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高锰钢裂纹防治与热处理工艺

1、铸件的结构设计

铸件的壁厚相差太大、壁厚过渡不当、铸件圆角过渡太小等结构问题均容易产生裂纹。因此,铸件设计应密切与铸造工艺相结合,尽量避免铸件设计不合理。例如可以将“+”字断面改为“T”形断面等。

2、铸造工艺设计(包括各种工艺因素及浇注系统)

在铸造工艺各因素中最重要的是铸型的退让性,其次是砂箱设计不合理。例如箱筋阻碍收缩可以产生裂纹,因此,箱筋距铸件及冒口要有一定的距离。浇注系统设计不当,分散导人的多条内浇道往往因阻碍铸件收缩,而在与内浇道联结处开裂。应该特别指出,在铸件内浇道导入处,局部温度高而最后凝固,由于得不到足够的补缩,收缩应力使铸件开裂,所以一般在内浇道处要设置冒口补缩。

3、高锰钢铸件的冒口及冷铁设置

高锰钢铸件的冒口设置以不用普通顶冒口为原则,因为用乙炔焰切割冒口时容易造成裂纹。所以最好采用侧冒口及易割冒口,冒口一般用锤打掉。铸件设置冒口对热节进行补缩,使铸件不产生缩孔及缩松,是防止内裂的有效措施,但冒口设置又产生了接触热节,其它工艺措施要与其配合得当。如合理地使用冷铁,就可做到既防止内裂又不会产生外裂。冷铁可以调节铸件各部分凝固速度,可以使铸件的缺陷发生位置迁移,同冒口配合可以扩大冒口的补缩范围。但是冷铁使用不当,例如使用弯曲变形的冷铁时往往会在不适当的冷铁长度范围内因铸件凝固速度不均衡而造成裂纹。冷铁之间间隔大也可造成裂纹,高锰钢铸件对此很敏感,所以工艺设计时应特别注意。

4、化学成分及熔炼工艺      

在高锰钢中,碳和磷对裂纹的产生影响最大。含碳量越高,铸件越容易产生裂纹。钢液的还原精炼对高锰钢铸件裂纹的影响也要引起重视。在高锰钢的冶炼过程中应严格控制炉渣中FeO+MnO之和不大于1.2%,因为随着渣中FeO+MnO之和的提高,钢液中FeO+MnO也必升高,凝固后在晶界上析出,会使钢变脆。控制浇注温度及开箱温度也是防止高锰钢铸件产生裂纹的有效措施。随着浇注温度的升高,铸件收缩应力增大,更重要的是晶粒粗大,柱状晶严重,大大削弱了钢的强度。另外,高锰钢铸件不应在红热时打箱,把铸件暴露在空气中骤冷,而应在铸型中缓慢冷却,对复杂的铸件应当在温度降低至200℃左右才宜打箱。

5、热处理工艺      

装炉时炉温与铸件的温差是否合适是裂纹产生的一个重要因素。铸件入炉后要均温1~1. 5 h后再升温,以使铸件缓慢升温,低温阶段(650℃以下)升温速度是产生裂纹的关键。一般较复杂铸件的升温速度不应超过50 ℃/h,否则铸件易开裂。

耐磨高锰钢铸件的固溶热处理目的:

消除铸态组织中晶内和晶界上的碳化物,得到单相奥氏体组织,提高高锰钢的强度和韧度,扩大其应用范围。要消除其铸态组织的碳化物,须将钢加热至1040℃以上,并保温适当时间,使其碳化物完全固溶于单相奥氏体中,随后快速冷却得到奥氏体固溶体组织,这种固溶热处理又称为水韧处理。水韧处理耐磨高锰钢的铸态组织中有大量析出的碳化物,因而其韧度较低,使用中易断裂。

(1)水韧处理的温度:水韧温度取决于高锰钢成分,通常为1050~1100℃含碳量高或者合金含量高的高锰钢应取水韧温度的上限,如ZGMnl3钢和GXl20Mnl7钢。但过高的水韧温度会导致铸件表面严重脱碳,并促使高锰钢的晶粒迅速长大,影响高锰钢的使用性能。

(2)加热速率:高锰钢比一般碳钢的导热性差,高锰钢铸件在加热时应力较大而易开裂,因此其加热速率应根据铸件的壁厚和形状而定。一般薄壁简单铸件可采用较快速率加热,厚壁铸件则宜缓慢加热。为减少铸件在加热过程中变形或开裂,生产上常采用预先在650℃左右保温,使厚壁铸件内外温差减小,炉内温度均匀,之后再快速升到水韧温度的处理工艺。

(3)保温时间:保温时间主要取决于铸件壁厚,以确保铸态组织中的碳化物完全溶解和奥氏体的均匀化。通常保温时间可按铸件壁厚25mm保温lh计算。

(4)冷却:冷却过程对铸件的性能指标及组织状态有很大的影响。水韧处理时铸件入水前的温度在950℃必上,以免碳化物重新析出。高锰钢水韧处理多用台车式热处理炉。铸件入水常用自动倾翻或吊篮吊淬方式。前者对大件及形状复杂的薄壁件易引起变形,淬火后铸件从水池中取出也较为困难,后者淬火后取出铸件方便,但吊篮消耗大。 

耐磨高锰钢铸件的铸态余热热处理:为缩短热处理周期,可利用铸态余热进行高锰钢水韧处理。其工艺为:铸件于1100~1180℃时自铸型中取出,经除芯清砂后,铸件温度允许冷却到900~1000℃,然后装入加热到l050—1080℃的炉内保温3~5h后水冷。该处理工艺简化了热处理工艺,但生产操作上有一定难度。

耐磨高锰钢铸件的沉淀强化热处理:耐瞎高锰钢沉淀强化热处理的目的,是在加入适量碳化物形成元素(如钼、钨、钒、钛、铌和铬)的基础上,通过热处理方法在高锰钢中得到一定数量和大小的弥散分布的碳化物第二相质点,强化奥氏体基体,提高高锰钢的抗磨性能。这种热处理方式花费较高,工艺也较为复杂。