高锰钢工艺

高锰钢铸造工艺

1高锰钢的化学成分设计：

1.1碳：

在常温强烈冲击载荷下的服役工件，碳含量控制在1.02以下，甚至1.0以下。在低温下服役工件，要控制碳含量1.0以下，固溶处理后，原始硬度为HB170-210，使用后硬度高达450-480，硬化层深度达18mm，含碳量高的硬度只达HB350-400，硬化深度只有7-8mm。强冲击（或挤压），选碳含量较低；低应力，软物料磨损情况，选含碳量偏高。

薄件冷速快，碳化物不易析出，碳含量可选择高一些；结构复杂，铸造容易产生裂纹，也易碳含量偏低。

1.2锰：

一般锰含量大于12%，铸件结构复杂，高应力下服役，壁厚大，为获得高韧性，锰含量高一些。

当高锰钢中锰与碳的含量比小于8时，经常规热处理，在晶界上易出现状碳化物和过量残余碳化物，铸件的强度、韧性和塑性降低，钢质变脆。

1.3硅：

硅应控制在0.5%左右，（0.4-0.6）超过0.5%,尤其是超过0.8%，将会造成碳化物粗大，导致韧性降低，薄壁件可选上限。

1.4硫和磷：

锰铁含磷较高，有的高达0.3-0.4%，将带入0.075-0.085%的磷，一般磷含量控制在0.07%以下，可用硅钙脱磷。高锰钢中含硫低，一般都低于0.02%，

1.5铝：

浇注前，在包中补加铝0.05-0.08%，保证铸件中残铝0.035-0.04%，才能保证钢液脱氧良好。加铝终脱氧后必须在10min钟内浇完。铝量过高，可形成铝氮，它在高温溶解在奥氏体中，随温度降低，从奥氏体中析出，沉积于晶界，引起热裂和晶界脆化，形成石状断口，造成晶界断裂。高锰钢中残铝大于0.3%时，使高锰钢晶粒粗大。

转包浇注，一般中小件，壁厚不大于100mm，金属型、干型加0.15%（1.5Kg/t钢水），湿型加0.2%（2Kg/t钢水），在大型厚壁件出钢时，先在炉中或包内加0.2%（2Kg/t钢水），浇注时1-2min在包中补加铝0.05-0.08%（0.5-0.8Kg/t钢水）。如果底注式包浇注，加铝可适当降低。降低量不超过0.05%，但最低加入量要保证0.15%，大型厚壁件要保证钢中残铝量0.035%-0.045%。

1.6铬：

铬、锰都是网状碳化物形成元素，高锰钢加铬后，铬和锰交互作用使晶界网状碳化物有所增加，为使网状碳化物溶解，故固溶温度要升高。

在ZGMn13中加入1-3%铬后，屈服强度提高了40-60MPa，。普通高锰钢制作球磨机衬板，由于长期受到磨球的冲击，会产生流变，使衬板间装配缝消失，有时还会因流变

使衬板交接在一起，使更换衬板产生困难。为了卸下衬板有时还得动用火焰切割，加铬高锰钢衬板的使用基本克服了衬板的流变。

1.7钼：

含钼碳化物可在奥氏体中沉淀析出或弥散析出，使奥氏体得到沉淀硬化或弥散硬化，从而使高锰钢耐磨性提高。

因含钼碳化物在奥氏体晶界形核困难，生长速度缓慢，所以含钼高锰钢铸态组织中不出现晶界连续网状碳化物，晶界碳化物比普通高锰钢少，枝晶间碳化物较多。碳化物以块状为主，使铸态高锰钢强度、塑性、韧性增加。钼还能抑制和消除针片状碳化物形成。在大断面高锰钢铸件中加入钼可减少组织中碳化物数量，提高大断面高锰钢的韧性。钼含量为2%时，即使铸件断面到250mm厚，仍能保持这种碳化物的分布和形状。因此，可以提高高锰钢中的碳含量，可提高到1.7%左右也不致造成过多碳化物析出，有利于材料在强烈冲击载荷下抗磨性提高。

锰、铬是过热敏感元素，而钼不是，钼的加入，可阻止奥氏体在固溶处理时加热和保温过程中长大。在相同热处理条件下，含钼高锰钢的晶粒较细，有利于屈服强度提高而不降低其塑性。

含钼高锰钢固溶处理后可进行焊补，甚至焊接，不需在重新热处理，给生产和使用带来方便。

对含钼高锰钢进行固溶处理后可进行时效处理，时效温度不要高于400℃，（≦400℃），可促使碳化物在奥氏体上弥散析出，但又不降低高锰钢的韧性，使高锰钢弥散硬化。高硬

度质点弥散析出能明显提高材料在粉磨作业中抗磨性能。

1.8镍：

大断面高锰钢铸件（＞200mm），经固溶处理心部碳化物难以消除，需加入镍给以改善。

高锰钢中加入2.5%以上的镍，由于奥氏体稳定，碳化物不易从奥氏体中析出。低碳（0.9%）高锰钢加入3%以上的镍，甚至铸态下可得到单项奥氏体组织。在一般高锰钢中加入2.5-4%的镍，热处理空冷也可得到单一奥氏体。使用对一些大断面铸件（壁厚达400mm）加入2.5%以上的镍，经水冷固溶处理能得到单一奥氏体组织。

镍的加入提高了高锰钢的铸态韧性和固溶态(经1050℃水韧处理)的低温韧性。

1.9钛：

钛加入的有利作用就是细化晶粒。一般少量加入的晶粒度可细化1-2级。钛细化晶粒和壁厚有关，薄壁凝固速度快，细化晶粒明显。厚壁件，凝固缓慢，TiC、TiN颗粒长大将失去作为外来结晶核心的作用。钛还能抑制高锰钢柱状晶的生长，防止形成穿晶。

2造型：

采用水玻璃砂，表面刷镁砂粉涂料，刷两遍，不易做厚壁件。

尽量采用保温冒口

用外冷铁要覆一定厚度的型砂，严防穿晶组织产生。外冷铁覆砂厚度一般在10mm左右。

3熔炼：

回炉料 使用不应超过25％。

高锰钢属碱性，炉衬选用碱性或中性材料。

高锰钢的出钢温度达到1500-1520℃，即钢水面上有褐黄色烟时，表示已达到出钢温度，应立即出钢。

加入适量稀土元素，能阻止晶粒长大，浇注前在浇注包中加稀土，在高锰钢中最佳加入量为0.3%。

浇注包在接下一包前不得有残余钢水。

4浇注：

高温浇注会使晶粒粗大，并出现柱状晶。过高浇注温度甚至会出现穿晶。粗晶与柱状晶将降低高锰钢的耐磨性，因此，采用低温快浇工艺。控制冒口结膜时间0-5S。浇注温度一般控制在1420-1440℃。

用热钢水点浇冒口，从浇口浇注到冒口升到其1/3高度后，从冒口浇注到冒口充满，浇注完第二型后，点浇前一型冒口。

5清理：

碳含量大于1.3以上的高锰钢铸件，在落砂清理和吊运中，严禁锤击和高空落地，防止铸件破裂。

严格控制打箱时间，打箱后不得将铸件放在过堂处。搬运过程中尽量少碰撞，严禁浇水，以防由于应力和激冷造成铸件开裂。

铸件入炉热处理前，主要清理掉披缝和粘砂。披缝较薄，热处理加热时会脱碳，入水后变成马氏体，马氏体相变体积膨胀，可能会使铸件本体在拉应力下产生裂纹，甚至报废。（高温氧化气氛条件下，高锰钢脱碳层表面含碳量可降至0.1-0.2%，深度达几毫米。

严重粘砂将降低高锰钢本体入水后的冷却速度，造成晶界碳化物的重新析出，降低热处理的质量。

6热处理：

6.1固溶处理温度：

锰是过热敏感元素，高温下高锰钢中奥氏体晶粒容易长大。经过高温保温阶段，很可能奥氏体晶粒比铸态时还粗大。当温度超过1050℃时，奥氏体晶粒已开始长大，当温度达到1120℃时，奥氏体晶粒明显长大，温度大于1150℃时，晶粒粗大，出现过热组织，高锰钢的耐磨性和韧性明显降低。所以，控制浇注温度得到细晶粒铸态组织是获得细晶粒的关键。

为求的细晶，固溶温度不得超过1050℃。

含有其它碳化物形成元素的高锰钢固溶温度比普通高锰钢提高30-50℃，即可，即1100-1150℃，过高的固溶温度使奥氏体晶粒过分粗化，导致性能恶化，已达不到合金化的目的。

6.2保温时间：

保温是为了碳化物溶解，合金元素扩散，得到尽可能均匀的奥氏体组织。

确定保温时间要考虑的因素：铸件壁厚、固溶处理温度、钢的化学成分，、铸件特点等。铸件壁越厚，保温时间越长，经验数据是每25mm保温1小时（可按铸件堆放高度4h/m计算）。如普通高锰钢中C、Si含量高，碳化物既多又粗，保温时间应适当延长；钢中含有Mo、V、Ti等合金元素，这些特殊碳化物溶解困难，保温时间也的适当延长。

水韧处理保温时间：

τ＝0.016δ﹛1.27 [ω﹙C﹚﹢ω﹙Si﹚] ﹜

τ为保温时间，δ外铸件主体或最大壁厚，ω﹙C﹚、ω﹙Si﹚为C、Si含量。

保温时间最短不易低于2h，最长也不要超过8h。

6.3冷却：

高锰钢960℃即开始有碳化物从奥氏体中析出，因此，在960℃以上必须入水，从打开炉门到高锰钢铸件入水时间要小于30S。30S将使铸件降温70-90℃，大于30S难保证铸件在960℃以上入水。

要保证低的入水水温，要求＜30℃，处理后水温＜60℃，以保证冷却速度。冷却速度要达到30℃/S。

淬火前，冷却水必须开始强烈循环搅动。淬火中，冷却水同时强烈循环搅动。

水量应不小于铸件重量的8倍。冷水从池下部进入，温水从池顶面流出。铸件在水池中要三个方向不停地一动。

7铸造工艺设计

锰钢的特点是凝固收缩大，散热性差，因此，在工艺设计中铸造收缩率取2.5％－2.7％，铸件越长大、越应取上限。型砂与砂芯的退让性一定要好。浇注系统采取开放式。多个分散的内浇道从铸件的薄壁处引入，且成扁而宽的喇叭状，靠近铸件处的截面积大于与横浇道相联的截面积，使金属液快速平稳地注入铸型，防止整个铸型内的温差过大。冒口直径要大于热节直径，紧靠热节，高度是直径的2.5－3.0倍，尽量采用热冒口，甚至浇冒口合一，让充足的高温金属液来补足铸件在凝固收缩。将直浇道、冒口位于高处（砂箱有5º－8º。的斜度）。浇注时尽可能低温快浇。一旦凝固，要及时松砂箱。铸件在型内要长时间保温，直到低于200℃再开箱。

8切割与焊接

8.1高锰钢必须在水韧处理后切割与焊接。

8.2因为锰钢热传导性能差，所以在切割浇冒口时应十分注意。最好将铸件置于水中，被切割部分露在水外进行切割。

8.3选用奥氏体基的高锰钢焊条，规格细长，φ3.2mm×350mm，外层药皮为碱性。操作时采用小电流，弱电弧，小焊道多焊层、始终保持低温度少热量的操作方法。一边焊接一边击打，消除应力。重要铸件必须探伤。