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1、高锰钢斗齿断裂原因分析刘景生 李万清(冶金系) (唐山碱厂榆山石矿)摘 要 分析了电铲斗齿早期断裂的原因,并从冶炼、 浇注、 热处理 等方面确定了提高斗齿质量的工艺方法和措施,使铸件质量得到了提 高,从而有效延长了斗齿的使用寿命。关键词 高锰钢 斗齿 碳化物 断裂 中国图书资料分类法 分类号 TG1450 引 言铲车和电铲的斗齿,目前多数用高锰钢制作。 斗齿在工作过程中要承受强烈的摩擦磨损、 很大的弯曲作用力和严重的冲击载荷,所以在工作中经常见到斗齿早期断裂的现象, 有时还会遇到刚安装的斗齿开始工作时就断裂的情况。虽然铲车和电铲的斗齿属于易损 件,但更换斗齿不仅影响生产、 还使成本上升、 效益
2、下降、 有时还会造成严重的设备事故。 我们在生产实践中,分析了断裂斗齿的工艺过程、 化学成分、 处理条件,总结出一套从 生产斗齿的各个环节上提高斗齿寿命的工艺方法。使生产出的斗齿强韧、 耐磨,收到了很好的经济效益。1 化学成分对质量的影响及对策化学成分是决定斗齿质量的内在因素。高锰钢的基本元素是:C、M n、Si、P和S为有 害元素,其中对斗齿寿命影响最大的是C和P。111 含碳量 碳是保证高锰钢奥氏体化的重要元素,对奥氏体锰钢的力学性能和耐磨性能影响显 著。因此,含碳量是影响斗齿寿命的最主要的成分之一。分析斗齿尖端碎片及颈部断裂面93mm73mm处的金相组织发现:含碳量高是降低斗齿寿命的主要
3、原因之一。 断裂斗齿的较大截面处的金相组织见照片1和照片2。从图中可以看出:粗大的网状碳化物较多,破坏了基体奥氏体的连续性,导致应力状态下早期断裂。取样分析C=1130 1148,由于含碳量过高,在铸态组织中形成网状碳化物,固溶处理时未充分溶 解,反而在奥氏体晶界上留下一些显微孔洞,成为斗齿断裂的微裂纹源。 根据国家标准,高锰钢中的含碳量,应根据产品截面大小、 工作条件等而有所差别。 当 以耐磨性为主时C= 1. 15 1. 35;当工作条件为冲击载荷较大时,以韧性为主,含碳量应在019 111 为宜。 高锰钢中的碳化物均为(Fe、M n)3C型碳化物,聚集倾向大、 脆本文收到日期: 1997
4、201220河 北 理 工 学 院 学 报 1997年 第3期 JOURNAL OF HEBE I I N ST ITU TE OF TECHNOLOGY 311997 照片1 斗齿93mm73mm处碳化物形态100照片2 网状碳化物400性大、 沿晶界网状析出时危害最大。所以,严格控制含碳量是保证斗齿质量的重要环节。112 含磷量磷在高锰钢中的溶解度不大,且随碳含量的提高而降低。磷主要以磷共晶的形式存在,当磷共晶以细小、 弥散分布时,对高锰钢的耐磨性有贡献;但当磷含量过高,形成粗大、沿晶界分布的磷共晶时,会严重地降低基体强度,导致构件早期断裂。早期断裂的斗齿化学成分中磷含量高达0108 01
5、1 。当碳和磷同时达到标准含量上限时,也会使碳化物数量明显增多,增加固溶处理的难度,甚至影响到产品的质量和寿命。因此,在冶炼中按国家标准控制成分是生产高质量产品的关键,其中严格控制碳和磷,较之其它元素含量的控制更为重要。2 改进铸造工艺高锰钢的机械性能与铸态组织中的晶粒大小密切相关,铸件中粗大的奥氏体晶粒不能通过热处理方法加以细化,所以要获得细小的晶粒应该主要从优化铸造工艺入手。211 严格控制浇注温度适当降低浇注温度,可获得细小的晶粒。由于生产的实际条件所限,低温浇注操作有 一定难度。若有快速热电偶,采用包内测温,可将浇注温度控制在14201450;或者,可采用样勺结膜2530秒的时间控制法
6、。 出钢温度较高时,根据造型箱的多少,静置适当的时间,原则是浇完最后一箱时钢包内剩余钢水呈半凝固状态为准。212 采用金属型或内外冷铁采用金属型或内外冷铁的主要目的是加速结晶过程。 一方面快速结晶时,已经形成的晶粒来不及长大,可细化晶粒;另一方面通过冷铁使铸件不同厚度的截面达到同时凝固,以减少应力、 变形和开裂。金属型铸造是常用的方法,虽然金属型的一次投资大,但在产品质量和尺寸精确度方面的优越性是显而易见的。金属型导热能力强、 吸热量大,因此能增大结晶过程中的成核 率而使晶粒细化,在采用顺序凝固方案时金属型的优越性显著。 使金属型同时凝固有两种方法:一是在斗齿大截面处中心加内冷铁。例如,在1m
7、3电铲斗齿93mm73mm截面处7高锰钢斗齿断裂原因分析刘景生 李万清加20mm180mm的内冷铁,使内冷铁的外表面与钢水相遇,结晶时形成细小的等轴 晶,可避免通常金属型铸造时出现的 “穿透” 柱状晶的出现,从而显著地改善了斗齿力学性 能上的各向异性,提高了使用寿命;二是在斗齿两端薄截面处金属型内加沙套。这样在浇 注后,薄截面处钢水少,可得到较温和的冷却速度,厚截面处钢水多,可得到较激烈的冷却 速度。 从而使整个铸件得到基本相同的凝固条件,避免了同一铸件因在不同截面处先后凝 固而产生的热应力和相变应力。因高锰钢导热性差、 膨胀系数大,在铸件中产生热应力较 大时,会使铸件热节处产生裂纹。213
8、浇冒口及处理 高锰钢件一般少用冒口。 其理由是含碳量、 含锰量高,熔点低,在浇注时对钢水的过热 度要求较小,流动性好不易产生缩孔,采用易割冒口及压边冒口都能收到较好的效果。小 型铸件的冒口在水韧处理前打掉;大型铸件的冒口在水韧处理后用气割割掉。在割冒口 时,为防止冒口根部与铸件接触处的局部过热而产生裂纹,常将铸件的2?3浸入循环冷水 中(水温低于45)。在切割斗齿的皮缝时,也将斗齿置于预制的水箱内,使之2?3浸入水 中,这样就防止了因局部过热而产生的小裂纹。3 优化热处理工艺311 加热速度的选择 因高锰钢导热性差、 线收缩较大,在加热过程中产生内应力较大;同时由于铸态组织 中碳化物的存在降低
9、了钢的塑性,易使铸件开裂,所以,加热速度不宜太快,特别是从常温 加热到600的一段时间内,钢的塑性低更易使铸件开裂,加热速度应适当控制。加热速 度按铸件的厚度及结构考虑,见表1。温度达600以后,对全部铸件均采用120150 ?h,升温到1100。表1 不同壁厚铸件加热速度的选择壁厚(mm) 60加热速度(?h)708050603050312 加热温度和保温时间 选择加热温度和保温时间的原则是应保证钢中碳化物充分固溶到奥氏体中,同时保 持细小的奥氏体晶粒。 因此必须加热到状态图Acm线以上,并保温足够的时间。 当C= 0.9 1. 1 时,固溶处理温度为10501100。在加热时应注意以下两个
10、问题。31211 防止欠热 当欠热时,碳化物不能充分溶解到奥氏体中,易分布于晶界,使铸件脆断。 铸态组织见 图3。31212 防止过热 过热时奥氏体晶粒粗大,表层氧化脱碳,使耐磨度下降。313 水韧处理 开启炉门后迅速将铸件投入循环水中,铸件在空气中停留时间应小于2030s。铸件 入水前,水温应低于30,入水后水温应低于60,否则碳化物重新以网状形式析出会影 响质量。水韧处理后其组织为单一奥氏体,见图4。8 河 北 理 工 学 院 学 报 1997年 第19卷 第3期图3 铸态组织100图4 水韧处理后组织100图5 1m3电铲斗齿热处理工艺314 热处理工艺曲线 为使斗齿受热均匀,防止热裂,
11、采取了分段保温热处理方案。 工艺曲线见图5。 按此工 艺处理的斗齿,多年来没有发生表面断裂及过烧脱碳现象。现场使用情况很好。4 结束语通过分析电铲斗齿早期断裂的原因,总结出了一套提高其质量的方法和措施。 即在产 品中,应从冶炼、 浇注、 热处理工艺等方面严把质量关,以提高铸件的成品率和生产质量。参考文献1 陈希杰 1 高锰钢 1 北京:机械工业出版社1989, 212 张清 1 金属磨损和金属耐磨材料手册 1 北京:冶金工业出版社 1991, 113 赵沛 1 合金钢冶炼 1 北京:冶金工业出版社, 1992, 1019高锰钢斗齿断裂原因分析刘景生 李万清ANALYSISON REASONSO
12、F HIGH- MANGANESESTEEL BOOT- TEETHS BREAKDOW NL iu Jingsheng (Department ofM etallurgy)L iW angqing (Yushan O re Station Tangshan A lkatine factory)Abstract This paper has analyzed the reasons of power shovel boot -teeths earlyperiod breakdown, themethods and ways are given from melting,pouring, hea
13、t- treatingand so on, the casting quality is then improved, and they greatly prolong the durability ofboot- teeth.Key words H igh- manganese- steel Boot- teeth Carbide Breakdown可以不退火进行冷锻的表面硬化钢据报道日本大同钢铁有限公司开发了一种可不经球化退火处理进行冷锻的表面硬化钢。 标准的表面硬化钢含有C、Si、M n、Cr,有时还含有M o或N i。 然而,这些元素在正火和 球化这样的软化处理后,可能引起硬度的提高。
14、 合金化元素与硬度的关系研究得到的结论是:添加B同时降低Si、M n和Cr的含量, 对于使轧制棒材变软而不降低表面硬化性是有利的。而且,通过控制晶界上磷的偏析,B改进了钢的韧性和疲劳强度。该 钢 的 组 成 为: Fe20120C20107Si20. 5 M n20. 015P20. 015S21. 00Cr和010015B (mass% )。 此外,添加少量的T i和N b可减少氮化硼夹杂和控制晶粒长大。 该钢在热轧后具有75HRB的硬度,相当于通常的球化处理钢Scr420。 渗碳处理以后,该钢具有良好的冷变形性和机加工性。 在正火状态下具有比通常钢更 好的机加工性。这种最新开发的钢,目前被试用于差动齿轮和变速齿轮。01 河 北 理 工 学 院 学 报 1997年 第19卷 第3期
