張江張龍

（1.山東省機械設計研究院，濟南 250031；2.中鋁山東工程技術有限公司，淄博 255051）

大型厚壁高錳鋼鑄件的工藝技術

張江1張龍2

（1.山東省機械設計研究院，濟南 250031；2.中鋁山東工程技術有限公司，淄博 255051）

通過分析大型厚壁高錳鋼鑄件化學成分各元素的含量及作用、凝固特點和結構工藝性。根據分析結果，結合生產實踐、相關技術理論資料和公開的研發(fā)成果，制定大型厚壁高錳鋼鑄件鑄造工藝、熔煉、熱處理、后處理的生產技術要點及注意事項，包括冒口冷鐵設置、脫磷脫氧制度、澆注溫度控制、加熱保溫水淬工藝。

大型鑄鋼件 高錳鋼 鑄造工藝

引言

高錳鋼既有堅硬的表面，又有柔韌的心部可以抵抗強烈沖擊。在強大的沖擊載荷和接觸應力作用下，其表層迅速產生硬化，硬度可從200HB急劇升高至500～700HB，從而產生高耐磨的表層，心部奧氏體卻保持著極好的韌性，耐磨性穩(wěn)定，特別適用于沖擊磨料磨損和高應力碾碎磨料磨損工況。

高錳鋼需要在劇烈沖擊或是強大壓力下才能充分硬化，一般大型的高錳鋼承受沖擊載荷更大，加工硬化更充分，表現出來的耐磨性更加優(yōu)異。假如沖擊力太弱，高錳鋼未等表面充分硬化，便已被磨損掉了。正因如此，高錳鋼通常表現為大磨襯板表現比小磨襯板好，鄂板比襯板耐磨，大錘頭比小錘頭耐磨。所謂高錳鋼不耐磨，大多屬使用不當形成的。

根據含錳量，現在廣義的高錳鋼已拓寬至超高錳鋼。在大沖擊和高應力耐磨材料領域里，隨著礦山、建材、冶金、電力等行業(yè)設備大型化，高效化，高錳鋼的優(yōu)點更加凸顯，高錳鋼使用率更高。譬如我公司現每年生產高錳鋼鑄件3000多噸，其中大約一半為重量1噸、壁厚80mm以上大型厚壁件，而2005以前，大型厚壁件只有300～400噸。

1 高錳鋼的工藝性分析

1.1 化學成分各元素的含量及作用

高錳鋼不同牌號主要區(qū)別是碳、錳的含量。

（1）碳是基本元素，根據國家標準，其范圍是0.9%～1.35%。高猛鋼中的碳主要有兩個作用，一是有利于形成單相奧氏體組織，二是固镕強化。在規(guī)格范圍內，含碳量的增加，鑄態(tài)組織中碳化物數量增加，甚至成網狀碳化物，降低韌、塑性。碳量控制基本原則沖擊大，碳含量低，沖擊小，碳含量高。大型厚壁高錳鋼鑄件碳量控制在中下限，即0.9～1.1%。

（2）錳是主要元素，主要作用穩(wěn)定奧氏體，并有很大強化作用。傳統(tǒng)上高錳鋼錳含量在11.0%～14.0%之間，一般不應低于12%。含量大于14.0%時，普遍定義為超高錳鋼，國家標準對應牌號有Mn14、Mn17兩種，含量在14.0%～19.0%之間，錳含量大于18%的超高錳鋼尚無對應標準，但應用較多，設計時常見規(guī)定為16.0%～24.0%。

（3）硫、磷是有害元素，低磷低硫是最基本的要求，由于高的錳含量自然起到脫硫作用，硫危害相對較小，磷則危害很大，大幅度降低高錳鋼的力學性能和耐磨性能。因為磷在奧氏體中的溶解度低，在結晶時易形成磷共晶，磷共晶形成脆性相，大大降低高溫塑性，降低鑄件斷裂應變，對熱裂十分敏感。故降磷是最要緊的，磷量應盡量低，設法使磷低于0.07%。超過0.07%時在金相分析中可以發(fā)現磷共晶，當磷＜0.07%時，金相分析上雖看不到磷共晶，但仍有影響熱裂的傾向。對大的復雜的鑄件，磷量應＜0.04%。在焊接時，金屬基材和焊條的磷量最好都不超過0.03%。

（4）硅在高錳鋼中主要作用是脫氧，含量的高低，對沖擊韌度影響較大。含硅量增加，促使碳化物增多，并能加強碳的偏析，使晶界上碳化物增多，硅還惡化碳化物形貌，惡化韌性。在厚斷面鑄件中，硅對韌性的危害可能會是災難性的，因此，硅量太高甚至可以看作雜質。硅在高錳鋼中的有害作用，不像磷那樣受人注意，量不宜太高，所需的一點硅量，也只是為了脫氧和提高流動性，含硅量應＜0.5%。

（5）鉻提高屈服強度和抗磨性，但鑄造應力增大，塑性、沖擊韌度均降低，含量一般在1.5%～2.5%之間。

1.2 高錳鋼鑄件的凝固特點

高錳鋼屬中間凝固方式，通常情況下冒口的作用區(qū)比碳鋼大,而末端區(qū)比碳鋼小。高錳鋼C、Mn含量高，熱導率較低（僅為碳鋼的1/3）以及結晶生長速度較快．易產生粗大的柱狀晶組織，高錳鋼冒口補縮效果較差，薄壁件可用無冒口，中等厚壁件可用外冷鐵激冷鑄造。鑄件最后凝固區(qū)域如厚壁處，熱節(jié)處，晶粒粗大，組織不夠致密，高溫強度低，碳化物、夾雜物多，并產生化學成分偏析，韌性極差，易產生熱裂。高錳鋼線收縮大，收縮應力大，鑄件薄弱處，如筋板部分，尤其是上下兩部分連接筋板，容易產生應力集中，導致冷裂。

1.3 大型厚壁高錳鋼鑄件的凝固特點

大型厚壁高錳鋼鑄件凝固時間長，縮孔及縮松傾向很大，單用外冷鐵的無冒口鑄造，不能消除鑄件的縮松和縮孔，要獲得組織致密的鑄件，必須依靠冒口補縮。由于輪廓、壁厚尺寸大，冒口的作用區(qū)隨之變大，冒口補縮作用增大。但是大型厚壁高錳鋼鑄件通常熱節(jié)多而分散。全部熱節(jié)單用冒口補縮困難，往往需要其它工藝措施，如采用傾斜澆注、澆冒口合一工藝，降低澆注溫度，外冷鐵和蓄熱系數高的型芯砂的控制冷卻等措施增加冒口作用。傾斜澆注能顯著地增加冒口作用區(qū)長度,而對末端區(qū)沒有明顯的影響；降低澆注溫度和激冷作用顯著增加末端區(qū)長度,對冒口作用區(qū)沒有明顯影響。

2 大型厚壁高錳鋼鑄件生產技術要點

2.1 鑄造工藝

（1）冒口。鑄件設置冒口對熱節(jié)進行補縮時，冒口要緊靠熱節(jié)。大型厚壁高錳鋼鑄件冒口大，需要火焰切割冒口，但切割冒口可能引起相變，加熱時間長，高錳鋼熱導率較低，熱應力大，加之高錳鋼鑄件冒口設置又產生了接觸熱節(jié)，該部位組織比熱節(jié)還差，冒口根部容易造成裂紋，所以冒口設置最好采用側冒口及縮頸易割頂冒口，盡量不用普通頂冒口。冒口直徑要遠大于縮頸直徑，縮頸直徑等于或稍小于熱節(jié)直徑，冒口高度要大于冒口直徑的1.5～2.0倍。

（2）冷鐵。包括內冷鐵和外冷鐵，冷鐵可以調節(jié)鑄件各部分凝固速度，可以使鑄件的缺陷發(fā)生位置遷移，同冒口配合可以擴大冒口的補縮范圍，消除縮孔、縮松，同時提高工藝出品率和細化一次結晶，但是高錳鋼鑄件對冷鐵很敏感，工藝設計時應特別注意使用原則，嚴格區(qū)分內冷鐵和外冷鐵，必須選擇適宜的用量和合理的規(guī)格。內冷鐵慎用，以干凈和用量少為宜，要用化學成分相同的高錳鋼制作，否則容易因熔點和收縮系數不同造成內裂。外冷鐵的尺寸，冷鐵之間過渡區(qū)與鑄件匹配，否則往往會造成在冷鐵作用范圍內鑄件凝固速率梯度不均衡，產生過大應力。盡量避免采用直接外冷鐵，因為澆注后冷鐵區(qū)鋼液迅速激冷，接觸面形成皺皮，其較深較凹處容易形成裂紋源。

（3）澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)采取開放式。采用多個分散的內澆道從鑄件的薄壁處引入，靠近鑄件處的截面積大于與橫澆道相聯的截面積，使金屬液快速平穩(wěn)地注入鑄型，澆注時盡可能低溫快澆，防止整個鑄型內的溫差過大。采用傾斜澆注、澆冒口合一工藝時，直澆道、冒口位于高處（砂箱有6～10℃的斜度）。

（4）造型材料和涂料。應與金屬液屬性相一致，一般用堿性材料（如鎂砂、橄欖石砂），或者用中性材料（如鉻鐵礦砂、棕剛玉等）。若想獲得細化的一次結晶，采用蓄熱量大的造型材料和涂料（如鉻鐵礦砂），尤其是消失模生產廠，用它將克服高錳鋼散熱慢的缺點。

（5）其他。大型厚壁高錳鋼鑄件在工藝設計中鑄造收縮率取2.5%～2.7%，鑄件越長大、越應取上限。型砂與砂芯的退讓性一定要好。盡量減少飛邊，毛刺，粘砂，防止阻礙收縮，同時也減少清理量，減小瞬時應力。

2.2 熔煉

3.2.1 電爐

高錳鋼冶煉爐主要還是電弧爐和感應電爐，與電弧爐煉鋼相比，感應電爐的特點如下：

（1）加熱較快熱，效率較高，在電弧爐煉鋼中，電弧產生的熱量中有很大一部分通過爐蓋和爐壁而散失。妒料熔清后，電弧的熱量須通過爐渣傳給鋼液。在感應電爐中，熱量是在爐料〔鋼液)內部產生，因而加熱速度較快，熱效率較高。

（2）元素的氧化燒損較少，感應電爐煉鋼中，沒有電弧的超高溫作用．使得鋼中元素的燒損率較低。

（3）鋼液成分和溫度比較均勻，感應電爐煉鋼中，由于電磁力的電磁攪拌作用。促使烙池內鋼液的化學成分和溫度趨向均勻，并有利于鋼液中的非金屬夾雜物的上浮。電滋攪拌的有利作用在大容量電爐條件下，表現得待別突出。

（4）爐渣參與冶金反應能力較差，在電弧爐煉鋼條件下，爐渣的溫度比鋼液高，故爐渣參與冶金反應的能力強。而在感應電爐條件下，爐渣靠鋼液加熱．溫度較低．故參與冶金反應的能力較弱。因此在感應電爐煉鋼中，脫磷、脫硫和擴散脫氧等冶金過程的效果比電弧爐煉鋼差很多。

對高錳鋼而言，脫磷、脫氧是及其重要的，尤其是大型厚壁高錳鋼鑄件，應盡量采用堿性電弧爐氧化法冶煉，如果不得已采用感應電爐熔煉，須嚴格控制爐料、合金，并要進行爐外精煉。

3.2.2 堿性電弧爐氧化法冶煉技術要點

氧化法煉鋼的工藝過程包括準備階段(修補爐村、配料及裝料)、熔化期、氧化期、還原期和出鋼等幾個階段。

（1）爐料。是由化學成分決定的，主要爐料是優(yōu)質碳素鋼（或鋼錠）、高碳錳鐵、中碳錳鐵、高碳鉻鐵及高錳鋼回爐料。特別注意的是大型厚壁高錳鋼鑄件，絕不可以過多的使用回爐料，回爐料不應超過25%。

（2）熔化期。用允許的最大功率供電熔化爐料，推料助熔。熔化后期，爐料基本熔化時，加入適量渣料及礦石，可吹氧助熔，適當減小功率。熔清后，取樣快速化驗，保證鋼液含碳量5.2%以上，造氧化渣。

（3）氧化期。脫碳：氧化渣流動良好時可吹氧脫碳，吹氧壓力為0.6～0.8MPa，使鋼液沸騰既激烈而又平穩(wěn)，每分鐘脫碳0.01～0.03%，估計碳量≤2.2%左右時，充分攪拌，取樣分析，保證脫碳0.3%以上。適宜的脫碳量和脫碳速度可有效地清除鋼液中的氣體和夾雜物，凈化鋼液。

脫磷：氧化法冶煉高錳鋼時，錳鐵是在還原期加入的，由于錳鐵含磷量較高，因此要求在熔化期和氧化期中盡量降低鋼液的含磷量

（4）還原期。高錳鋼應滿足對韌性的要求，而韌性與鋼中的氧化夾雜物的量有直接的關系，為保證鋼高韌性要求，鋼液要進行充分的脫氧。高錳鋼冶煉的脫氧由鋼液的預脫氧、擴散脫氧和最終的脫氧幾個步驟所組成。基本過程是：扒凈氧化渣后，用錳鐵、硅鐵、鋁塊進行預脫氧，造稀薄渣，覆蓋鋼液表面，減少吸氣，稀薄渣形成后，加入錳鐵，造電石渣還原，還原一段時間約15min，隨即將電石渣變?yōu)榘自?，渣面上加入炭粉、鋁粉、硅鈣粉，控制好爐內的溫度，控制好爐渣的堿度、渣量和流動性，擴大粉狀脫氧劑與爐渣的接觸面積，保持爐內強還原氣氛強化脫氧。在此期間，及時調整成分。鋼液溫度符合要求，化學成分合格，園杯試樣收縮良好后，終脫氧后出鋼。采用鋁及其他脫氧合金終脫氧，量應足夠。殘鋁量能反映脫氧效果，保證鋼液中有一定的殘留鋁量，達到0.06%以上。

還原期中往鋼液中加錳鐵，應預先烤紅，并趁紅熱狀態(tài)加入以加速熔化。由于錳鐵的加入量多，當一次全部加入時，往往造成鋼液大幅度降溫，在爐溫較低的情況下，甚至會造成錳鐵的“凍結”，建議采取分批加錳鐵的方法，錳鐵的批量應根據爐溫條件而定。錳鐵的密度較大，易沉淀在爐底，加入每批錳鐵后，應充分攪拌熔池。其他合金材料，要分多次，每次少量入爐。貴重元素在最后加入，以減少燒損。料塊應盡量小些，以50～80mm為宜。

（5）出鋼。鋼液出爐前，將澆包烘烤到400℃以上。出鋼后，鋼包使用覆蓋劑把金屬液面蓋嚴，起到保溫效果，同時隔斷外界空氣與鋼水反應引起二次氧化。鋼液出爐后還要鎮(zhèn)靜一段時間，使氧化物、夾雜物有充足時間上浮。接著在包內吹氬，用普通方法熔煉的鋼中含有大量粗大夾雜物，在鋼包中用惰性氣體處理可以大大減少鋼中非金屬夾雜物的數量、減少鋼中氣體含量，從而提高鋼水的質最。吹氬3～4分鐘，吹氬速度和壓力保證鋼液冒泡均勻沸騰適中。

（6）澆注。大型厚壁高錳鋼鑄件采用低溫快澆工藝，為減少縮松、縮孔及晶粒粗大降低澆注溫度，為充型良好，減少各部分溫差和熱應力快速充型。

實踐證明：大型厚壁高錳鋼鑄件終澆溫度在1410～1430℃，即能澆注合格鑄件。這樣，出鋼溫度為1480～1520℃，降溫約10℃，包內溫度為1470～1510℃，為進一步凈化鋼液，出鋼后吹氬精煉3分鐘，降溫約20℃，吹氬后約1450～1490℃，鎮(zhèn)靜2～3分鐘，溫度為1440～1460℃開始澆注，在澆注過程中約降溫約30℃。

2.3 熱處理

大型厚壁高錳鋼鑄件必須考慮熱處理不同部位和同一部位內外組織差異引起性能差異，高錳鋼在加熱時導熱性差引起大的熱應力的特點，熱處理時，為減少開裂和變形，應遵循以下步驟：預處理，加熱保溫，水淬。

（1）預處理。將鑄件緩慢加熱到較低溫度保溫一段時間，可有效減少鑄造應力和熱應力，同時可使部分奧氏體發(fā)生共析分解，有時共析分解量可達60%以上。分解產物中存在大量的鐵素體和碳化物的相界面，提高了水韌處理時奧氏體的形核機率而細化奧氏體晶粒。

（2）加熱保溫。再以較快速度加熱到1050～1080℃保溫，保溫溫度時間足夠，確保鑄態(tài)組織中的碳化物完全溶解和奧氏體的均勻化。嚴格防止加熱溫度過高和保溫時間過長，溫度過高或保溫時間過長會導致鑄件表面嚴重脫碳，同時奧氏體晶粒和晶界上也會析出不能消除的脆性共晶碳化物。

（3）水淬。迅速水冷，水韌處理。鑄件入水溫度必須大于一定溫度，所以應盡量縮短空中停留時間。入水后，用吊車不停擺動鑄件，加速水冷，水韌處理過程中水溫很關鍵，一定要防止水溫太高，可用冷卻循環(huán)水。

（4）再處理。部分鑄件可在水韌處理的基礎上再進行中溫再處理，使鑄件部分硬化，提高屈服強度和起始硬度，增加抗磨性能。但要謹慎使用，嚴格控制溫度和保溫時間。

2.4 清理與后處理

（1）開箱。一旦凝固，要及時松砂箱。鑄件在型內要長時間保溫，應當在溫度降低至200℃左右才開箱落砂。控制開箱溫度也是防止高錳鋼鑄件產生裂紋的有效措施，大型厚壁高錳鋼件切忌在紅熱時打箱，把鑄件暴露在空氣中驟冷，產生過大應力和過大組織性能差異。

（2）切割。因為錳鋼熱傳導性能差，劇烈加熱會產生相變，高錳鋼重新加熱時，在250～800℃之間存在碳化物析出的脆性溫度區(qū)間。所以在切割澆冒口時應十分注意。切割時將鑄件置于水中，冒口露在水外，切割部分在水面，切割留一定量的冒口茬，熱處理后磨掉。

（3）焊接和焊補。鑄態(tài)高錳鋼存在著碳化物和鑄造應力，所以必須在水韌處理后進行焊接，焊接高錳鋼鑄件應采用電弧焊，高猛鋼焊條。焊補量大時，先用奧氏體不銹鋼焊條焊底層，以減少裂紋，焊后及時趁熱錘擊焊縫并水冷，以免鑄件嚴重受熱析出碳化物。

（4）檢驗。重要鑄件必須探傷，進行屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率等力學性能檢驗。檢驗不合格時，允許對該批試塊及鑄件重新熱處理，然后進行標準所要求的所有力學性能檢驗。重新熱處理后力學性能檢驗合格，則該批試塊及鑄件仍為合格。但是，未經需方同意，不允許對試塊及鑄件進行多于兩次的重新熱處理

3 結語

（1）大型厚壁高錳鋼鑄件制造是一個復雜的系統(tǒng)過程，影響因素較多，這些因素不是獨立的，往往相互作用、相互影響。制造時，需要對鑄件化學成分特點和結構工藝性進行全面分析，以鑄件制造的難點、重點為基礎，根據標準和技術要求制定合理的工藝方案和操作規(guī)程，并在生產實踐中嚴格實施。

（2）高錳鋼在正常連續(xù)工況條件下，失效時限可以控制在工期的±5%以內，這是其他耐磨材料難以比擬的。國外企業(yè)尤其是發(fā)達國家的企業(yè)，定期檢修計劃精確，無足夠專職檢修人員，需外包專業(yè)檢修公司，這時，高錳鋼失效時限精確性的優(yōu)勢就很明顯了。這是耐磨新材料層出不窮，卻難以有一種替代高錳鋼的重要原因之一。

（3）高錳鋼的韌性儲備極大，只要按照規(guī)定的規(guī)程和工藝制作，按照標準所要求的項目檢驗合格，不會發(fā)生短時失效，可保證使用安全，成為大型耐磨件材料優(yōu)先選擇。隨著企業(yè)設備大型化，高效化，國內企業(yè)與國際接軌，國內高錳鋼使用范圍還會擴大。

（4）高錳鋼誕生至今已有一個多世紀，高錳鋼材料新技術和工藝新技術不斷開發(fā)，不但在傳統(tǒng)領域繼續(xù)使用和發(fā)展，而且已成為高鐵列車、坦克裝甲、重型機器人等高科技先進裝備中的重要耐磨材料。

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[3]閻郁.高錳鋼熱處理工藝的改進[J].金屬熱處理1982（01）49-50.

The Casting Technique of the Large Thick High-manganese Steels

ZHANG Jiang1,ZHANG Long2
（1.Shandong Machinery Design and Research Institute 250031;2. Chalco Shandong Engineering Technology Co.,Ltd.,Zibo 255051）

The content and the role of each element of the chemical composition,solidification characteristics and molding process of the large thick high-manganese steels have been analyzed in this work. According to the analysis results,combining with production practice, the related technical theory and the public R&D results,the production technical points and considerations of the casting processing,smelting, heat treatment and post-processing of the large thick high-manganese steels have been developed,including the riser cold iron set,the dephosphorization and deoxidation system,the pouring temperature control,the heat insulation,and water quenching.

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