大型厚壁高锰钢铸件的工艺技术

张江张龙

（1.山东省机械设计研究院，济南 250031；2.中铝山东工程技术有限公司，淄博 255051）

大型厚壁高锰钢铸件的工艺技术

张江1张龙2

（1.山东省机械设计研究院，济南 250031；2.中铝山东工程技术有限公司，淄博 255051）

通过分析大型厚壁高锰钢铸件化学成分各元素的含量及作用、凝固特点和结构工艺性。根据分析结果，结合生产实践、相关技术理论资料和公开的研发成果，制定大型厚壁高锰钢铸件铸造工艺、熔炼、热处理、后处理的生产技术要点及注意事项，包括冒口冷铁设置、脱磷脱氧制度、浇注温度控制、加热保温水淬工艺。

大型铸钢件 高锰钢 铸造工艺

引言

高锰钢既有坚硬的表面，又有柔韧的心部可以抵抗强烈冲击。在强大的冲击载荷和接触应力作用下，其表层迅速产生硬化，硬度可从200HB急剧升高至500～700HB，从而产生高耐磨的表层，心部奥氏体却保持着极好的韧性，耐磨性稳定，特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况。

高锰钢需要在剧烈冲击或是强大压力下才能充分硬化，一般大型的高锰钢承受冲击载荷更大，加工硬化更充分，表现出来的耐磨性更加优异。假如冲击力太弱，高锰钢未等表面充分硬化，便已被磨损掉了。正因如此，高锰钢通常表现为大磨衬板表现比小磨衬板好，鄂板比衬板耐磨，大锤头比小锤头耐磨。所谓高锰钢不耐磨，大多属使用不当形成的。

根据含锰量，现在广义的高锰钢已拓宽至超高锰钢。在大冲击和高应力耐磨材料领域里，随着矿山、建材、冶金、电力等行业设备大型化，高效化，高锰钢的优点更加凸显，高锰钢使用率更高。譬如我公司现每年生产高锰钢铸件3000多吨，其中大约一半为重量1吨、壁厚80mm以上大型厚壁件，而2005以前，大型厚壁件只有300～400吨。

1 高锰钢的工艺性分析

1.1 化学成分各元素的含量及作用

高锰钢不同牌号主要区别是碳、锰的含量。

（1）碳是基本元素，根据国家标准，其范围是0.9%～1.35%。高猛钢中的碳主要有两个作用，一是有利于形成单相奥氏体组织，二是固镕强化。在规格范围内，含碳量的增加，铸态组织中碳化物数量增加，甚至成网状碳化物，降低韧、塑性。碳量控制基本原则冲击大，碳含量低，冲击小，碳含量高。大型厚壁高锰钢铸件碳量控制在中下限，即0.9～1.1%。

（2）锰是主要元素，主要作用稳定奥氏体，并有很大强化作用。传统上高锰钢锰含量在11.0%～14.0%之间，一般不应低于12%。含量大于14.0%时，普遍定义为超高锰钢，国家标准对应牌号有Mn14、Mn17两种，含量在14.0%～19.0%之间，锰含量大于18%的超高锰钢尚无对应标准，但应用较多，设计时常见规定为16.0%～24.0%。

（3）硫、磷是有害元素，低磷低硫是最基本的要求，由于高的锰含量自然起到脱硫作用，硫危害相对较小，磷则危害很大，大幅度降低高锰钢的力学性能和耐磨性能。因为磷在奥氏体中的溶解度低，在结晶时易形成磷共晶，磷共晶形成脆性相，大大降低高温塑性，降低铸件断裂应变，对热裂十分敏感。故降磷是最要紧的，磷量应尽量低，设法使磷低于0.07%。超过0.07%时在金相分析中可以发现磷共晶，当磷＜0.07%时，金相分析上虽看不到磷共晶，但仍有影响热裂的倾向。对大的复杂的铸件，磷量应＜0.04%。在焊接时，金属基材和焊条的磷量最好都不超过0.03%。

（4）硅在高锰钢中主要作用是脱氧，含量的高低，对冲击韧度影响较大。含硅量增加，促使碳化物增多，并能加强碳的偏析，使晶界上碳化物增多，硅还恶化碳化物形貌，恶化韧性。在厚断面铸件中，硅对韧性的危害可能会是灾难性的，因此，硅量太高甚至可以看作杂质。硅在高锰钢中的有害作用，不像磷那样受人注意，量不宜太高，所需的一点硅量，也只是为了脱氧和提高流动性，含硅量应＜0.5%。

（5）铬提高屈服强度和抗磨性，但铸造应力增大，塑性、冲击韧度均降低，含量一般在1.5%～2.5%之间。

1.2 高锰钢铸件的凝固特点

高锰钢属中间凝固方式，通常情况下冒口的作用区比碳钢大,而末端区比碳钢小。高锰钢C、Mn含量高，热导率较低（仅为碳钢的1/3）以及结晶生长速度较快．易产生粗大的柱状晶组织，高锰钢冒口补缩效果较差，薄壁件可用无冒口，中等厚壁件可用外冷铁激冷铸造。铸件最后凝固区域如厚壁处，热节处，晶粒粗大，组织不够致密，高温强度低，碳化物、夹杂物多，并产生化学成分偏析，韧性极差，易产生热裂。高锰钢线收缩大，收缩应力大，铸件薄弱处，如筋板部分，尤其是上下两部分连接筋板，容易产生应力集中，导致冷裂。

1.3 大型厚壁高锰钢铸件的凝固特点

大型厚壁高锰钢铸件凝固时间长，缩孔及缩松倾向很大，单用外冷铁的无冒口铸造，不能消除铸件的缩松和缩孔，要获得组织致密的铸件，必须依靠冒口补缩。由于轮廓、壁厚尺寸大，冒口的作用区随之变大，冒口补缩作用增大。但是大型厚壁高锰钢铸件通常热节多而分散。全部热节单用冒口补缩困难，往往需要其它工艺措施，如采用倾斜浇注、浇冒口合一工艺，降低浇注温度，外冷铁和蓄热系数高的型芯砂的控制冷却等措施增加冒口作用。倾斜浇注能显著地增加冒口作用区长度,而对末端区没有明显的影响；降低浇注温度和激冷作用显著增加末端区长度,对冒口作用区没有明显影响。

2 大型厚壁高锰钢铸件生产技术要点

2.1 铸造工艺

（1）冒口。铸件设置冒口对热节进行补缩时，冒口要紧靠热节。大型厚壁高锰钢铸件冒口大，需要火焰切割冒口，但切割冒口可能引起相变，加热时间长，高锰钢热导率较低，热应力大，加之高锰钢铸件冒口设置又产生了接触热节，该部位组织比热节还差，冒口根部容易造成裂纹，所以冒口设置最好采用侧冒口及缩颈易割顶冒口，尽量不用普通顶冒口。冒口直径要远大于缩颈直径，缩颈直径等于或稍小于热节直径，冒口高度要大于冒口直径的1.5～2.0倍。

（2）冷铁。包括内冷铁和外冷铁，冷铁可以调节铸件各部分凝固速度，可以使铸件的缺陷发生位置迁移，同冒口配合可以扩大冒口的补缩范围，消除缩孔、缩松，同时提高工艺出品率和细化一次结晶，但是高锰钢铸件对冷铁很敏感，工艺设计时应特别注意使用原则，严格区分内冷铁和外冷铁，必须选择适宜的用量和合理的规格。内冷铁慎用，以干净和用量少为宜，要用化学成分相同的高锰钢制作，否则容易因熔点和收缩系数不同造成内裂。外冷铁的尺寸，冷铁之间过渡区与铸件匹配，否则往往会造成在冷铁作用范围内铸件凝固速率梯度不均衡，产生过大应力。尽量避免采用直接外冷铁，因为浇注后冷铁区钢液迅速激冷，接触面形成皱皮，其较深较凹处容易形成裂纹源。

（3）浇注系统。浇注系统采取开放式。采用多个分散的内浇道从铸件的薄壁处引入，靠近铸件处的截面积大于与横浇道相联的截面积，使金属液快速平稳地注入铸型，浇注时尽可能低温快浇，防止整个铸型内的温差过大。采用倾斜浇注、浇冒口合一工艺时，直浇道、冒口位于高处（砂箱有6～10℃的斜度）。

（4）造型材料和涂料。应与金属液属性相一致，一般用碱性材料（如镁砂、橄榄石砂），或者用中性材料（如铬铁矿砂、棕刚玉等）。若想获得细化的一次结晶，采用蓄热量大的造型材料和涂料（如铬铁矿砂），尤其是消失模生产厂，用它将克服高锰钢散热慢的缺点。

（5）其他。大型厚壁高锰钢铸件在工艺设计中铸造收缩率取2.5%～2.7%，铸件越长大、越应取上限。型砂与砂芯的退让性一定要好。尽量减少飞边，毛刺，粘砂，防止阻碍收缩，同时也减少清理量，减小瞬时应力。

2.2 熔炼

3.2.1 电炉

高锰钢冶炼炉主要还是电弧炉和感应电炉，与电弧炉炼钢相比，感应电炉的特点如下：

（1）加热较快热，效率较高，在电弧炉炼钢中，电弧产生的热量中有很大一部分通过炉盖和炉壁而散失。妒料熔清后，电弧的热量须通过炉渣传给钢液。在感应电炉中，热量是在炉料〔钢液)内部产生，因而加热速度较快，热效率较高。

（2）元素的氧化烧损较少，感应电炉炼钢中，没有电弧的超高温作用．使得钢中元素的烧损率较低。

（3）钢液成分和温度比较均匀，感应电炉炼钢中，由于电磁力的电磁搅拌作用。促使烙池内钢液的化学成分和温度趋向均匀，并有利于钢液中的非金属夹杂物的上浮。电滋搅拌的有利作用在大容量电炉条件下，表现得待别突出。

（4）炉渣参与冶金反应能力较差，在电弧炉炼钢条件下，炉渣的温度比钢液高，故炉渣参与冶金反应的能力强。而在感应电炉条件下，炉渣靠钢液加热．温度较低．故参与冶金反应的能力较弱。因此在感应电炉炼钢中，脱磷、脱硫和扩散脱氧等冶金过程的效果比电弧炉炼钢差很多。

对高锰钢而言，脱磷、脱氧是及其重要的，尤其是大型厚壁高锰钢铸件，应尽量采用碱性电弧炉氧化法冶炼，如果不得已采用感应电炉熔炼，须严格控制炉料、合金，并要进行炉外精炼。

3.2.2 碱性电弧炉氧化法冶炼技术要点

氧化法炼钢的工艺过程包括准备阶段(修补炉村、配料及装料)、熔化期、氧化期、还原期和出钢等几个阶段。

（1）炉料。是由化学成分决定的，主要炉料是优质碳素钢（或钢锭）、高碳锰铁、中碳锰铁、高碳铬铁及高锰钢回炉料。特别注意的是大型厚壁高锰钢铸件，绝不可以过多的使用回炉料，回炉料不应超过25%。

（2）熔化期。用允许的最大功率供电熔化炉料，推料助熔。熔化后期，炉料基本熔化时，加入适量渣料及矿石，可吹氧助熔，适当减小功率。熔清后，取样快速化验，保证钢液含碳量5.2%以上，造氧化渣。

（3）氧化期。脱碳：氧化渣流动良好时可吹氧脱碳，吹氧压力为0.6～0.8MPa，使钢液沸腾既激烈而又平稳，每分钟脱碳0.01～0.03%，估计碳量≤2.2%左右时，充分搅拌，取样分析，保证脱碳0.3%以上。适宜的脱碳量和脱碳速度可有效地清除钢液中的气体和夹杂物，净化钢液。

脱磷：氧化法冶炼高锰钢时，锰铁是在还原期加入的，由于锰铁含磷量较高，因此要求在熔化期和氧化期中尽量降低钢液的含磷量

（4）还原期。高锰钢应满足对韧性的要求，而韧性与钢中的氧化夹杂物的量有直接的关系，为保证钢高韧性要求，钢液要进行充分的脱氧。高锰钢冶炼的脱氧由钢液的预脱氧、扩散脱氧和最终的脱氧几个步骤所组成。基本过程是：扒净氧化渣后，用锰铁、硅铁、铝块进行预脱氧，造稀薄渣，覆盖钢液表面，减少吸气，稀薄渣形成后，加入锰铁，造电石渣还原，还原一段时间约15min，随即将电石渣变为白渣，渣面上加入炭粉、铝粉、硅钙粉，控制好炉内的温度，控制好炉渣的碱度、渣量和流动性，扩大粉状脱氧剂与炉渣的接触面积，保持炉内强还原气氛强化脱氧。在此期间，及时调整成分。钢液温度符合要求，化学成分合格，园杯试样收缩良好后，终脱氧后出钢。采用铝及其他脱氧合金终脱氧，量应足够。残铝量能反映脱氧效果，保证钢液中有一定的残留铝量，达到0.06%以上。

还原期中往钢液中加锰铁，应预先烤红，并趁红热状态加入以加速熔化。由于锰铁的加入量多，当一次全部加入时，往往造成钢液大幅度降温，在炉温较低的情况下，甚至会造成锰铁的“冻结”，建议采取分批加锰铁的方法，锰铁的批量应根据炉温条件而定。锰铁的密度较大，易沉淀在炉底，加入每批锰铁后，应充分搅拌熔池。其他合金材料，要分多次，每次少量入炉。贵重元素在最后加入，以减少烧损。料块应尽量小些，以50～80mm为宜。

（5）出钢。钢液出炉前，将浇包烘烤到400℃以上。出钢后，钢包使用覆盖剂把金属液面盖严，起到保温效果，同时隔断外界空气与钢水反应引起二次氧化。钢液出炉后还要镇静一段时间，使氧化物、夹杂物有充足时间上浮。接着在包内吹氩，用普通方法熔炼的钢中含有大量粗大夹杂物，在钢包中用惰性气体处理可以大大减少钢中非金属夹杂物的数量、减少钢中气体含量，从而提高钢水的质最。吹氩3～4分钟，吹氩速度和压力保证钢液冒泡均匀沸腾适中。

（6）浇注。大型厚壁高锰钢铸件采用低温快浇工艺，为减少缩松、缩孔及晶粒粗大降低浇注温度，为充型良好，减少各部分温差和热应力快速充型。

实践证明：大型厚壁高锰钢铸件终浇温度在1410～1430℃，即能浇注合格铸件。这样，出钢温度为1480～1520℃，降温约10℃，包内温度为1470～1510℃，为进一步净化钢液，出钢后吹氩精炼3分钟，降温约20℃，吹氩后约1450～1490℃，镇静2～3分钟，温度为1440～1460℃开始浇注，在浇注过程中约降温约30℃。

2.3 热处理

大型厚壁高锰钢铸件必须考虑热处理不同部位和同一部位内外组织差异引起性能差异，高锰钢在加热时导热性差引起大的热应力的特点，热处理时，为减少开裂和变形，应遵循以下步骤：预处理，加热保温，水淬。

（1）预处理。将铸件缓慢加热到较低温度保温一段时间，可有效减少铸造应力和热应力，同时可使部分奥氏体发生共析分解，有时共析分解量可达60%以上。分解产物中存在大量的铁素体和碳化物的相界面，提高了水韧处理时奥氏体的形核机率而细化奥氏体晶粒。

（2）加热保温。再以较快速度加热到1050～1080℃保温，保温温度时间足够，确保铸态组织中的碳化物完全溶解和奥氏体的均匀化。严格防止加热温度过高和保温时间过长，温度过高或保温时间过长会导致铸件表面严重脱碳，同时奥氏体晶粒和晶界上也会析出不能消除的脆性共晶碳化物。

（3）水淬。迅速水冷，水韧处理。铸件入水温度必须大于一定温度，所以应尽量缩短空中停留时间。入水后，用吊车不停摆动铸件，加速水冷，水韧处理过程中水温很关键，一定要防止水温太高，可用冷却循环水。

（4）再处理。部分铸件可在水韧处理的基础上再进行中温再处理，使铸件部分硬化，提高屈服强度和起始硬度，增加抗磨性能。但要谨慎使用，严格控制温度和保温时间。

2.4 清理与后处理

（1）开箱。一旦凝固，要及时松砂箱。铸件在型内要长时间保温，应当在温度降低至200℃左右才开箱落砂。控制开箱温度也是防止高锰钢铸件产生裂纹的有效措施，大型厚壁高锰钢件切忌在红热时打箱，把铸件暴露在空气中骤冷，产生过大应力和过大组织性能差异。

（2）切割。因为锰钢热传导性能差，剧烈加热会产生相变，高锰钢重新加热时，在250～800℃之间存在碳化物析出的脆性温度区间。所以在切割浇冒口时应十分注意。切割时将铸件置于水中，冒口露在水外，切割部分在水面，切割留一定量的冒口茬，热处理后磨掉。

（3）焊接和焊补。铸态高锰钢存在着碳化物和铸造应力，所以必须在水韧处理后进行焊接，焊接高锰钢铸件应采用电弧焊，高猛钢焊条。焊补量大时，先用奥氏体不锈钢焊条焊底层，以减少裂纹，焊后及时趁热锤击焊缝并水冷，以免铸件严重受热析出碳化物。

（4）检验。重要铸件必须探伤，进行屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等力学性能检验。检验不合格时，允许对该批试块及铸件重新热处理，然后进行标准所要求的所有力学性能检验。重新热处理后力学性能检验合格，则该批试块及铸件仍为合格。但是，未经需方同意，不允许对试块及铸件进行多于两次的重新热处理

3 结语

（1）大型厚壁高锰钢铸件制造是一个复杂的系统过程，影响因素较多，这些因素不是独立的，往往相互作用、相互影响。制造时，需要对铸件化学成分特点和结构工艺性进行全面分析，以铸件制造的难点、重点为基础，根据标准和技术要求制定合理的工艺方案和操作规程，并在生产实践中严格实施。

（2）高锰钢在正常连续工况条件下，失效时限可以控制在工期的±5%以内，这是其他耐磨材料难以比拟的。国外企业尤其是发达国家的企业，定期检修计划精确，无足够专职检修人员，需外包专业检修公司，这时，高锰钢失效时限精确性的优势就很明显了。这是耐磨新材料层出不穷，却难以有一种替代高锰钢的重要原因之一。

（3）高锰钢的韧性储备极大，只要按照规定的规程和工艺制作，按照标准所要求的项目检验合格，不会发生短时失效，可保证使用安全，成为大型耐磨件材料优先选择。随着企业设备大型化，高效化，国内企业与国际接轨，国内高锰钢使用范围还会扩大。

（4）高锰钢诞生至今已有一个多世纪，高锰钢材料新技术和工艺新技术不断开发，不但在传统领域继续使用和发展，而且已成为高铁列车、坦克装甲、重型机器人等高科技先进装备中的重要耐磨材料。

[1]贺献峰，帅德国，雷翠平，徐富强，周兆强，贾振波.特殊高锰钢铸件的工艺实践[J].铸造2012（12）:1458-1461.

[2]夏作正.厚壁大型铸钢件型砂工艺的探讨[J].首钢科技1990（6）期，26-31.

[3]阎郁.高锰钢热处理工艺的改进[J].金属热处理1982（01）49-50.

The Casting Technique of the Large Thick High-manganese Steels

ZHANG Jiang1,ZHANG Long2
（1.Shandong Machinery Design and Research Institute 250031;2. Chalco Shandong Engineering Technology Co.,Ltd.,Zibo 255051）

The content and the role of each element of the chemical composition,solidification characteristics and molding process of the large thick high-manganese steels have been analyzed in this work. According to the analysis results,combining with production practice, the related technical theory and the public R&D results,the production technical points and considerations of the casting processing,smelting, heat treatment and post-processing of the large thick high-manganese steels have been developed,including the riser cold iron set,the dephosphorization and deoxidation system,the pouring temperature control,the heat insulation,and water quenching.

large steel castings,high manganese steel,casting process