叶根;鲁菲
【摘 要】针对影响高锰钢质量的主要因素,通过对化学成分、晶粒度、碳化物、夹杂物和致密度的控制,优化工艺条件,实现了高锰钢铸件质量的提高.%Aiming at the main factors which affect the quality control of Hadfield steel,the quality of Hadfield steel castings has been improved by controlling the chemical composition,grain size,carbide,inclusions and density as well as optimizing the process conditions. 【期刊名称】《中国铸造装备与技术》
【年(卷),期】2018(053)002
【总页数】4页(P78-81)
【关键词】医疗保健器具高锰钢;化学成分;晶粒度;碳化物;夹杂物
【作 者】叶根;鲁菲
【作者单位】金堆城钼业集团有限公司机电修配厂,陕西华县714102;金堆城钼业股份有限公司,陕西华县714102
【正文语种】中 文
【中图分类】TG243
目前国内矿山湿式球磨机衬板以高锰钢为主，因高锰钢韧性高，耐冲击性能好，虽耐磨损性能和耐腐蚀性能不够理想，可是高锰钢的原材料来源丰富，有非常好的冲击韧性和长期的生产历史，所以高锰钢仍然是目前大中型粉磨设备中应用最为普遍的耐磨材料[1]。
卡门涡街效应
在实际生产中，由于诸多因素的影响，普通高锰钢经常未能达到应有的使用寿命而过早的失效。因此，如何进一步提高高锰钢的质量是一项重要任务。现就影响高锰钢耐磨性因素及其对策重点介绍如下。
1 高锰钢的生产
高锰钢熔炼生产在3t中频炉中进行,中性炉衬,造渣材料采用专用造渣剂，每炉造渣、扒渣三次，采用快速热电偶测温,稀土硅铁合金变质剂,铝锭终脱氧，3t茶壶包浇注。 2 工艺控制
2.1 化学成分
pam加药
（1）碳：碳是决定高锰钢是否耐磨的一个重要成份，它的含量变化将导致高锰钢机械性能、耐磨性能及铸造性能的变化。在一定范围内，耐磨性随着碳含量的增加而升高。碳量一般控制在1.00%～1.35%之间。
当高锰钢中的碳含量在上限时，应特别注意控制硅和磷的含量，硅应取下限，磷应尽可能低些。因为在高的碳含量时，硅元素能促进碳化物的沿晶析出，也使得磷的危害性增大。
（2）硅：高锰钢中的硅含量在0.4%内可改善热裂倾向，高的硅含量促使形成柱状晶，增加热裂倾向。在厚大断面铸件中，硅对韧性的危害有可能是灾难性的，硅能加强碳的偏析，使晶界碳化物增多，恶化韧性。当硅含量小于0.3%时，钢中脱氧程度难以达到要求，氧化夹杂物增多和钢的韧性降低，裂纹倾向也增大。一般硅含量应控制在0.35%～0.6%之间。
车顶横杆（3）锰：锰是保证高锰钢获得单一奥氏体组织的重要合金元素。与碳合理搭配能提高钢的
耐磨性和机械性能[2]。Mn/C>10，高锰钢的耐磨性不但没有提高，反而有所下降。含锰量高时，使高锰钢铸件初生奥氏体晶粒粗大而且易生柱状晶。但锰碳比若过分降低时（Mn/C≤8），晶界上将大量出现网状碳化物。热处理尚无法良好的予以消除，铸件易产生裂纹，故Mn/C选用8～10。
（4）磷：磷在奥氏体中溶解度极低，常以Fe3P或Mn3P析出于晶界或以其它复杂共晶体污染晶界，使钢的韧性急剧下降。此外磷可使奥氏体晶粒粗大并容易生成柱状晶，大幅降低耐磨性和冲击韧性值，根据实际经验，磷元素每增加0.01%，冲击韧性值就下降5～6J/cm2。降低钢中磷含量是减少铸造裂纹，防止使用中断裂，提高耐磨性的重要措施。在实际生产中，限于锰铁条件，一般将磷控制在0.06%以下。在钢水温度较低时（1450～1480℃），进行流渣或者扒渣，以防高温时磷元素返回钢液中。
火灾预警系统（5）硫：硫是钢中另一个有害元素。硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS与Fe形成共晶（熔点989℃）并分布于奥氏体的晶界上，造成钢的“热脆”。但高锰钢中锰含量很高，对硫的有害作用可起到减轻作用。硫含量一般控制在0.03%以下。
表1 化学成份 ωB/%牌号 C/% Mn/% Si/% S/% P/% Mn/C ZGMn13-1 1.2～
1.35 11.5～14 0.3～0.6 ≤0.05 ≤0.06 ≥9.5 ZGMn13-2 1.1～1.25 11～13 0.3～0.6 ≤0.05 ≤0.06 ≥9.5
ZGMn13-1适用于结构简单的耐磨铸件,如衬板、齿板、破碎壁、斗齿等。ZGMn13-2适用于结构复杂的高韧性铸件，如电铲斗前壁、格子板等。WK-4型电铲铲齿含碳量控制到1.25%～1.35%，每套铲齿平均挖矿量为13万吨（矿石硬度f=12～14）。例如成份（%）为 C：1.35；Mn：13.4；Si：0.41；S：0.003；P：0.06 时，挖矿量达 16.83 万吨；成分 （%） 为 C：1.27；Mn：12.4；Si：0.44；S：0.006；P：0.049时，挖矿量为14.63万吨。这说明，在保证铸件水韧处理工艺下，随着含碳量的提高，耐磨性也随之提升。
2.2 晶粒度
晶粒度愈细，做同样的功所引起的加工硬化愈大。高锰钢为等轴晶时，随晶粒度由细变粗，其抗拉强度和延伸率显著下降，而冲击韧性影响不显著[3]。当高锰钢出现柱状晶时，随柱状晶所占铸件断面积比例增大，其抗拉强度、延伸率和冲击韧性均大大降低，而耐磨性能也降低。如在180×250高锰钢齿板试验证明，晶粒度为2～3级的齿板比大部份为柱状晶的齿板其使用寿命提高30%左右。
浇注温度对高锰钢晶粒度影响巨大，浇注温度愈高，晶粒度愈粗大。枝晶严重，钢的强度和冲击韧性愈低，高锰钢裂纹敏感性也随之增大。一般出钢温度控制在1500～1530℃左右时，钢中夹杂物易上浮，吸气不明显，可提高合金纯洁度，所以钢的相对磨损量较低，使用寿命长。低温浇注可获得细晶结构。尤其是采用了外冷铁，必须低温浇注。高温浇注使高锰钢产生严重的柱状晶，甚至出现穿晶结构，导致铸件在使用时开裂。但浇注温度也不能低于1430℃，过低的浇注温度打乱了铸件的顺序凝固方式，会出现同时凝固，浇注时卷入的气体、杂质得不到排除。这些铸造缺陷导致铸件在使用过程中开裂甚至出现内裂纹。对普通大中型高锰钢铸件，浇注温度一般控制在1450～1480℃。
另外，为消除柱状晶组织，使晶粒达到3～4级，采用了悬浮浇注稀土粉的试验，加入0.2%稀土粉于钢水中，得到全部细晶粒组织（晶粒度为4级）。加稀土后ZGMn13的机械性能、冲击韧性、奥氏体原始显微硬度都有所提高，RE加入量0.2%为宜。
2.3 碳化物
碳化物的存在严重地影响了钢的机械性能和耐磨性能。当钢中晶粒度与夹杂物等级相近时，碳化物溶解越好，机械性能越高。高锰钢晶粒度细小，但碳化物溶解不良，其机械性
能比晶粒度粗大碳化物溶解良好者低。高锰钢含碳量高，但碳化物溶解不良，其机械性能不及含碳量较低而碳化物溶解良好者。
同一炉次冶炼浇注，采用不同热处理工艺生产的锤式破碎机锤头，经实际鉴定，碳化物为3级的锤头，其单位平均磨损破碎矿石量要比碳化物为4级的锤头高19.2%；同一炉次冶炼浇注，采用不同热处理工艺生产的180×250齿板，经实际鉴定，碳化物为3级的齿板，其平均单位磨损破碎矿石量要比碳化物为3.5级的齿板高12.9%。
2.4 夹杂物
钢液中的夹杂物对钢的性能影响程度是随其类型、数量、大小及分布形态而定。总的来说，高熔点、细小，均匀分布于晶内的夹杂物即使数量多，也比那些数量虽少，但分布在晶界、粗大、低熔点夹杂物好得多。前者对钢的机械性能与耐磨性能的影响比后者小，这是由于后者破坏了金属的连续性。
夹杂物主要是氧化锰、二氧化硅、复合硅酸盐、三氧化二铝、硫化锰或稀土氧化物等[4]。如果钢中含磷量较高，可能生成一种沿晶界分布的磷共晶夹杂物，这种夹杂物对钢的机械性能与耐磨性影响很大。为此，应尽量降低钢中的含磷量。
炉渣脱氧良好与否主要根据渣中氧化铁和氧化锰的总量来评定。脱氧不良的钢中氧化锰的含量较高，它会使钢的强度、塑性、耐磨性和抗热裂的能力降低。例如钢中加入0.01%～0.013%氧化锰，其耐磨性下降了50%，热裂倾向提高了三倍。要求渣中氧化铁含量小于0.5%，氧化铁与氧化锰总量应小于1.2%，出钢前在炉内插铝终脱氧。
为获得高质量的铸件，保证钢水有足够的镇静时间又是一个关键性环节。因此要求出炉温度控制在1500～1520℃范围内。这样，既有利于钢中夹杂物上浮，也有利于钢液有足够的镇静时间。
采用稀土合金对脱氧良好的钢液进行变质处理，即在钢包中充满1/3钢液时，向钢液中添加0.3%的稀土合金进行变质处理，可有效减少夹杂物含量，改善夹杂物分布形态，缩小夹杂物尺寸，夹杂物形状得到显著细化和球化。
2.5 致密度
高锰钢铸件的致密度是影响铸件耐磨性和使用寿命的极重要因素。因此铸造工艺的设计尤为重要。
ø3.6m×4m球磨机衬板的试验表示，采用平造型、平浇注的衬板，铸件中心部位组织极坏。不仅有严重的缩孔、缩松，而且有柱状晶，其使用寿命大都在5个月左右（一次球磨，矿石硬度f=12～14）。后改为平造型斜浇注，基本消除了中心缩孔、缩松，使衬板的使用寿命平均提高25%左右。将各类衬板均改成平造型斜浇注的方式，即浇、冒口均处于倾斜的高位置上，有助于提高致密度。
对于壁厚在60mm以下的板形铸件，可考虑不设置冒口。这种铸件的浇注系统，采用分散的内浇口，内浇口的数量较多，截面积要小，形状以扁薄形为宜，以避免在浇口前形成热节。
另外采用外冷铁，对加速铸件凝固、细化晶粒、提高产品致密度、消除缩孔和缩松、减少冒口都有较好作用。通常外冷铁的厚度为铸件厚度的0.4～0.8倍。升降机构
3 结论
通过两年的生产实践，某公司熔炼高锰钢基本上以中频炉替代了电弧炉，从成分、晶粒度、碳化物、夹杂物和致密度的控制使铸件达到使用质量要求。新工艺的开发，既可降低相对于电弧炉的高能耗，又降低了操作难度，大大提高了生产效率。
[1] 谢敬佩,等.耐磨奥氏体锰钢[M].北京:科学出版社,2008.
[2] 柳百成,等.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2006.
[3] 袁献文.高锰钢的加工硬化特性及影响使用性能的因素[J].矿山机械,1980(4):50-58.
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