耐磨合金鋼制破碎機錘頭鑄造生產過程控制

鄒麗 郭蕾蕾 張偉 羅輝

關鍵詞：耐磨合金鋼;破碎機;成分控制;熱處理

Abstract： In recent years， China's construction industry has been into the rapid developing period， the demand to wear-resisting materials is also growing， but the wear-resistant alloy steel products are emerged in endlessly， but the product quality is uneven， especially the high-end product has bigger gap compared with abroad. Take wear-resistant alloy steel crusher as an example， at present， the hammer head of hammer crusher is mostly made of high manganese steel or ultra-high manganese alloy steel inset with hard alloy （such as carbon titanium alloy）， and some of it is made of high chromium cast iron and high chromium cast iron inset with hard alloy. The counterattack hammer is made of super-high manganese inset with hard alloy or high chromium cast iron， and its service life is obviously short compared with similar advanced products abroad. Taking the hammer head of wear-resistant alloy steel high manganese steel crusher produced in the factory as an example， this paper analyzes the common problems in the production process of the hammer head of wear-resistant alloy steel crusher， analyzes the causes of the problems and the improvement measures.

Key words： wear resistant alloy steel， crusher， composition control， heat treatment

隨著我國基礎建設的快速發(fā)展，與之密切相關的水泥、礦山等行業(yè)也進入高速發(fā)展階段，因其生產過程中對耐磨材料的市場需求巨大，這同樣給耐磨材料行業(yè)發(fā)展帶來了契機，但因耐磨材料產品原料價格一路飆升，且企業(yè)用工成本不斷增加，導致耐磨材料企業(yè)的發(fā)展也是困難重重。尤其是經營普通耐磨材料產品，在當前市場形勢下更缺乏競爭優(yōu)勢，且銷售利潤過低，所以對于耐磨鑄造產品生產企業(yè)來講需要不斷進行技術研發(fā)，開發(fā)出新技術新產品，提升耐磨產品的利潤率和市場競爭力。

以破碎機配件為例，目前，錘式破碎機錘頭材質大多采用高錳鋼或超高錳合金鋼鑲嵌硬質合金，部分采用高鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵鑲嵌硬質合金（少見鑲嵌陶瓷）、雙合金復合材料等;反擊破板錘材質采用超高錳鑲嵌硬質合金或高鉻鑄鐵[1-3]。材質的改變即提升了產品質量，也帶來了高附加值。雖然破碎機錘頭產品工藝不斷升級，但產品質量仍然層次不齊。本文通過對高錳鋼破碎機錘頭的產品工藝分析，解析產品質量出現(xiàn)的原因以及如何在生產過程中避免缺陷產生，提升產品質量。

1.生產過程中常見缺陷

下圖為某工廠采用鑄造工藝生產的高錳鋼破碎機錘頭，主要用于水泥、礦山等行業(yè)，產品的需求量很大，但是企業(yè)產品的成品率存在問題，產品在生產中經常出現(xiàn)的問題有：

1.1 容易產生鑄造缺陷

破碎機錘頭鑄造后的成品中經常會產生氣孔、縮松及縮孔、砂眼等缺陷，如下圖1所示。產品表面就能看到如此多的缺陷，可以肯定，如果對產品進行解剖，會存在縮松、縮孔與氧化夾渣等內部缺陷。初步分析原因是：①縮松、縮孔的產生與鑄造工藝的凝固順序及補縮能力有關;②氣孔的產生與鋼水冶金質量（這里主要是吸氣程度）以及澆鑄過程的排氣能力有關;③砂眼與造型工藝及涂料有關。

下圖2所顯示的是錘頭形成的裂紋情況，尤其是鑲嵌體之間。根據(jù)生產工藝，分析裂紋產生的原因如下：①固態(tài)降溫過快，在彈性溫度范圍內生嚴重的熱應力，若其超過材料的強度極限，則直接產生鑄造冷裂紋。②處理工藝不當，如果熱處理升溫速度控制不當，比如低溫階段升溫過快，因不同部位溫差過大，也會導致嚴重的熱應力，將會容易引發(fā)熱處理開裂。

2.1鑄造工藝的選擇

我們知道，破碎機錘頭生產常采用消失模鑄造工藝，在整個消失模鑄造流程中，澆注工藝是至關重要的環(huán)節(jié)之一，澆注系統(tǒng)、澆注速度、澆注溫度、澆注工序四個因素是提高鑄件質量的關鍵工序，需要不斷改進和完善，才能鑄造出精度高質量好的鑄件[4-6]。對于經常出現(xiàn)工藝缺陷而難以避免的鑄件，建議嘗試運用工藝相關的鑄件凝固模擬（如PROCAST、華鑄CAE或MAGMA等凝固模擬軟件），以便事先對相關工藝進行調整和優(yōu)化。然后，再進行實際工藝驗證。

2.2成分優(yōu)化及冶煉質量控制

高錳鋼的國家標準共有5個牌號，按碳（C：0.75%-1.3%）含量來區(qū)分，可以根據(jù)產品特點，進行成分優(yōu)化。另外，產品成分中硅的含量直接影響產品的韌度，所以需控制在0.5%以內。其次高錳本身起到脫硫作用，因此需控制成分中磷硫含量，生產中需將磷含量控制在0.07%以內。再次產品中的鉻可形成碳化物以增加耐磨性，一般含量在2.0%左右【7-8】。

從原理上看，高錳鋼之所以稱為抗磨鋼之王，其優(yōu)勢在于：其組織為奧氏體組織，尤其是經過熱處理的水韌處理后，奧氏體組織更為明顯，所以承受沖擊時，工作部位的表層產生加工硬化，硬度迅速提高，因此獲得優(yōu)異的耐磨性;但其組織心部仍為高韌性的奧氏體，所以特別抗沖擊且不會發(fā)生脆斷。因此高錳鋼至今仍然是不可替代的抗磨材料。如下圖3所示，高錳鋼受沖擊后產生的位錯塞積以及孿晶組織

此處必須注意：成分的調整需與熱處理工藝相結合，其前提是，在“水韌處理”熱處理工藝條件下，組織中不可以出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀的晶界碳化物，且嚴格控制組織中殘余碳化物含量。否則，會引起高錳鋼的沖擊韌性嚴重下降，產品在服役中容易發(fā)生脆斷。

2.3熱處理過程控制

高錳鋼破碎機錘頭的熱處理，是控制產品質量的關鍵環(huán)節(jié)。熱處理的好壞，直接決定了錘頭力學性能的高低以及組織內碳化物的呈現(xiàn)形式，同時也對錘頭成分中的其他合金元素如鉻等是否能形成硬質點的碳化物起至關重要的作用。因此，必須制定合理的熱處理工藝。如熱處理過程中必須進行水韌處理，其目的是，消除鑄件中的珠光體組織和碳化物，從而得到完全的奧氏體組織。因此，需合理控制水韌處理的奧氏體化溫度（淬火加熱溫度）及保溫時間;并嚴格控制零件進入水池的入水時間，以及淬火水池的介質的流動性（保證冷卻效果）。下圖為經過不同水韌處理方式后獲得的組織。圖5（a）和圖5（b）明顯出現(xiàn)連續(xù)的晶界碳化物，且殘余碳化物含量相對較多，圖5（c）中即無明顯晶界碳化物，且殘余碳化物也非常少，即為合格的熱處理組織。因此水韌處理過程中需嚴格控制組織，組織中不可以出現(xiàn)連續(xù)的晶界碳化物（如圖5（a）和（b））），且嚴格控制組織中殘余碳化物含量（體積百分比最好不大于1%）。必要時，需對組織和沖擊韌性進行檢驗，以驗證水韌處理工藝及其工藝參數(shù)是否合適、合理、到位（滿足要求）。

此處注意，熱處理過程中裝爐需要嚴格控制，需使鑄件在爐膛的有效溫度區(qū)進行加熱。不過熱處理廠為節(jié)省成本，經常會將不同的產品強行塞進一爐中，這樣因爐膛內很多地方達不到設計溫度，那樣可能有些產品就無法按照熱處理工藝曲線加熱到既定溫度，當然也就無法獲得理想的產品。

3、結論

針對耐磨高錳鋼制破碎機錘頭常出現(xiàn)的缺陷，本文從澆注工藝選擇、成分優(yōu)化和冶煉質量控制、熱處理過程控制等方面分析了產生缺陷的原因以及預防措施。得出結論如下：

（1）對高錳鋼制破碎機錘頭，適當增加含C量及Mn量，可提升高錳鋼的硬化效率和加工硬化速率。

（2）鑄件產品的生產，經常受工藝、人為操作乃至環(huán)境等多方面的影響，所以在實際生產過程中，根據(jù)產品特點，制定出最優(yōu)化的生產工藝后，后續(xù)生產中需要嚴格按照既定工藝生產，不可為了控制成本或節(jié)省時間而隨意改變生產工藝過程，否則，在短期內可能是降低了成本，但從長遠看并不利于產品質量的穩(wěn)定性。

（3）針對傳統(tǒng)制造業(yè)，生產者需加強技術和生產裝備的升級改造，通過優(yōu)化工藝過程與提高裝備的智能化，減少人為和環(huán)境因素帶來的產品不穩(wěn)定性，降低廢品率，提高產品質量，從來提升企業(yè)市場競爭力。

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作者簡介：鄒麗（1981—），女，碩士研究生，工程師，研究方向：智能制造、機電工程。

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