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1、高锰钢铸件生产的探讨高锰钢铸件生产的探讨中福铸造材料中福铸造材料#市场总监市场总监诸葛胜诸葛胜探讨高锰钢铸造的意义探讨高锰钢铸造的意义我们已经知道：我们已经知道：高锰钢铸件的价格已经全球化了高锰钢铸件的价格已经全球化了有些还很低有些还很低设计铸件断面趋向越来越厚大设计铸件断面趋向越来越厚大有时甚至没有砂芯有时甚至没有砂芯铸件的质量不太容易评定铸件的质量不太容易评定造成有时铸件销售仅仅取决于价格造成有时铸件销售仅仅取决于价格对产品的设计制造很难预测！对产品的设计制造很难预测！本报告希望能帮助我们了解合金的特性本报告希望能帮助我们了解合金的特性,大概要求及其一些生产方法大概要求及其一些生产方法.希
2、望通过对这种材料的很好理解希望通过对这种材料的很好理解,通过提高我们正确、快速判定问题的能力通过提高我们正确、快速判定问题的能力,满足铸件的满足铸件的要求和用户的需求要求和用户的需求,以此来满足工业的要求以此来满足工业的要求.本报告包含高锰钢铸件生产的以下方面内容：本报告包含高锰钢铸件生产的以下方面内容：第一部分第一部分高锰钢材质高锰钢材质第二部分第二部分凝固特性凝固特性第三部分第三部分晶粒大小的影响晶粒大小的影响第四部分第四部分补缩距离的设想补缩距离的设想第五部分第五部分冒口缩颈的设想冒口缩颈的设想第六部分第六部分冒口的计算冒口的计算第七部分第七部分浇注系统的计算浇注系统的计算第八部分第八部
3、分铸件缺陷的分析铸件缺陷的分析高锰钢铸件的生产高锰钢铸件的生产第一部分第一部分高锰钢材料本身特性高锰钢材料本身特性返回目录返回目录高锰钢高锰钢材质材质奥氏体高锰是是由奥氏体高锰是是由RobertHadfield先生由先生由1882发明的发明的,它具体特独的性能：它具体特独的性能：高强度高强度/韧性韧性高延伸率高延伸率没有磁性没有磁性出色的耐磨性能出色的耐磨性能使用过程中硬化冷作硬化使用过程中硬化冷作硬化Hadfields钢的典型成分范围钢的典型成分范围:1.051.35%碳碳11.014.0%锰锰1.0%最大最大.硅硅0.07%最大最大.磷磷返回目录返回目录碳和锰的关系的重要性在于它影响材料的
4、韧性碳和锰的关系的重要性在于它影响材料的韧性碳和锰的关系的重要性在于它影响材料的韧性碳和锰的关系的重要性在于它影响材料的韧性. .从从从从OliverandBoydOliverandBoyd先生的研究可以看出先生的研究可以看出先生的研究可以看出先生的研究可以看出. .此钢对使用过程中发生的三种类型的磨损有极佳的抗磨性能此钢对使用过程中发生的三种类型的磨损有极佳的抗磨性能.这种性能使得锰钢广泛用于矿这种性能使得锰钢广泛用于矿山、采石、土建行业铸件材料山、采石、土建行业铸件材料.锰钢不仅可以对其碳和锰水平进行调整锰钢不仅可以对其碳和锰水平进行调整,还可以对其合金成分进行控制还可以对其合金成分进行控
5、制,像：铬像：铬Cr;钨和镍等钨和镍等.在铸态在铸态,这种合金很脆这种合金很脆,因此锰钢铸件需要热处理来提高其强度性能因此锰钢铸件需要热处理来提高其强度性能,使合金的独特的性能充使合金的独特的性能充分发挥分发挥.高锰钢高锰钢材质材质磨损特性：磨损特性：通常认为存在的几种磨损形式通常认为存在的几种磨损形式,可分为：可分为：磨粒磨损磨粒磨损从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰,在摩擦过程中在摩擦过程中引起材料脱落的磨损现象引起材料脱落的磨损现象.高锰钢同时具有高的强度和韧性高锰钢同时具有高的强度和韧性,并且其具有加工硬化功能并
6、且其具有加工硬化功能,磨损后形成新的坚硬的表面磨损后形成新的坚硬的表面.因此在这种磨损条件下因此在这种磨损条件下,高锰钢是种很好的材料高锰钢是种很好的材料.粘着磨损粘着磨损-摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再相对滑移时摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再相对滑移时,材料从运动材料从运动副的一个表面转移到另一个表面副的一个表面转移到另一个表面,便形成了粘着磨损便形成了粘着磨损.接触疲劳磨损接触疲劳磨损-受变应力的两表面受变应力的两表面,相互摩擦相互摩擦,在其表面上形成疲劳点蚀在其表面上形成疲劳点蚀,使小块金属剥落使小块金属剥落,这种现象称为疲劳磨损这种现象称为疲劳磨损.
7、典型的磨损条件发生在矿山工业中的齿板典型的磨损条件发生在矿山工业中的齿板-轧臼壁轧臼壁-弧形衬板和弧形衬板和衬板衬板,高锰钢在此工况非常适合高锰钢在此工况非常适合.腐蚀磨损腐蚀磨损-在摩擦过程中在摩擦过程中,摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损磨损,腐蚀可在没有摩擦的条件下形成腐蚀可在没有摩擦的条件下形成,而相对运动消除了化学反应的生成物而相对运动消除了化学反应的生成物,接着表面接着表面又受到腐蚀又受到腐蚀,如此不断反复如此不断反复.对这种磨损高锰钢并不是最佳的材料对这种磨损高锰钢并不是最佳的材料.磨损的特征：磨损
8、的特征：奥氏体高锰非常适合应用于磨料磨损和接触磨损共存的场合奥氏体高锰非常适合应用于磨料磨损和接触磨损共存的场合.在这些例子中铸件表面受冲击在这些例子中铸件表面受冲击,在使用中出现加工硬化在使用中出现加工硬化.例如矿山、水泥和工程机械类铸件例如矿山、水泥和工程机械类铸件金属和金属间的磨损金属和金属间的磨损像链和链轮像链和链轮,履带板和小齿轮之间履带板和小齿轮之间.干磨擦干磨擦齿板齿板,轧臼壁轧臼壁,锤头锤头,破碎壁和衬板破碎壁和衬板然而当矿石破碎成的形状和其硬度是多样的然而当矿石破碎成的形状和其硬度是多样的.因此加工硬化的程度也是不同的因此加工硬化的程度也是不同的.因此除非最终因此除非最终用户
9、以此结果来衡量质量用户以此结果来衡量质量,否则一些铸件在采购时就变成价格更重要否则一些铸件在采购时就变成价格更重要.在低压力磨损的场合在低压力磨损的场合,撞击很小甚至没有撞击很小甚至没有,因此铸件表面加工硬化过程没有因此铸件表面加工硬化过程没有,所以说其它材质所以说其它材质的钢材在这种场合可能更适合的钢材在这种场合可能更适合.高锰钢的规范高锰钢的规范下面列出了一些国际锰钢的规范下面列出了一些国际锰钢的规范澳大利亚澳大利亚AS2074B-HIA和和H1B法国法国NFA32-058Z120M12-M德国德国SEW395-G-X120Mn13英国英国BS3100-BW10印度印度IS276-1,2,
10、3,4,5和和6意大利意大利UNI3160-XG120Mn12日本日本JISG5131SCMnH1,H2,H3,H11和和H21挪威挪威NS1699-SstMn12南非南非SABS407-1,2,3,4和和5.西班牙西班牙UNE36-253-AM-X120Mn12&MnCr12-2瑞典瑞典SS142183-218302美国美国AstmA128-A,B-1,B-2,B-3,B4,C,D,E-1,E-2和和F.首选成分首选成分对于强度、硬度、韧性和抗疲劳的最佳组合对于强度、硬度、韧性和抗疲劳的最佳组合,建议：建议：稳定的奥氏体高锰钢组织中锰的含量必须在稳定的奥氏体高锰钢组织中锰的含量必须在10%以
11、上才能获得较高的韧性和延伸以上才能获得较高的韧性和延伸率率.因此碳和锰的比例必须维持在因此碳和锰的比例必须维持在1：10以上以上.碳范围碳范围1.101.20%目标目标1.15硅范围硅范围1.00目标目标0.90锰范围锰范围11.0013.00目标目标12.00硫和磷硫和磷目标目标0.05合金元素的影响合金元素的影响碳碳通常含量为通常含量为1.10至至1.20%,但也可高达但也可高达1.40.虽碳含量的增加使得材质更脆虽碳含量的增加使得材质更脆,但但仍具有很好的耐磨性能仍具有很好的耐磨性能.钢含碳量稍低钢含碳量稍低,能有效提高抗冲击能力能有效提高抗冲击能力.锰锰该元素能稳定奥氏体该元素能稳定奥
12、氏体,其含量必须在其含量必须在10%以上以获得所需要的强度和韧性以上以获得所需要的强度和韧性.因此锰因此锰碳比至少为碳比至少为10：1,然而通常锰含量适当提高然而通常锰含量适当提高,以此降低在热处理过程中由于碳化物析出以此降低在热处理过程中由于碳化物析出而形成的脆性而形成的脆性.合金元素的影响合金元素的影响硫硫高锰钢中硫的含量要求并不太严格高锰钢中硫的含量要求并不太严格,这是因为在高锰钢中硫和锰结合成硫化锰这是因为在高锰钢中硫和锰结合成硫化锰,大部分大部分随炉渣而去除随炉渣而去除.残留硫多以球状硫化锰形式存在残留硫多以球状硫化锰形式存在,对钢性能影响不大对钢性能影响不大.锰钢焊补比较容易锰钢焊
13、补比较容易,但焊补会导致作业周期延长、带来组织结构问题裂纹但焊补会导致作业周期延长、带来组织结构问题裂纹,尤其是含磷尤其是含磷性高的情况下性高的情况下.合金元素的影响合金元素的影响铬铬通常薄壁件通常薄壁件3.0%,当含量高时当含量高时,客观存在将形成碳化物分布在晶界上而增加脆性客观存在将形成碳化物分布在晶界上而增加脆性,铬的加入量有助于提高奥氏体的稳定性铬的加入量有助于提高奥氏体的稳定性.镍镍加入量较低加入量较低,一般低于一般低于4%,能很好稳定奥氏体能很好稳定奥氏体,能抑制热处理过程中晶界碳化物的形成能抑制热处理过程中晶界碳化物的形成,提高高锰钢的脆化温度提高高锰钢的脆化温度,便其对切割、焊
14、补以及工作温度敏感性降低便其对切割、焊补以及工作温度敏感性降低.但该元素成本较高但该元素成本较高.磷磷是有害元素是有害元素,必须将含量控制在必须将含量控制在0.035%以下以下,否则易偏析在晶界形成磷共晶否则易偏析在晶界形成磷共晶,使其脆使其脆性增大性增大,在打磨、焊补和热处理过程中极易形成裂纹在打磨、焊补和热处理过程中极易形成裂纹.钼钼一般含量要求一般含量要求2.00%,能改善奥氏体树晶发展倾向能改善奥氏体树晶发展倾向,提高奥氏体稳定性提高奥氏体稳定性.能抑制碳化能抑制碳化物和珠光体形成物和珠光体形成,因此提高厚大截面铸件抗裂纹能力和提高水淬质量的效果因此提高厚大截面铸件抗裂纹能力和提高水淬
15、质量的效果.在厚截面铸件在厚截面铸件上钼的效果优于上钼的效果优于Cr和和V.奥氏体锰钢的熔炼奥氏体锰钢的熔炼用电弧炉或感应电炉熔炼高锰钢不精炼通常碳用电弧炉或感应电炉熔炼高锰钢不精炼通常碳硅硅磷和锰的氧化夹杂物含量较磷和锰的氧化夹杂物含量较高高.电弧炉炼锰钢通过加入石灰能起到脱磷效果电弧炉炼锰钢通过加入石灰能起到脱磷效果,但通常来说但通常来说,如果浇注温度低如果浇注温度低,则夹杂物没则夹杂物没有时间上浮有时间上浮.特别是感应电炉熔炼特别是感应电炉熔炼,由于很难进行二次造渣操作由于很难进行二次造渣操作,使得钢水的纯净度的限使得钢水的纯净度的限,并且由于返回料中气体的累积而气体含量相当高并且由于返
16、回料中气体的累积而气体含量相当高,所以感应电炉熔炼不能所以感应电炉熔炼不能100%使用返使用返回料回料.但对于电弧炉来说但对于电弧炉来说,由于其存在着氧化和还原过程而对气体含量不是问题由于其存在着氧化和还原过程而对气体含量不是问题.电弧炉和感应电炉的比较电弧炉和感应电炉的比较电弧炉的优点电弧炉的优点炉子容量大炉子容量大每吨能耗低每吨能耗低可有效除气可有效除气,特别是特别是N2/H2对返回料的质量要求低对返回料的质量要求低易于对易于对S和磷的控制和磷的控制对应用返回料没有量的限制对应用返回料没有量的限制电弧炉的缺点电弧炉的缺点环境较差环境较差氧化损失大氧化损失大噪音大噪音大设备费用稍高设备费用稍高电极成本电极成本无芯感应炉的优点无芯感应炉的优点固定投资低固定投资低烟尘少烟尘少可控性好可控性好融池性质相同融池性质相同低燥音低燥音氧化损失少氧化损失少无芯感应炉的缺无芯感应炉的缺能耗稍高能耗稍高很难精炼很难精炼炉料质量要求高炉料质量要求高返回料最高不超过返回料最高不超过40%碱性操作碱性操作碱性耐火材料通常使用氧化镁基的耐火材料碱性耐火材料通常使用氧化镁基的耐火材料,其中会混有铬和钙的氧化物其
