高錳鋼挖機鑄件的生產與質量改進

孫建昌

（太原重工特鑄分公司，山西 太原 030024）

高錳鋼自1882年英國人R·A·哈特菲爾德（Hadfield）發明以來，由于其獨特的沖擊硬化特性，歷經一個多世紀，迄今仍是礦山機械耐磨件的重要選材。在普通高錳鋼Zg M n 13基礎上，添加其他合金元素，諸如 C r、N i、M o、T i及 R E等，以提高高錳鋼的使用性能[1]。同時，通過化學成分、工藝參數及熱處理等內容的控制和調整，來細化高錳鋼組織的晶粒，改善其各項性能。目前，我單位生產的多數挖機鑄件選材為Zg M n 13 M o，M o的加入改善了鋼中碳化物的分布，細化晶粒，提高使用溫度，改善高錳鋼的使用性能，特別是焊接性能，同時通過微合金化、控制澆注溫度及改進熱處理工藝等方法的優化組合來細化組織晶粒，進一步提高和改善材質的使用性能并延長鑄件的使用壽命。

1 高錳鋼的化學成分和性能指標

高錳鋼也稱奧氏體鋼，主要用于挖機的斗唇、支輪、拉緊輪、斗齒、履帶板等鑄件的生產，傳統高錳鋼化學成分見表1[2].

表1 傳統高錳鋼的化學成分（質量分數，%）

隨著研究的不斷深入及在實踐中的改進和完善，高錳鋼的化學成分趨于穩定。我單位使用的Zg M n 13 M o的化學成分見表2.其力學性能見表3.

表2 ZGMn13Mo的化學成分（質量分數，%）

2 典型高錳鋼鑄件的生產

2.1 典型高錳鋼鑄件

我單位是生產工程機械耐磨鑄件的專業生產廠，其中高錳鋼產品占較大部分，典型高錳鋼鑄件有挖機上的一些輪形件、履帶及挖斗耐磨件等，如拉緊輪、支輪、履帶板、斗齒、斗唇等，相關鑄件見圖1.

2.2 鑄造工藝

2.2.1 高錳鋼的鑄造特性

表3 ZGMn13Mo的力學性能

圖1 典型鑄件圖片

圖2 不同稀土含量的強度對應值

高錳鋼中C、M n的含量較高，具有良好的流動性、充型性，但同時也存在著一些不利條件，諸如粘砂、熱裂紋等。合理的鑄造工藝是保證高質量高錳鋼鑄件的關鍵因素之一。高錳鋼鑄件與其他鑄鋼件鑄造時的區別見表4.

表4 高錳鋼鑄件與其他鑄件的區別[3]

2.2.2 造型材料

高錳鋼中由于M n含量較高達到14%左右，鋼液中有大量M n O存在，若使用普通硅砂造型，M n O和型砂中的游離的S i O2發生化學反應，生產低熔點的M n O·S i O2造成嚴重化學粘砂。多數廠家使用鎂砂、橄欖石砂、剛玉砂等作為高錳鋼造型材料，但成本較高，同時有些還存在回收困難的問題，為了解決化學粘砂，同時也為了節約成本，使用硅砂涂刷鎂砂粉涂料作為造型材料。

3 工藝的改進和優化組合

3.1 微合金化處理

資料顯示，通過添加稀土可以細化高錳鋼組織晶粒，并起到凈化晶界、脫氧等功能[4]104.通過在熔煉高錳鋼時添加不同量的稀土硅鐵合金（加入量從0.2%到0.8%進行變化），來檢測其力學性能。數據如圖2所示。

從圖2中可見：稀土的加入量為0.4%時，熱處理后的強度指標最高為915 MPa，可見稀土的微合金化作用效果較為明顯。

3.2 控制澆注溫度

高錳鋼晶粒粗大，為了細化鑄件晶粒一般采用控制澆注溫度的方法，澆注溫度的高低對高錳鋼組織性能的影響[5]，見表5.

3.3 高錳鋼的熱處理

3.3.1 高錳鋼普通熱處理工藝

高錳鋼的鑄態組織晶粒粗大，而且在晶界處存有大量網狀碳化物，一般不能使用，只有經過熱處理，改善其組織，才能滿足實際使用需要。一般壁厚（40mm～80mm）鑄件熱處理工藝見圖3.

表5 澆注溫度對高錳鋼晶粒度的影響

圖3 一般壁厚（40mm～80mm）鑄件熱處理工藝曲線

3.3.2 高錳鋼細化晶粒熱處理

根據高錳鋼加熱過程的分析[4]，發現在約550℃～600℃時會發生奧氏體向珠光體的轉變，而后隨著溫度的繼續升高，當溫度升高至AC1時，珠光體晶團轉變成奧氏體，即奧氏體的重結晶。珠光體轉變是在奧氏體晶界上形核，其引領相為滲碳體，在一個奧氏體晶界上形成數個晶核，則一個奧氏體晶粒就變成了數個珠光體晶團。奧氏體重結晶時，晶核在滲碳體、鐵素體界面上形成，珠光體分散度越高，奧氏體重結晶形核愈多，珠光體晶團數量愈多，轉變后奧氏體晶粒增多，所以通過控制加熱過程中的珠光體數量，可達到細化奧氏體晶粒的目的，并根據細化強化理論，可使高錳鋼鑄件得到強化。同時對水韌處理后的高錳鋼進行時效處理，將固溶后的奧氏體中的碳化物彌散析出，進行高錳鋼組織的彌散強化[4]145，進一步提高基體的強度。試驗內容及數據如圖4、表6、表7所示。

表6 高錳鋼熱處理后的性能比較

表7 時效處理后的力學性能

常規熱處理和改進工藝后的組織如圖5、圖6所示。

綜上，通過試驗得出：改進熱處理工藝可使高錳鋼強度及晶粒度得以提高，同時高錳鋼在水韌處理后進行合理時效同樣能提高鑄件強度值，在高錳鋼熱處理工藝改進之后，時效溫度是影響強度的關鍵因素，試驗顯示：改進工藝后進行350℃時效處理，所獲得的抗拉強度值為930MPa，此數值較普通熱處理有較大的提高。

3.4 綜合試驗

3.4.1 因素和位級的確定

圖5 常規工藝的組織

圖6 改進工藝的組織

將得到的各因素位級列于表8中。

表8 試驗因素位級表

3.4.2 試驗方案

用L 9（34）正交表安排試驗，各試驗方案見表9.

9的9個橫行就是9次試驗的具體條件。每次試驗的其他條件可視為是相同的。例如，第一號試驗條件是：冶煉時加入0.2%的稀土進行變質處理，而后以1400℃進行澆注，采用改進的熱處理工藝進行水韌處理后，用300℃的溫度進行時效處理。其余類推。正交試驗分析結果見表10.

表9 L9（34）試驗方案

級差R用于判斷因素的重要性次序，按照其大小，該試驗中主要因素的順序應該是：C，A，B。再繪制位級趨勢圖。見圖7.

從趨勢圖上看，強度值隨稀土加入量的增加，先增大達到峰值后減小，即ω（R E）=0.4%是最佳加入量；強度值隨澆注溫度的升高，逐漸降低到最小值，即1400℃為最佳澆注溫度；強度值隨時效溫度的升高先增大到峰值后減小。從趨勢圖上可選出在本試驗條件下的最優方案是212組合，即ω（R E）0.4%的，澆注溫度1400℃，時效溫度為350℃.

表10 試驗結果計算分析表

圖7 因素位級趨勢圖

4 生產驗證

通過以上工藝方案的實施，以及生產中對各種工藝參數的調整和修正，生產的產品，外觀、各部尺寸、力學性能都滿足技術要求，晶粒度較以往細化2級以上，沖擊功（Cv-40℃）一般≥167 J，使用壽命較以往延長1.5倍左右。

5 結 論

1）使用硅砂型砂涂刷鎂砂粉涂料作為造型材料，解決了高錳鋼鑄件的化學粘砂，同時也節約了成本，方便舊砂回收；

2）通過單項試驗獲得影響高錳鋼組織及性能的主要因素：澆注溫度、稀土變質處理、熱處理及時效處理；

3）通過綜合試驗，得到細化、強化高錳鋼組織的優化方法，使鑄件晶粒度等級細化2級以上，鑄件的使用性能及使用壽命進一步提高。

［1］張增志.耐磨高錳鋼［M］.北京：冶金出版社，2002.

［2］魯志武，董必義.耐磨高錳鋼的生產技術［J］.鑄造設備與工藝，2011（3）：48-51.

［3］陳希杰.高錳鋼［M］.北京：機械工業出版社，1989.

［4］謝敬佩，王文焱，李繼文，等.耐磨奧氏體錳鋼［M］.北京：科學出版社，2008.

［5］謝敬佩，李衛，宋延沛，等.耐磨鑄鋼及熔煉［M］.北京：機械工業出版社，2003.