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发布于：2018年04月03日
来源：www.fuhai360.com
[摘要]江西高锰钢铸件裂纹产生的机理和控制措施分析 高锰钢发明之初的化学成份是C：1.0％～ 1.4％，Mn：10％～14％。国内外在试验研究中曾添加合金成份 Cr、Ni、V等企图提高屈服强度和硬度，也有的加Ti、Al等促进晶粒细化。
1 化学成份和组织的影响
铸造工艺是保证质量的关键。编制这种钢的工艺时主要考虑避免裂纹生成。影响裂纹产生的主要因素有：铸件结构、工艺参数、浇冒口设置、型芯结构形式、浇注温度等。高锰钢铸件结构形式应在保证使用的前提下尽可能使相连接壁的厚差最小。避免因温差大产生收缩应力出现裂纹。虽然有的件壁厚差合理，但设计厚度值过大，在冷却速度慢时碳化物析出多，受收缩应力影响也会出现裂纹。设计结构无法改变时，工艺编制就要考虑钢水冶炼时加一些能细化晶粒的元素，增加型芯的退让性。其它结构问题应视情况而定，如增大圆角、加过渡壁、拉筋等。高锰钢的收缩率比普碳钢、合金钢高。铸造的毛坯在水韧处理前都处于脆性状态，任何影响收缩的因素都会使铸件在浇注后的收缩阶段产生裂纹，比较明显的是箱式铸件，这种件由砂芯形成内腔，砂芯退让性好，高应力区非常容易产生裂纹。解决办法是往芯中加入锯末、泡沫等保证砂芯有合适的退让性。箱带、冒口、飞边毛刺都有阻碍收缩的条件。采取适当增加吃砂量、疏松层，减少型芯缝隙也是解决退让性的有效办法。浇冒口位置和大小对裂纹的产生也有影响，设置位置不能影响铸件的收缩，浇注系统尽可能分配均匀，钢水流人应平稳以便减少铸件各部位温差，冒口应大小合适。高锰钢导热性很差，如冒口尺寸过大，在铸件冷却后期冒口与铸件温差过大必然产生高应力，常会促成冒口下与铸件连接处产生裂纹。工艺设计时冒口模数应控制在铸件模数的1.2～1.3倍范围内。标准成份的高锰钢液相线温度1400℃，固相线温度1350℃，凝固温度范围比较窄，对浇注温度的反应非常敏感。浇注温度过高极易产生裂纹，温度低易产生冷隔和浇不足，理想的浇注温度是1450～1470℃。厚壁件取下限，薄壁件取上限。浇注时一次浇完中间不停流。
3 热处理
高锰钢只有在合适的成份和正确的热处理条件下才能获得它的特性，若未经热处理或热处理条件不正确则钢会变脆甚至出现裂纹。正常的热处理规范是固溶加高温水韧处理，以便获得单一的奥氏体。生产实践证明固溶温度应在1050-1090℃范围内。一般认为，高锰钢导热性很差，膨胀率很低，固溶处理时，要采用慢加热，在600～700℃保温，以防止开裂。研究结果表明在500～700℃保温会使残留奥氏体强烈地析出碳化物，这些析出物降低钢的塑性，增加新旧组织间比容之差所造成的内应力，从而增加开裂倾向，因此铸件加热时应尽快通过这一温度范围。
4 清理切割
高锰钢的特点之一是导热性差，铸件浇注后保温时间太短，冷却速度快，促使铸件应力增加易产生裂纹。为防止裂纹产生，尽可能在砂型内缓慢冷却延长保温时间，打箱温度应控制在200℃以下。实践证明在该温度下打箱无裂纹出现。在对高锰钢铸件浇冒口、飞边毛刺切割时，因材料导热性差，造成切割部位热影响区产生很大的温差，并形成了高应力状态。稍有忽视切口处就会产生裂纹。为使热影响区温差控制在最小范围，浇冒口、毛刺切割必须在水池内浸水切割， 保持水温在40℃以下，这样操作不易产生裂纹。
5 补焊
有效地消除铸造产品缺陷的方法是补焊，补焊阶段裂纹出现的可能性也很大。为保证产品质量补焊时必须注意以下几个问题： ①补焊前不需要预热。较低温度重新加热可使碳化物沿晶粒边界和结晶面析出，促使重新出现脆化现象，容易出现裂纹。 ②在未经水韧热处理的锰钢件上进行焊补是不可能有满意结果的。 ③去除缺陷尽量不用火焰切割或碳弧气刨，最好用风铲和砂轮。 ④ 补焊焊条成份要与母材相近，也可用不锈钢焊条，无论用哪种焊条碳含量都应较低，补焊时可降低碳化物析出。 ⑤准备补焊的部位应表面光洁，无油、锈，按焊补工艺要求修出适当坡口。 ⑥补焊方法严格按工艺执行。 ⑦补焊时避免引起 产生裂纹危险的热应力是非常重要的。由于锰钢有高的膨胀系数和低的导热系数，冷却时会在补焊处产生应力，因此冷却时锤击焊补金属，使压缩应力和其冷却时产生的拉应力相抵消。 ⑧补焊时保持母体金属最低限度的受热，可使重新加热的不良影响减至最小。上述方法在生产中已全部采用，操作恰当焊补区产生裂纹缺陷是可以避免的。
6 结论
裂纹产生的原因很多，在多年研究和实践的基础上， 找出了高锰钢经常产生裂纹的原因和防止措施，有效地指导了生产，把裂纹控制在最小范围内。
发明之初的化学成份是C：1.0％～ 1.4％，Mn：10％～14％。国内外在试验研究中曾添加合金成份 Cr、Ni、V等企图提高屈服强度和硬度，也有的加Ti、Al等促进晶粒细化。我们的履带板、前后导轮等铸件用材就需要这样。但不管合金成份如何变化，必须控制在一定的范围内才能起到好的作用。这些作用是以提高高锰钢性能为主要目的，对控制裂纹并不明显。研究标准成份高锰钢的各元素对裂纹的影响能得到理想的效果。碳、锰是高锰钢的主要成分，正常情况下高锰钢的组织是奥氏体单相。在含碳量偏低时易形成马氏体和8相 (密排六方体)。在含碳量高时。水韧处理状态下不能避免碳化物析出，还会降低钢的性能。较高的含碳量可提高屈服点，但会降低延伸性。含碳量低而含锰量高的钢具有高韧性，对高锰钢的碳含量在保证性能的前提下尽可能控制在中下限。锰含量控制在中上限。最好保持在狭小范围内，防止碳化物析出，避免造成延伸性和韧性降低而产生裂纹。硅含量一般在 1．0％以下，它对锰钢的机械性能没有显著影响，超过1.0％并逐渐增大时，强度和延伸性会剧烈下降。生产中硅含量都比较低。锰钢中含硫量较低，因为硫易和锰化合成硫化锰大部分进入炉渣中。钢中残留少量的硫化物成为非金属夹杂物存在，它对钢的性能影响极微，可忽略不计。磷含量在 0．06％以上时，延伸性急剧下降，易引起铸件热裂纹产生。生产时要控制磷含量。化学成份及其含量与机械性能密不可分。在满足性能的成份范围内，有时制造就很困难，因此生产时应考虑其兼顾性。这样可避免因成份上的差异而产生裂纹。
铸造工艺是保证质量的关键。编制这种钢的工艺时主要考虑避免裂纹生成。影响裂纹产生的主要因素有：铸件结构、工艺参数、浇冒口设置、型芯结构形式、浇注温度等。高锰钢铸件结构形式应在保证使用的前提下尽可能使相连接壁的厚差最小。避免因温差大产生收缩应力出现裂纹。虽然有的件壁厚差合理，但设计厚度值过大，在冷却速度慢时碳化物析出多，受收缩应力影响也会出现裂纹。设计结构无法改变时，工艺编制就要考虑钢水冶炼时加一些能细化晶粒的元素，增加型芯的退让性。其它结构问题应视情况而定，如增大圆角、加过渡壁、拉筋等。高锰钢的收缩率比普碳钢、合金钢高。铸造的毛坯在水韧处理前都处于脆性状态，任何影响收缩的因素都会使铸件在浇注后的收缩阶段产生裂纹，比较明显的是箱式铸件，这种件由砂芯形成内腔，砂芯退让性好，高应力区非常容易产生裂纹。解决办法是往芯中加入锯末、泡沫等保证砂芯有合适的退让性。箱带、冒口、飞边毛刺都有阻碍收缩的条件。采取适当增加吃砂量、疏松层，减少型芯缝隙也是解决退让性的有效办法。浇冒口位置和大小对裂纹的产生也有影响，设置位置不能影响铸件的收缩，浇注系统尽可能分配均匀，钢水流人应平稳以便减少铸件各部位温差，冒口应大小合适。高锰钢导热性很差，如冒口尺寸过大，在铸件冷却后期冒口与铸件温差过大必然产生高应力，常会促成冒口下与铸件连接处产生裂纹。工艺设计时冒口模数应控制在铸件模数的1.2～1.3倍范围内。标准成份的高锰钢液相线温度1400℃，固相线温度1350℃，凝固温度范围比较窄，对浇注温度的反应非常敏感。浇注温度过高极易产生裂纹，温度低易产生冷隔和浇不足，理想的浇注温度是1450～1470℃。厚壁件取下限，薄壁件取上限。浇注时一次浇完中间不停流。
3 热处理
高锰钢只有在合适的成份和正确的热处理条件下才能获得它的特性，若未经热处理或热处理条件不正确则钢会变脆甚至出现裂纹。正常的热处理规范是固溶加高温水韧处理，以便获得单一的奥氏体。生产实践证明固溶温度应在1050-1090℃范围内。一般认为，高锰钢导热性很差，膨胀率很低，固溶处理时，要采用慢加热，在600～700℃保温，以防止开裂。研究结果表明在500～700℃保温会使残留奥氏体强烈地析出碳化物，这些析出物降低钢的塑性，增加新旧组织间比容之差所造成的内应力，从而增加开裂倾向，因此铸件加热时应尽快通过这一温度范围。
高锰钢的特点之一是导热性差，铸件浇注后保温时间太短，冷却速度快，促使铸件应力增加易产生裂纹。为防止裂纹产生，尽可能在砂型内缓慢冷却延长保温时间，打箱温度应控制在200℃以下。实践证明在该温度下打箱无裂纹出现。在对高锰钢铸件浇冒口、飞边毛刺切割时，因材料导热性差，造成切割部位热影响区产生很大的温差，并形成了高应力状态。稍有忽视切口处就会产生裂纹。为使热影响区温差控制在最小范围，浇冒口、毛刺切割必须在水池内浸水切割， 保持水温在40℃以下，这样操作不易产生裂纹。
5 补焊
有效地消除铸造产品缺陷的方法是补焊，补焊阶段裂纹出现的可能性也很大。为保证产品质量补焊时必须注意以下几个问题： ①补焊前不需要预热。较低温度重新加热可使碳化物沿晶粒边界和结晶面析出，促使重新出现脆化现象，容易出现裂纹。 ②在未经水韧热处理的锰钢件上进行焊补是不可能有满意结果的。 ③去除缺陷尽量不用火焰切割或碳弧气刨，最好用风铲和砂轮。 ④ 补焊焊条成份要与母材相近，也可用不锈钢焊条，无论用哪种焊条碳含量都应较低，补焊时可降低碳化物析出。 ⑤准备补焊的部位应表面光洁，无油、锈，按焊补工艺要求修出适当坡口。 ⑥补焊方法严格按工艺执行。 ⑦补焊时避免引起 产生裂纹危险的热应力是非常重要的。由于锰钢有高的膨胀系数和低的导热系数，冷却时会在补焊处产生应力，因此冷却时锤击焊补金属，使压缩应力和其冷却时产生的拉应力相抵消。 ⑧补焊时保持母体金属最低限度的受热，可使重新加热的不良影响减至最小。上述方法在生产中已全部采用，操作恰当焊补区产生裂纹缺陷是可以避免的。
6 结论
裂纹产生的原因很多，在多年研究和实践的基础上， 找出了高锰钢经常产生裂纹的原因和防止措施，有效地指导了生产，把裂纹控制在最小范围内。