ZGMn13钢球磨机衬板破裂分析

田玉伟 左海霞

（本钢技术中心，辽宁本溪 117000）

ZGMn13钢球磨机衬板破裂分析

田玉伟 左海霞

（本钢技术中心，辽宁本溪 117000）

本文主要对ZGMn13钢球磨机衬板破裂的原因进行了分析，发现衬板破裂的原因主要是因为水韧处理时冷速不足造成的，铸造疏松和较多的非金属夹杂物存在对钢的韧性也不利，并相应的提出了一定的改正预防措施。

ZGMn13钢 破裂分析 冷速

在强冲击、大压力的环境下，ZGMn13钢的耐磨性能非常优良，具有高的抗拉强度、塑性和韧性以及无磁性，即使零件磨损到很薄，仍能承受较大的冲击载荷而不致破裂，可用于铸造各种耐冲击的磨损件， 如球磨机衬板、挖掘机斗齿、破碎机牙板等。但是如果生产工艺不当，产品容易出现质量问题，本文就ZGMn13钢球磨机衬板的破裂原因进行了分析。

1 实验材料与方法

本实验中所采用的试样来自于某铸造厂生产的ZGMn13钢球磨机衬板。该批衬板在使用中仅运行了50小时，就出现了破裂。衬板经过铸造和水韧处理而成，其化学成分和水韧处理工艺如表1：

水韧处理工艺：工件300℃入炉，以每小时20度的速度加热到650℃，保温2.5小时，然后升温到1070℃，保温3小时，水淬。

2 实验结果及分析

从衬板的破裂源处截取金相试样、布氏硬度试样，进行金相检验和硬度检验。从金相检验来看，衬板断口比较平齐，表现出脆性断口特征。衬板表层试样中晶界上存在着较多的铸造疏松，还有较多呈串链的球形氧化物夹杂物。

观察经过4%硝酸酒精溶液侵蚀，6%盐酸酒精溶液擦洗后的试样，金相显微组织为粗大的奥氏体，沿晶界分布网状碳化物主要为析出的针状碳化物。未溶碳化物评为W3级，未溶碳化物以块状沿晶界聚集分布；析出碳化物评定为X7级，析出碳化物形态以条状、片状、粗针状沿晶界两侧呈粗网状分布，如图1（a）所示。衬板的布氏硬度为HB290。

表1 钢的化学成分（质量分数/%）Table1 The chemical composition of the steel （wt/%）

高锰钢的铸造性能较好。钢的熔点低（约为1400℃），钢的液、固相线温度间隔较小（约为50℃），钢的导热性低，因此钢水流动性好，易于浇注成型。高锰钢的线膨胀系数为纯铁的1.5倍，为碳素钢的2倍，故铸造时体积收缩和线收缩率均较大，容易出现应力和裂纹。高锰钢的导热性较差，凝固时线收缩的敏感性较大，因此当铸造工艺欠佳时，凝固补缩不良，易沿奥氏体晶界形成分散分布的显微疏松孔隙，这不但会降低铸件的力学性能，而且会影响铸件的耐磨性和使用寿命。衬板表层的局部存在着显微疏松，说明钢液凝固时存在着补缩不良的情况，显微疏松孔隙的存在会降低铸件的强韧性，在铸件的使用过程中，存在显微疏松孔隙的地方会产生应力集中，从而成为引起铸件破裂的裂纹源。

衬板显微组织中存在较重的非金属夹杂物。高锰钢中含有较多的氧化物如MnO、Al2O3、SiO2等，这些非金属物质的存在，严重减弱钢的晶间强度，恶化钢的耐磨性以及力学性能。当MnO和FeO、SiO2等结合时，其产物熔点低且大量存在于枝晶之间，凝固后沿晶界分布，对钢的强度、韧性和塑性都有危害，并且降低了钢的连续性，使衬板容易破裂。

高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物所组成，有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时，常在晶界上呈网状出现。因此铸

图1 钢的显微组织Fig.1 the microstructures of the steel

态组织的高锰钢很脆，无法使用，需要进行固溶处理。通常使用的固溶处理方法是将钢加热到1050～1100℃，保温消除铸态组织，得到单相奥氏体组织，然后水淬，使此种奥氏体组织保持到常温。热处理后，钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高，所以此种热处理方法也常称为水韧处理。

从衬板的中心部位取样，发现衬板的显微组织为奥氏体加较多的碳化物。从碳化物的形态可以看出这类碳化物是由于水韧处理时冷却速度不足，造成固溶的碳在冷却过程中析出产生的。分析冷速不足的原因发现工件是夏天生产的，冷确水本身的温度较高，接近30度，而且工件大，冷却水池也比较小，这些原因造成工件水韧处理的冷速不足。碳化物的析出降低了钢中固溶碳的含量，减弱了碳的固溶强化作用，同时碳化物在奥氏体晶界析出，由于碳化物硬而脆，所以降低了钢的力学性能。高锰钢之所以有良好的耐磨性，是因为其在发生塑性变形时，产生形变强化的结果，强化本质就是晶格的扭曲和位错塞集，在变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅度提高，而内部的奥氏体仍然具有良好的韧性。工件在受冲击载荷作用的冷变形过程中，由于位错密度大量增加，位错的交割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使钢得到强化。这是加工硬化的重要原因。另一个重要原因则是高锰钢奥氏体的层错能低，形变时容易出现堆垛层错，从而为ε马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。从高锰钢的形变硬化层中常可以看到高密度位错、位错塞积和缠结。ε马氏体和形变孪晶的出现使钢难以变形，尤其是后者的作用更大。上述各种因素都使高锰钢的硬化层得到很高程度的强化，硬度大幅度提高。因此在生产中要加速冷却，使碳、锰等化学元素固溶在钢中，充分发挥固溶原子与位错的作用，来提高钢的变形加工硬化。

3 改正预防措施

首先通过改进浇注系统和冒口布置的设计来改进浇注时钢液的流动，消除补缩不良，消除显微疏松。其次增大冷却水池的容量，并且加大水池的换水量，以确保水温保持在30℃以下，减少工件出炉到入水的时间，要求不超过30s，水淬之后水温低于70℃，来增加冷速。经过上述的改进，产品的显微组织为奥氏体加极少量的碳化物（图1b），布氏硬度为HB240。工件的耐磨性和韧性都满足要求，使用寿命也满足要求。

4 结语

（1）ZGMn13钢球磨机衬板破裂的主要原因是因为冷速不足造成的。

（2）通过改进浇注系统和冒口布置的设计来消除显微疏松。通过增加冷速减少碳化物的析出，使工件的耐磨性和韧性都满足要求。

The cracking analysis of ZGMn13 steel is studied in this article. The results indicate that the cooling rate is not enough to make cracking of the steel and Casting porosity， non-metallic inclusion in the steel also damage the toughness. Some improved methods are put forward.

ZGMn13 steel cracking analysis cooling rate

田玉伟（1974—），男，汉族，学历：研究生，职称：高级工程师；主要从事产品研发和质量控制中的物理检测分析工作；左海霞，工作单位：本钢技术中心。