢的热导率比碳钢低得多(仅为中碳钢热导率的1/3~1/2)。由于热导率低，使得钢液凝固缓慢。在钢的凝固过程中，树状晶长得粗大，很容易长成条状的柱状晶。在厚大断面情况下，特别是在铸型导热性不良时，可能出现穿晶（粗大的柱状晶粒贯穿整个断面）。如果外力作用和柱状晶生长方向一致，严重的会引起断裂和破碎。

为此，我们的做法是：加入钒、钛合金元素作生核剂。钒、钛的碳化物和氮化物的颗粒细小，成弥散状悬浮在钢液中。它们的熔点远高于钢液温度，能保持长时间不被熔化。并且这两种元素的碳化物和氮化物与高锰钢的结晶相具有相同的晶格类型，晶格常数也相近，因此在高锰钢的结晶过程中能起到外来核心的作用。故能明显细化晶粒。晶粒细化能使位错密度增加，而高锰钢加工硬化的基础就是位错，位错密度增加，促使加工硬化能力提高。另外，少量的高硬质点（TiC、TiN、VC）在钢中弥散分布，能增加高锰钢抗磨料磨损能力。

加入时采取炉前加入的方式，即先将敲碎的钒、钛合金颗粒预先放入钢水包内，用钢液流冲化。这种方式的利用率最高，并且各种试验结果显示钒、钛结合使用，高锰钢的性能提高更明显。

二、控制浇注温度及外冷铁激冷

浇注温度对高锰钢的晶粒大小有着显著的影响。浇注温度高时，钢液积蓄的热量多，钢的凝固速度慢，因而力学性能低。表1中的数据表明了浇注温度对钢的晶粒度及力学性能的影响。在保证

充满铸型的条件下，采用较低的浇注温度，有利于得到比较细的晶粒和较高的力学性能

另外，对于有厚大断面或热节的铸件，我们采用外冷铁激冷的方式。这样既能提高工艺出品率，又可局部细化晶粒。

三、热处理新工艺细化晶粒

从高锰钢加热过程中行为得知，加热到550℃~600℃温度区间，部分奥氏体转变为珠光体。当温度超过Ac1点，珠光体晶团转变为奥氏体，此为奥氏体的重结晶。珠光体转变在奥氏体晶界上形核，其引领相为渗碳体。这样在一个奥氏体晶界上形成数个晶核，则一个奥氏体晶粒就变成了数个珠光体晶团。珠光体分散度愈高，奥氏体重结晶形核愈多; 珠光体晶团数量愈多，转变后奥氏体晶粒增加愈多，从而达到细化晶粒的目的。

据此，我们制定的工艺是：加热到500℃时保温1~3h（视铸件厚度而定），后升温到600℃保温1~2h。这样既可增加珠光体晶团，以细化晶粒; 又可减小铸件内外温差（尤其是厚壁件），从而减少高锰钢件在加热过程中变形或开裂。随后连续升温至1050℃~1080℃，在含碳量高或合金含量高时取上限。保温时间按照壁厚25mm保温1h计算，确保高锰钢中碳化物完全溶解和奥氏体均匀化。保温时间不能过久，否则会导致铸件表面脱碳。

在出炉前10~15min，再将炉温升高10℃~15℃，最高不要超过

1100℃。水韧固溶处理时，高锰钢件入水前的温度应在960℃以上，以避免碳化物重新析出。为此，高锰钢件从出炉到入水的时间不应超过30s。入水时的水温保证在40℃以下，淬火后最高水温不超过60℃。水温对高锰钢力学性能的影响见表2。水韧处理时的水量，须达到铸件和吊栏重量的10倍以上。条件允许时，用水质干净的循环水。高锰钢件入水后冷却到80℃以下，以出水后铸件表面不冒气为原则。

四、结论

通过采取以上措施，我们铸造的高锰钢产品性能有较大幅度提高。广东明珠集团大顶铁矿选矿厂φ2.7×3.6球磨机衬板使用我公司产品，平均寿命超过8000小时，而其原用衬板平均在6000小时左右，使用寿命提高33%。

广西西普南雁水泥（蒙山）有限公司φ3.8×14m水泥磨一仓衬板等耐磨件采用我公司高锰钢产品，单台磨机使用寿命15个月以上，处理水泥超40万吨。期间无断裂、无磨穿现象，而原用衬板最多使用不到12个月，处理水泥30万吨左右，效率提高25%。 我们在其它选矿厂、水泥厂使用的高锰钢产品都达到预期效果，为用户创造了可观的经济效益。

参考文献

[1] 耿浩然 章希胜 陈俊华等编著 现代铸造合金及其熔炼丛书.铸钢北京：机械工业出版社2007

[2] 中国机械工程学会铸造手册：第二卷[M].2版 北京：机械工业出版社 2002

[3] 谢敬佩 李卫 宋延东 陈全德著 耐磨铸钢及熔炼. 北京:机械工业出版社 2003.6

[4] 陈华辉 邢建东 李卫主编 耐磨材料应用手册. 北京：机械工业出版社 2006.8

[5] 何奖爱 王玉玮编著. 材料磨损与耐磨材料. 沈阳：东北大学出版社 2001.4

篇二：高锰钢工艺

高锰钢铸造工艺

1高锰钢的化学成分设计：

1.1碳：

在常温强烈冲击载荷下的服役工件，碳含量控制在1.02以下，甚至1.0以下。在低温下服役工件，要控制碳含量1.0以下，固溶处理后，原始硬度为HB170-210，使用后硬度高达450-480，硬化层深度达18mm，含碳量高的硬度只达HB350-400，硬化深度只有7-8mm。强冲击（或挤压），选碳含量较低；低应力，软物料磨损情况，选含碳量偏高。

薄件冷速快，碳化物不易析出，碳含量可选择高一些；结构复杂，铸造容易产生裂纹，也易碳含量偏低。

1.2锰：

一般锰含量大于12%，铸件结构复杂，高应力下服役，壁厚大，为获得高韧性，锰含量高一些。

当高锰钢中锰与碳的含量比小于8时，经常规热处理，在晶界上易出现状碳化物和过量残余碳化物，铸件的强度、韧性和塑性降低，钢质变脆。

1.3硅：

硅应控制在0.5%左右，（0.4-0.6）超过0.5%,尤其是超过0.8%，将会造成碳化物粗大，导致韧性降低，薄壁件可选上限。

1.4硫和磷：

锰铁含磷较高，有的高达0.3-0.4%，将带入0.075-0.085%的磷，

一般磷含量控制在0.07%以下，可用硅钙脱磷。高锰钢中含硫低，一般都低于0.02%，

1.5铝：

浇注前，在包中补加铝0.05-0.08%，保证铸件中残铝0.035-0.04%，才能保证钢液脱氧良好。加铝终脱氧后必须在10min钟内浇完。铝量过高，可形成铝氮，它在高温溶解在奥氏体中，随温度降低，从奥氏体中析出，沉积于晶界，引起热裂和晶界脆化，形成石状断口，造成晶界断裂。高锰钢中残铝大于0.3%时，使高锰钢晶粒粗大。

转包浇注，一般中小件，壁厚不大于100mm，金属型、干型加0.15%（1.5Kg/t钢水），湿型加0.2%（2Kg/t钢水），在大型厚壁件出钢时，先在炉中或包内加0.2%（2Kg/t钢水），浇注时1-2min在包中补加铝0.05-0.08%（0.5-0.8Kg/t钢水）。如果底注式包浇注，加铝可适当降低。降低量不超过0.05%，但最低加入量要保证0.15%，大型厚壁件要保证钢中残铝量0.035%-0.045%。

1.6铬：

铬、锰都是网状碳化物形成元素，高锰钢加铬后，铬和锰交互作用使晶界网状碳化物有所增加，为使网状碳化物溶解，故固溶温度要升高。

在ZGMn13中加入1-3%铬后，屈服强度提高了40-60MPa，。普通高锰钢制作球磨机衬板，由于长期受到磨球的冲击，会产生流变，使衬板间装配缝消失，有时还会因流变使衬板交接在一起，使更换衬板产生困难。为了卸下衬板有时还得动用火焰切割，加铬高锰钢衬板

的使用基本克服了衬板的流变。

1.7钼：

含钼碳化物可在奥氏体中沉淀析出或弥散析出，使奥氏体得到沉淀硬化或弥散硬化，从而使高锰钢耐磨性提高。

因含钼碳化物在奥氏体晶界形核困难，生长速度缓慢，所以含钼高锰钢铸态组织中不出现晶界连续网状碳化物，晶界碳化物比普通高锰钢少，枝晶间碳化物较多。碳化物以块状为主，使铸态高锰钢强度、塑性、韧性增加。钼还能抑制和消除针片状碳化物形成。在大断面高锰钢铸件中加入钼可减少组织中碳化物数量，提高大断面高锰钢的韧性。钼含量为2%时，即使铸件断面到250mm厚，仍能保持这种碳化物的分布和形状。因此，可以提高高锰钢中的碳含量，可提高到1.7%左右也不致造成过多碳化物析出，有利于材料在强烈冲击载荷下抗磨性提高。

锰、铬是过热敏感元素，而钼不是，钼的加入，可阻止奥氏体在固溶处理时加热和保温过程中长大。在相同热处理条件下，含钼高锰钢的晶粒较细，有利于屈服强度提高而不降低其塑性。

含钼高锰钢固溶处理后可进行焊补，甚至焊接，不需在重新热处理，给生产和使用带来方便。

对含钼高锰钢进行固溶处理后可进行时效处理，时效温度不要高于400℃，（≦400℃），可促使碳化物在奥氏体上弥散析出，但又不降低高锰钢的韧性，使高锰钢弥散硬化。高硬度质点弥散析出能明显提高材料在粉磨作业中抗磨性能。

1.8镍：

大断面高锰钢铸件（＞200mm），经固溶处理心部碳化物难以消除，需加入镍给以改善。

高锰钢中加入2.5%以上的镍，由于奥氏体稳定，碳化物不易从奥氏体中析出。低碳（0.9%）高锰钢加入3%以上的镍，甚至铸态下可得到单项奥氏体组织。在一般高锰钢中加入2.5-4%的镍，热处理空冷也可得到单一奥氏体。使用对一些大断面铸件（壁厚达400mm）加入2.5%以上的镍，经水冷固溶处理能得到单一奥氏体组织。

镍的加入提高了高锰钢的铸态韧性和固溶态(经1050℃水韧处理)的低温韧性。

1.9钛：

钛加入的有利作用就是细化晶粒。一般少量加入的晶粒度可细化1-2级。钛细化晶粒和壁厚有关，薄壁凝固速度快，细化晶粒明显。厚壁件，凝固缓慢，TiC、TiN颗粒长大将失去作为外来结晶核心的作用。钛还能抑制高锰钢柱状晶的生长，防止形成穿晶。 2造型：

采用水玻璃砂，表面刷镁砂粉涂料，刷两遍，不易做厚壁件。 尽量采用保温冒口

用外冷铁要覆一定厚度的型砂，严防穿晶组织产生。外冷铁覆砂厚度一般在10mm左右。

3熔炼：

回炉料 使用不应超过25％。

高锰钢属碱性，炉衬选用碱性或中性材料。

高锰钢的出钢温度达到1500-1520℃，即钢水面上有褐黄色烟时，表示已达到出钢温度，应立即出钢。

加入适量稀土元素，能阻止晶粒长大，浇注前在浇注包中加稀土，在高锰钢中最佳加入量为0.3%。

浇注包在接下一包前不得有残余钢水。

4浇注：

高温浇注会使晶粒粗大，并出现柱状晶。过高浇注温度甚至会出现穿晶。粗晶与柱状晶将降低高锰钢的耐磨性，因此，采用低温快浇工艺。控制冒口结膜时间0-5S。浇注温度一般控制在1420-1440℃。 用热钢水点浇冒口，从浇口浇注到冒口升到其1/3高度后，从冒口浇注到冒口充满，浇注完第二型后，点浇前一型冒口。 5清理：

碳含量大于1.3以上的高锰钢铸件，在落砂清理和吊运中，严禁锤击和高空落地，防止铸件破裂。

严格控制打箱时间，打箱后不得将铸件放在过堂处。搬运过程中尽量少碰撞，严禁浇水，以防由于应力和激冷造成铸件开裂。

铸件入炉热处理前，主要清理掉披缝和粘砂。披缝较薄，热处理加热时会脱碳，入水后变成马氏体，马氏体相变体积膨胀，可能会使铸件本体在拉应力下产生裂纹，甚至报废。（高温氧化气氛条件下，高锰钢脱碳层表面含碳量可降至0.1-0.2%，深度达几毫米。

严重粘砂将降低高锰钢本体入水后的冷却速度，造成晶界碳化物

篇三：高锰钢铸件浇冒口去除方法

高锰钢铸件浇冒口去除方法

高锰钢铸件浇冒口和缺陷补焊处的去除和切割，一般有5种方法可用。其中第一种方法最佳，能最大限度地减少铸件裂纹的产生，保证铸件的质量：

1.用锤击方法清除冒口。

2.用鉬丝切割方法清除冒口，该种方法成本高。

3.铸件冷却后或水韧处理后，用火焰切割。水韧处理后切割冒口时，铸件可浸在水中，冒口部分外露，以防铸件本体受热后升温。切割面应用砂轮 打磨4~5mm的厚度，以防有裂纹残存，并通过打磨去掉有大量马氏体组织的表面层。此种方法用于经过热处理的铸件。在水中切割，水温不要超过50℃。铸件冷却后用火焰切割，切割处离铸件表面40-50mm处，也在水中切割。

4.铸件未冷却，用火焰热切割。切割铸态高锰钢铸件时，可以使用热切割的方法。在红热状态下铸件打箱，500~700℃时热切浇冒口。切割之后在热处理之前应用砂轮将切割面打磨掉一层（厚度小于5mm）。

5.热处理时热切割。此种方法是铸件加热到500~700℃时进行热切割，切后打磨切割表面，然后立即入炉继续升温。

无论使用哪种热切割方法，都应尽量加快火焰切割的速度，要一次完成，避免反复加热使铸件本体温度升高。

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