高锰钢挖机铸件的生产与质量改进

2012-01-23孙建昌

铸造设备与工艺 2012年4期

孙建昌

（太原重工特铸分公司，山西太原 030024）

高锰钢自1882年英国人R·A·哈特菲尔德（Hadfield）发明以来，由于其独特的冲击硬化特性，历经一个多世纪，迄今仍是矿山机械耐磨件的重要选材。在普通高锰钢Zg M n 13基础上，添加其他合金元素，诸如 C r、N i、M o、T i及 R E等，以提高高锰钢的使用性能[1]。同时，通过化学成分、工艺参数及热处理等内容的控制和调整，来细化高锰钢组织的晶粒，改善其各项性能。目前，我单位生产的多数挖机铸件选材为Zg M n 13 M o，M o的加入改善了钢中碳化物的分布，细化晶粒，提高使用温度，改善高锰钢的使用性能，特别是焊接性能，同时通过微合金化、控制浇注温度及改进热处理工艺等方法的优化组合来细化组织晶粒，进一步提高和改善材质的使用性能并延长铸件的使用寿命。

1 高锰钢的化学成分和性能指标

高锰钢也称奥氏体钢，主要用于挖机的斗唇、支轮、拉紧轮、斗齿、履带板等铸件的生产，传统高锰钢化学成分见表1[2].

表1 传统高锰钢的化学成分（质量分数，%）

随着研究的不断深入及在实践中的改进和完善，高锰钢的化学成分趋于稳定。我单位使用的Zg M n 13 M o的化学成分见表2.其力学性能见表3.

表2 ZGMn13Mo的化学成分（质量分数，%）

2 典型高锰钢铸件的生产

2.1 典型高锰钢铸件

我单位是生产工程机械耐磨铸件的专业生产厂，其中高锰钢产品占较大部分，典型高锰钢铸件有挖机上的一些轮形件、履带及挖斗耐磨件等，如拉紧轮、支轮、履带板、斗齿、斗唇等，相关铸件见图1.

2.2 铸造工艺

2.2.1 高锰钢的铸造特性

表3 ZGMn13Mo的力学性能

图1 典型铸件图片

图2 不同稀土含量的强度对应值

高锰钢中C、M n的含量较高，具有良好的流动性、充型性，但同时也存在着一些不利条件，诸如粘砂、热裂纹等。合理的铸造工艺是保证高质量高锰钢铸件的关键因素之一。高锰钢铸件与其他铸钢件铸造时的区别见表4.

表4 高锰钢铸件与其他铸件的区别[3]

2.2.2 造型材料

高锰钢中由于M n含量较高达到14%左右，钢液中有大量M n O存在，若使用普通硅砂造型，M n O和型砂中的游离的S i O2发生化学反应，生产低熔点的M n O·S i O2造成严重化学粘砂。多数厂家使用镁砂、橄榄石砂、刚玉砂等作为高锰钢造型材料，但成本较高，同时有些还存在回收困难的问题，为了解决化学粘砂，同时也为了节约成本，使用硅砂涂刷镁砂粉涂料作为造型材料。

3 工艺的改进和优化组合

3.1 微合金化处理

资料显示，通过添加稀土可以细化高锰钢组织晶粒，并起到净化晶界、脱氧等功能[4]104.通过在熔炼高锰钢时添加不同量的稀土硅铁合金（加入量从0.2%到0.8%进行变化），来检测其力学性能。数据如图2所示。

从图2中可见：稀土的加入量为0.4%时，热处理后的强度指标最高为915 MPa，可见稀土的微合金化作用效果较为明显。

3.2 控制浇注温度

高锰钢晶粒粗大，为了细化铸件晶粒一般采用控制浇注温度的方法，浇注温度的高低对高锰钢组织性能的影响[5]，见表5.

3.3 高锰钢的热处理

3.3.1 高锰钢普通热处理工艺

高锰钢的铸态组织晶粒粗大，而且在晶界处存有大量网状碳化物，一般不能使用，只有经过热处理，改善其组织，才能满足实际使用需要。一般壁厚（40mm～80mm）铸件热处理工艺见图3.

表5 浇注温度对高锰钢晶粒度的影响

图3 一般壁厚（40mm～80mm）铸件热处理工艺曲线

3.3.2 高锰钢细化晶粒热处理

根据高锰钢加热过程的分析[4]，发现在约550℃～600℃时会发生奥氏体向珠光体的转变，而后随着温度的继续升高，当温度升高至AC1时，珠光体晶团转变成奥氏体，即奥氏体的重结晶。珠光体转变是在奥氏体晶界上形核，其引领相为渗碳体，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。奥氏体重结晶时，晶核在渗碳体、铁素体界面上形成，珠光体分散度越高，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多，所以通过控制加热过程中的珠光体数量，可达到细化奥氏体晶粒的目的，并根据细化强化理论，可使高锰钢铸件得到强化。同时对水韧处理后的高锰钢进行时效处理，将固溶后的奥氏体中的碳化物弥散析出，进行高锰钢组织的弥散强化[4]145，进一步提高基体的强度。试验内容及数据如图4、表6、表7所示。

表6 高锰钢热处理后的性能比较

表7 时效处理后的力学性能

常规热处理和改进工艺后的组织如图5、图6所示。

综上，通过试验得出：改进热处理工艺可使高锰钢强度及晶粒度得以提高，同时高锰钢在水韧处理后进行合理时效同样能提高铸件强度值，在高锰钢热处理工艺改进之后，时效温度是影响强度的关键因素，试验显示：改进工艺后进行350℃时效处理，所获得的抗拉强度值为930MPa，此数值较普通热处理有较大的提高。

3.4 综合试验

3.4.1 因素和位级的确定

图5 常规工艺的组织

图6 改进工艺的组织

将得到的各因素位级列于表8中。

表8 试验因素位级表

3.4.2 试验方案

用L 9（34）正交表安排试验，各试验方案见表9.

9的9个横行就是9次试验的具体条件。每次试验的其他条件可视为是相同的。例如，第一号试验条件是：冶炼时加入0.2%的稀土进行变质处理，而后以1400℃进行浇注，采用改进的热处理工艺进行水韧处理后，用300℃的温度进行时效处理。其余类推。正交试验分析结果见表10.

表9 L9（34）试验方案

级差R用于判断因素的重要性次序，按照其大小，该试验中主要因素的顺序应该是：C，A，B。再绘制位级趋势图。见图7.

从趋势图上看，强度值随稀土加入量的增加，先增大达到峰值后减小，即ω（R E）=0.4%是最佳加入量；强度值随浇注温度的升高，逐渐降低到最小值，即1400℃为最佳浇注温度；强度值随时效温度的升高先增大到峰值后减小。从趋势图上可选出在本试验条件下的最优方案是212组合，即ω（R E）0.4%的，浇注温度1400℃，时效温度为350℃.