高錳鋼挖機(jī)鑄件的生產(chǎn)與質(zhì)量改進(jìn)

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(fā)明以來，由于其獨(dú)特的沖擊硬化特性，歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)，迄今仍是礦山機(jī)械耐磨件的重要選材。在普通高錳鋼Zg M n 13基礎(chǔ)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(shí)，通過化學(xué)成分、工藝參數(shù)及熱處理等內(nèi)容的控制和調(diào)整，來細(xì)化高錳鋼組織的晶粒，改善其各項(xiàng)性能。目前，我單位生產(chǎn)的多數(shù)挖機(jī)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(xì)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(shí)通過微合金化、控制澆注溫度及改進(jìn)熱處理工藝等方法的優(yōu)化組合來細(xì)化組織晶粒，進(jìn)一步提高和改善材質(zhì)的使用性能并延長鑄件的使用壽命。

1 高錳鋼的化學(xué)成分和性能指標(biāo)

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

表1 傳統(tǒng)高錳鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

隨著研究的不斷深入及在實(shí)踐中的改進(jìn)和完善，高錳鋼的化學(xué)成分趨于穩(wěn)定。我單位使用的Zg M n 13 M o的化學(xué)成分見表2.其力學(xué)性能見表3.

表2 ZGMn13Mo的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 典型高錳鋼鑄件的生產(chǎn)

2.1 典型高錳鋼鑄件

我單位是生產(chǎn)工程機(jī)械耐磨鑄件的專業(yè)生產(chǎn)廠，其中高錳鋼產(chǎn)品占較大部分，典型高錳鋼鑄件有挖機(jī)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(guān)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(xué)性能

圖1 典型鑄件圖片

圖2 不同稀土含量的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)值

高錳鋼中C、M n的含量較高，具有良好的流動(dòng)性、充型性，但同時(shí)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(zhì)量高錳鋼鑄件的關(guān)鍵因素之一。高錳鋼鑄件與其他鑄鋼件鑄造時(shí)的區(qū)別見表4.

表4 高錳鋼鑄件與其他鑄件的區(qū)別[3]

2.2.2 造型材料

高錳鋼中由于M n含量較高達(dá)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)低熔點(diǎn)的M n O·S i O2造成嚴(yán)重化學(xué)粘砂。多數(shù)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(shí)有些還存在回收困難的問題，為了解決化學(xué)粘砂，同時(shí)也為了節(jié)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(jìn)和優(yōu)化組合

3.1 微合金化處理

資料顯示，通過添加稀土可以細(xì)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(shí)添加不同量的稀土硅鐵合金（加入量從0.2%到0.8%進(jìn)行變化），來檢測其力學(xué)性能。數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2中可見：稀土的加入量為0.4%時(shí)，熱處理后的強(qiáng)度指標(biāo)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(xì)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(duì)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(tài)組織晶粒粗大，而且在晶界處存有大量網(wǎng)狀碳化物，一般不能使用，只有經(jīng)過熱處理，改善其組織，才能滿足實(shí)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(duì)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(xì)化晶粒熱處理

根據(jù)高錳鋼加熱過程的分析[4]，發(fā)現(xiàn)在約550℃～600℃時(shí)會(huì)發(fā)生奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，而后隨著溫度的繼續(xù)升高，當(dāng)溫度升高至AC1時(shí)，珠光體晶團(tuán)轉(zhuǎn)變成奧氏體，即奧氏體的重結(jié)晶。珠光體轉(zhuǎn)變是在奧氏體晶界上形核，其引領(lǐng)相為滲碳體，在一個(gè)奧氏體晶界上形成數(shù)個(gè)晶核，則一個(gè)奧氏體晶粒就變成了數(shù)個(gè)珠光體晶團(tuán)。奧氏體重結(jié)晶時(shí)，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(jié)晶形核愈多，珠光體晶團(tuán)數(shù)量愈多，轉(zhuǎn)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(shù)量，可達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的，并根據(jù)細(xì)化強(qiáng)化理論，可使高錳鋼鑄件得到強(qiáng)化。同時(shí)對(duì)水韌處理后的高錳鋼進(jìn)行時(shí)效處理，將固溶后的奧氏體中的碳化物彌散析出，進(jìn)行高錳鋼組織的彌散強(qiáng)化[4]145，進(jìn)一步提高基體的強(qiáng)度。試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)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(shí)效處理后的力學(xué)性能

常規(guī)熱處理和改進(jìn)工藝后的組織如圖5、圖6所示。

綜上，通過試驗(yàn)得出：改進(jìn)熱處理工藝可使高錳鋼強(qiáng)度及晶粒度得以提高，同時(shí)高錳鋼在水韌處理后進(jìn)行合理時(shí)效同樣能提高鑄件強(qiáng)度值，在高錳鋼熱處理工藝改進(jìn)之后，時(shí)效溫度是影響強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，試驗(yàn)顯示：改進(jìn)工藝后進(jìn)行350℃時(shí)效處理，所獲得的抗拉強(qiáng)度值為930MPa，此數(shù)值較普通熱處理有較大的提高。

3.4 綜合試驗(yàn)

3.4.1 因素和位級(jí)的確定

圖5 常規(guī)工藝的組織

圖6 改進(jìn)工藝的組織

將得到的各因素位級(jí)列于表8中。

表8 試驗(yàn)因素位級(jí)表

3.4.2 試驗(yàn)方案

用L 9（34）正交表安排試驗(yàn)，各試驗(yàn)方案見表9.

9的9個(gè)橫行就是9次試驗(yàn)的具體條件。每次試驗(yàn)的其他條件可視為是相同的。例如，第一號(hào)試驗(yàn)條件是：冶煉時(shí)加入0.2%的稀土進(jìn)行變質(zhì)處理，而后以1400℃進(jìn)行澆注，采用改進(jìn)的熱處理工藝進(jìn)行水韌處理后，用300℃的溫度進(jìn)行時(shí)效處理。其余類推。正交試驗(yàn)分析結(jié)果見表10.

表9 L9（34）試驗(yàn)方案

級(jí)差R用于判斷因素的重要性次序，按照其大小，該試驗(yàn)中主要因素的順序應(yīng)該是：C，A，B。再繪制位級(jí)趨勢(shì)圖。見圖7.

從趨勢(shì)圖上看，強(qiáng)度值隨稀土加入量的增加，先增大達(dá)到峰值后減小，即ω（R E）=0.4%是最佳加入量；強(qiáng)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(qiáng)度值隨時(shí)效溫度的升高先增大到峰值后減小。從趨勢(shì)圖上可選出在本試驗(yàn)條件下的最優(yōu)方案是212組合，即ω（R E）0.4%的，澆注溫度1400℃，時(shí)效溫度為350℃.

表10 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析表

圖7 因素位級(jí)趨勢(shì)圖

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

通過以上工藝方案的實(shí)施，以及生產(chǎn)中對(duì)各種工藝參數(shù)的調(diào)整和修正，生產(chǎn)的產(chǎn)品，外觀、各部尺寸、力學(xué)性能都滿足技術(shù)要求，晶粒度較以往細(xì)化2級(jí)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(jié) 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(xué)粘砂，同時(shí)也節(jié)約了成本，方便舊砂回收；

2）通過單項(xiàng)試驗(yàn)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(zhì)處理、熱處理及時(shí)效處理；

3）通過綜合試驗(yàn)，得到細(xì)化、強(qiáng)化高錳鋼組織的優(yōu)化方法，使鑄件晶粒度等級(jí)細(xì)化2級(jí)以上，鑄件的使用性能及使用壽命進(jìn)一步提高。

［1］張?jiān)鲋?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(chǎn)技術(shù)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2011（3）：48-51.

［3］陳希杰.高錳鋼［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)出版社，2008.

［5］謝敬佩，李衛(wèi)，宋延沛，等.耐磨鑄鋼及熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.