高锰钢铸件生产的探讨

高锰钢铸件生产的探讨中福铸造材料（青岛）有限公司市场总监诸葛胜[e-mail]探讨高锰钢铸造的意义我们已经知道：高锰钢铸件的价格已经全球化了——有些还很低设计铸件断面趋向越来越厚大——有时甚至没有砂芯铸件的质量不太容易评定——造成有时铸件销售仅仅取决于价格对产品的设计制造很难预测！！本报告希望能帮助我们了解合金的特性，大概要求及其一些生产方法。希望通过对这种材料的很好理解，通过提高我们正确、快速判定问题的能力，满足铸件的要求和用户的需求，以此来满足工业的要求。本报告包含高锰钢铸件生产的以下方面内容：第一部分–高锰钢材质第二部分–凝固特性第三部分–晶粒大小的影响第四部分–补缩距离的设想第五部分–冒口缩颈的设想第六部分–冒口的计算第七部分–浇注系统的计算第八部分–铸件缺陷的分析高锰钢铸件的生产第一部分–高锰钢材料本身特性(Mn13)返回目录高锰钢–材质奥氏体高锰是是由RobertHadfield先生由1882发明的，它具体特独的性能：高强度/韧性高延伸率没有磁性出色的耐磨性能使用过程中硬化（冷作硬化）Hadfield’s钢的典型成分范围:1.05–1.35%碳11.0–14.0%锰1.0%最大.硅0.07%最大.磷返回目录碳和锰的关系的重要性在于它影响材料的韧性。从OliverandBoyd先生的研究可以看出。此钢对使用过程中发生的三种类型的磨损有极佳的抗磨性能。这种性能使得锰钢广泛用于矿山、采石、土建行业铸件材料。锰钢不仅可以对其碳和锰水平进行调整，还可以对其合金成分进行控制，像：铬Cr;钨和镍等。在铸态，这种合金很脆，因此锰钢铸件需要热处理来提高其强度性能，使合金的独特的性能充分发挥。高锰钢–材质磨损特性：通常认为存在的几种磨损形式，可分为：1.磨粒磨损–从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，在摩擦过程中引起材料脱落的磨损现象。高锰钢同时具有高的强度和韧性，并且其具有加工硬化功能，磨损后形成新的坚硬的表面。因此在这种磨损条件下，高锰钢是种很好的材料。2.粘着磨损-摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再相对滑移时，材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，便形成了粘着磨损。3.接触疲劳磨损-受变应力的两表面，相互摩擦，在其表面上形成疲劳点蚀，使小块金属剥落，这种现象称为疲劳磨损。典型的磨损条件发生在矿山工业中的齿板-轧臼壁-弧形衬板和衬板，高锰钢在此工况非常适合。4.腐蚀磨损-在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损，腐蚀可在没有摩擦的条件下形成，而相对运动消除了化学反应的生成物，接着表面又受到腐蚀，如此不断反复。对这种磨损高锰钢并不是最佳的材料。磨损的特征：奥氏体高锰非常适合应用于磨料磨损和接触磨损共存的场合。在这些例子中铸件表面受冲击，在使用中出现加工硬化。例如矿山、水泥和工程机械类铸件—金属和金属间的磨损–像链和链轮，履带板和小齿轮之间。干磨擦–齿板,轧臼壁，锤头，破碎壁和衬板然而当矿石破碎成的形状和其硬度是多样的。因此加工硬化的程度也是不同的。因此除非最终用户以此结果来衡量质量，否则一些铸件在采购时就变成价格更重要。在低压力磨损的场合，撞击很小甚至没有，因此铸件表面加工硬化过程没有，所以说其它材质的钢材在这种场合可能更适合。高锰钢的规范下面列出了一些国际锰钢的规范澳大利亚AS2074B-HIA和H1B法国NFA32-058Z120M12-M德国SEW395-G-X120Mn13英国BS3100-BW10印度IS276-1,2,3,4,5和6意大利UNI3160-XG120Mn12日本JISG5131SCMnH1,H2,H3,H11和H21挪威NS1699-SstMn12南非SABS407-1,2,3,4和5.西班牙UNE36-253-AM-X120Mn12&MnCr12-2瑞典SS142183-218302美国AstmA128-A,B-1,B-2,B-3,B4,C,D,E-1,E-2和F.首选成分对于强度、硬度、韧性和抗疲劳的最佳组合，建议：(源自CTIMaterialFactssheetsectionK1992)稳定的奥氏体高锰钢组织中锰的含量必须在10%以上才能获得较高的韧性和延伸率。因此碳和锰的比例必须维持在1：10以上。碳范围1.10~1.20%目标1.15硅范围1.00目标0.90锰范围11.00~13.00目标12.00硫和磷目标0.05合金元素的影响碳–通常含量为1.10至1.20%,但也可高达1.40。虽碳含量的增加使得材质更脆，但仍具有很好的耐磨性能。钢含碳量稍低，能有效提高抗冲击能力。锰–该元素能稳定奥氏体，其含量必须在10%以上以获得所需要的强度和韧性。因此锰碳比至少为10：1，然而通常锰含量适当提高，以此降低在热处理过程中由于碳化物析出而形成的脆性。合金元素的影响硫–高锰钢中硫的含量要求并不太严格，这是因为在高锰钢中硫和锰结合成硫化锰，大部分随炉渣而去除。残留硫多以球状硫化锰形式存在，对钢性能影响不大。锰钢焊补比较容易，但焊补会导致作业周期延长、带来组织结构问题（裂纹），尤其是含磷性高的情况下。合金元素的影响铬–通常薄壁件3.0%，当含量高时，客观存在将形成碳化物分布在晶界上而增加脆性，铬的加入量有助于提高奥氏体的稳定性。镍–加入量较低，一般低于4%,能很好稳定奥氏体，能抑制热处理过程中晶界碳化物的形成，提高高锰钢的脆化温度，便其对切割、焊补以及工作温度敏感性降低。但该元素成本较高。磷–是有害元素，必须将含量控制在0.035%以下,否则易偏析在晶界形成磷共晶，使其脆性增大，在打磨、焊补和热处理过程中极易形成裂纹。钼–一般含量要求2.00%，能改善奥氏体树晶发展倾向，提高奥氏体稳定性。能抑制碳化物和珠光体形成，因此提高厚大截面铸件抗裂纹能力和提高水淬质量的效果。在厚截面铸件上钼的效果优于Cr和V。奥氏体锰钢的熔炼用电弧炉或感应电炉熔炼高锰钢（不精炼）通常碳–硅–磷和锰的氧化夹杂物含量较高。电弧炉炼锰钢通过加入石灰能起到脱磷效果，但通常来说，如果浇注温度低，则夹杂物没有时间上浮。特别是感应电炉熔炼，由于很难进行二次造渣操作，使得钢水的纯净度的限，并且由于返回料中气体的累积而气体含量相当高，所以感应电炉熔炼不能100%使用返回料。但对于电弧炉来说，由于其存在着氧化和还原过程而对气体含量不是问题。电弧炉和感应电炉的比较电弧炉的优点炉子容量大每吨能耗低可有效除气，特别是N2/H2对返回料的质量要求低易于对S和磷的控制对应用返回料没有量的限制电弧炉的缺点环境较差氧化损失大噪音大设备费用稍高电极成本无芯感应炉的优点固定投资低烟尘少可控性好融池性质相同低燥音氧化损失少无芯感应炉的缺能耗稍高很难精炼炉料质量要求高返回料最高不超过40%碱性操作碱性耐火材料通常使用氧化镁基的耐火材料，其中会混有铬和钙的氧化物。其耐火度高于酸性炉衬，在精炼的场合下特别适合。造型和钢包的操作–与硅砂相比，用镁砂、铬矿砂或橄榄石砂合适。硅砂和高锰钢会发生化学反应而在铸件表面形成玻璃体。对涂料来说，同样的道理，应用镁砂或橄榄石基的涂料而非普通的锆英粉/石英粉涂料。对锆质和碳化硅质的过滤器也一样。热处理当此合金为铸态时，因其碳化物含量高，很脆必须小心操作。所以高锰钢必须在热处理后才能使用。然而此合金的脆性也有有利的一面，浇冒口系统在铸件冷却开箱后能很方便地用机械方式敲除。特别注意：在热处理过程中，必须确保没有热冲击发生，因为这将导致裂纹。为了减轻裂纹倾向，铸件热处理时必须在炉温低于250°C时装炉。热处理炉的升温速度也得控制，应缓慢升温，每小时升温70–100°C。热处理热处理所需要达到的最高温度和保温温度应根据铸件的大小和壁厚来决定。在1030-1050°C下，每英寸铸件厚度需要保温1小时。铸件的最大壁厚决定铸件保温时间的长短。温度过高将导致晶粒粗大和铸件表面的脱碳。铸件应快速进行水淬或油淬，在这过程中特别要注意铸件和冷却液间没有空气相隔，若有将导致冷却速度不一致产生内部应力而导致铸件损坏。避免这个问题，齿板、衬板类铸件需要垂直入水。返回目录高锰钢铸件的生产第二部分–高锰钢凝固特性返回目录凝固温度区间是宽还是窄?通常认为高锰钢具有较宽的凝固温度范围，但实际中当浇注结束后，马上用额外的金属液进行补浇或冲冒口时得到了一个完全不同的现象，得出了这种合金在很短的时间内具有很大的体积收缩。因为当补浇时或许由于铸件和冒口的收缩而金属液已经从冒口中下降而显得非常有意义。或这种操作提高了铸件、冒口颈和单个冒口的温度梯度而成为必要。或两者都是……..返回目录凝固温度区间是宽还是窄?有公司进行典型的试验：铸造一个边长为300mm的立方体；使用一只Dia300的发热保温冒口；在冒口和铸件中放置热电偶记录下温度曲线；浇注后将其整体解剖，并进行渗透探伤。凝固时间非常短………..当浇注完成后的8分钟内，没有任何变化。在第8分钟至第11.5分钟，型腔的温度从1425°C降至1275°C，也就是每分钟降温43°C。12分钟之后，铸件和冒口全部凝固。如果这是碳钢，则需要只有在60分钟后全部凝固。从这些结果，可得出以下结论：温度降低的速度非常快，当开始凝固的时间非常非常短。凝固温度区间是宽还是窄?收缩特性边长为300mm的立方体的断面，使用一只发热保温冒口。形状因数为2。将铸件连冒口一起解剖开来（想像一下解剖成本）并进行渗透探伤。这照片表明从冒口所需要补缩的收缩量是非常非常大的。本试验者通过一些方法（置换）测得收缩率高达10.5%。高锰钢的凝固试验证实了高锰钢的凝固温度范围很窄。冷却速度非常快，每分钟40–45°C。在这前提下，我们可以设想：厚实铸件（像立方体）和相对比较“苗条”的铸件（象齿板或圆锥）如果相同的重量，则其凝固的区间大致相同。如果形状变得更适宜或许凝固区间会更短。高锰钢快速凝固速度得到不论铸件形状，所有的高锰钢冒口都将“吸”空，其缩孔形状和非厚大件的相似。由于这，那么要求覆盖剂要能很好地保持热量不散失而不能有任何吸热，并且要有很好的流动性。如果冒口中的缩孔比通常情况下其它钢种的要大，那么高锰钢需要增加发热覆盖剂的用量。这是轧臼壁内的直径为300mm冒口的剖面照片。铸件形状因数14。尽管铸件的形状因数从2改变为14，而对于液量控制的冒口而言，其收缩的特性相当相似。不同的是整个铸件所需要的液量…和凝固区所需的体积收缩特性收缩特性唯一的致密区在底部边角处，这里温度散失最快。因此我们假定高锰钢需要温度梯度。内部晶粒间的缩孔遍及整个断面，所以我们提出快速冷却导致晶间缩松随时都存在着。或许这是由于温度梯度而导致，快速的冷却导致孤立区出现而形成分散的缩松。这高锰钢立方体凝固时间12分钟，而普通钢凝固时间大约要60分钟。这是铸件和冒口的分界线，一只300mm的发热保温冒口不能补缩一个边长为300mm的立方体！！！–wow!因此如果得到遍布的晶间的缩松，那么晶粒尺寸和分布是这类铸件的关键因素。收缩特性收缩特性如果这是真的，我们可以假设在一些工作环境高锰钢的加工硬化特性将这些开放的晶粒结构予以弥补。所以当最终用户将铸件的采购价格和铸件的使用寿命综合评估时，使用带有一些孔隙的铸件是可行的。返回目录高锰钢的铸造方法第三部分–晶粒大小的影响返回目录晶粒尺寸控制这是由(J.BeechandP.Srichan(BritishFoundrymenNovember85pages453–458)提出，晶粒尺寸和铸件壁厚直接成正比。这表明晶粒大小与断面厚度有一定关系。返回目录晶粒尺寸的要求少量加入硼或锑可以加速在晶界形成沉淀物。换而言之，这些元素能提高耐磨性。通常简单地降低到一个低的浇注温度。大多具有厚大断面的高锰钢铸件在1400–1410℃浇注。一些薄壁衬板等可以在高于此的温度下浇注。AfterLHSchaffha