高锰钢耐磨铸件存在哪些铸造缺陷及断削加工
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发布时间：2022-04-23 16:55
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时间：2023-10-12 02:22
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一、粘砂。
原因：砂型和涂料不当。高锰钢既为高锰，当然Mn含量高，与空气中的氧气发生反应，从而钢水表面含较多的的MnO，呈碱性，而制作型芯的材料采用石英砂，MnO很容易和石英砂或是含有酸性耐火材料的涂料如石英粉等发生化学反应：MnO+SiO2=MnO·SiO2，生成MnO·SiO2。这种低熔点化合物凝固时使砂粒牢牢黏附于铸件表面形成化学粒砂。低熔点物质的产生也促使钢水向型砂的孔隙中渗透，造成机械黏砂。预防如下：
高锰钢铸件生产中多采用石英砂，但必须使用碱性耐火材料或中性耐火材料制备的涂料，且必须使用镁砂碱性或中性炉衬，防止钢水表面氧化物和铸型之间的作用。
使用碱性耐火材料的原砂，如镁砂作为型砂可以根本解决黏砂和铸件表面质量问题。镁砂的导热性能好，能增加铸件结晶凝固时的冷却速度，改善结晶组织，提高性能。也可以使用中性的高耐火度的材料，如铬铁矿砂、铬镁砂等，芯子可采用铬铁矿树脂砂，砂型可采用橄榄石水玻璃砂，可使用镁砂高铝粉和铬铁矿粉做涂料，提高铸件表面质量。但这些材料比较昂贵，故实际生产中建议使用石英砂干型砂、镁砂等碱性耐火材料做涂料把石英砂和钢水隔开。
目前，用石灰石砂铸造高锰钢件较为普遍。以水玻璃为粘结剂的石灰石砂作型芯，可以得到光洁的内腔，作型砂可以得到光洁的外表面，清砂也比容易。也有个使用白云石砂，白云石砂也是一种碱性耐火材料。
二、晶料粗大。
原因：高锰钢本身的特性和浇注温度过高。高锰钢含碳量高，结晶速度较快，且导热性低和钢液凝固缓慢。在钢的凝固过程中，容易产生粗大的树枝晶，当传热有方向性时，很容易长成条状的柱状晶，在枝晶之间存在显微疏松和夹杂物，使高锰钢的塑性及冲击韧性急剧下降。尤其是标准高锰钢铸态晶粒的大小通过热处理是很难改变的。根据建材部标准规定高锰钢铸件晶粒度不粗于2级，有的工艺文件还规定壁厚不大于20mm的铸件不允许有柱状晶，大于20mm的铸件，断面两边柱状晶厚度之和不超过该断面厚度五分之二者为合格，否则为不合格。预防如下：
1、孕育处理。冶炼时，加入一定量的钼、铬元素进行孕育处理。因为这些元素的碳化物和氮化物在钢的结晶过程中能起到外来核心的作用，从而使晶粒细化。
2、合理控制浇注温度。浇注温度高时，钢液积蓄的热量多，凝固速度慢，结晶后晶粒粗大，反之，晶粒较细。因此，对于流动性好，导热率低的高锰钢，最好采用较低的浇注温度，以便得到较细的晶粒和较高的机械性能。因此在生产中要求高温冶炼，低温浇注，主要严格控制出钢温度。另外，浇注温度低还可以减少热裂缺陷、缩孔、粘砂、含气量和节约能源，是影响铸件质量的重要因素。
三、铸件开裂
原因一：打箱切割失当。
水韧处理前的高锰钢非常脆。高锰钢铸态组织是奥氏体和碳化物，由于碳化物的存在，钢的强度不高脆性很大，一碰撞就易产生裂纹。此外，大铸件浇冒口需气割时，由于局部突然受热，产生很大的应力，往往在冒口根部产生裂纹。预防如下：
1、铸件打箱时间要合理制定，不可提前，一般小件为4－6小时，较大件应在8－12小时后。且打箱之后不得将铸件放在易发生碰撞的地方。打箱、搬运过程不得碰撞，不得浇水，以防由应力和激冷造成铸件开裂。
2、铸件热处理前前，需将内腔及表面砂清理干净，打掉飞边、毛刺。厚的飞边、毛刺若过厚，可用气割割除，但须留适当余量。最好用砂轮切割机。小铸件的易割冒口用锤敲掉，大帽口只能割去5/6，其余量水韧处理后去除。切割过程不得有钢液流到铸件上，否则同样铸件开裂。
3、铸件水韧处理完毕，要在冷水中（最好在水下）割除冒口余量，并要求切割处水面流动（可设置1-2根水管喷水），以保证冷态切割，此时仍需要留出6-7mm余量。条件不足时对铸态不能敲掉的浇、冒口，可以水韧后进行浇水切割。非加工面上的余量最后用碳弧气刨清除，砂轮磨光。
原因二、化学成份偏差大
水韧处理产生淬火裂纹一个可能原因是铸造化学成分不合格，尤其“C”元素含量超标（Mn/C≤8），杂质“P”含量超标。
在高锰钢中，碳有两方面的作用。一方面是扩大奥氏体区，促使钢形成奥氏体组织；另一方面是促使钢加工硬化。高锰钢中必须具有相当的含碳量，才能起到有效的加工硬化作用和高的抗磨性，但碳的含量不能过高，否则铸态组织中将出现大量的碳化物，特别是粗大的碳化物。大量碳化物的出现引起钢发脆，即使是经过水韧处理使这些碳化物溶解于奥氏体中，但会在原来碳化物所在位置留下空间，造成显微裂纹，同样发脆。更有甚者，当含碳量过高时，在固溶处理后的淬火过程中仍不免有碳化物析出。所以，碳量应控制在一个合理的范围，不能过低（过低硬化能力不足），但也不能过高。
锰是扩大奥氏体区的元素，要想形成单一的奥氏体组织，必须有足够的含锰量。当钢中碳含量高时，锰量应相应提高，二者必须保持合理的比例。一般取Mn/C为10，如含锰量略低时可取8。选择锰碳比时要兼顾铸件壁厚，铸件愈厚，锰碳比愈高。冶炼时，锰铁宜后加入炉内，以减少烧损量，后加入的铁合金要预先经过烘烤。出钢前还可用12×20×300mm浇注后直接水韧处理的试棒，视其冷弯的角度来检验钢水质量。
磷的存在，使钢的冲击韧性下降，铸件易开裂。在高锰钢中，由于含锰量高，而锰与硫结合形成MnS而进入炉渣，因此高锰钢中硫的含量都比较低（一般不超过0.03%），对钢的不利影响远远小于磷。硅降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，使钢的耐磨性和冲击韧性降低。处理如下：
严格材料的配合比，保证合适的锰碳比；生产中尽量降低磷的含量，锰铁中磷较高，在选购锰铁时，要选择含磷低的锰铁合金；含硅量要制在0.4-0.6%，最多不能超过0.8%。
原因三、水韧处理不当。
高锰钢由于碳化物的存在使钢发脆，必须经水韧处理后才能使用。水韧处理过程包括三个阶段：加热、保温和淬火。
基于高锰钢导热差，线收缩大（一般在2.5%~3.0%），内应力较大，且铸态组织中存在碳化物。故钢的强度降低，脆性变大，容易开裂，所以加热速度必须加以控制。
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。加热温度（水韧温度）在1050－1100℃足以保证钢中的碳化物较快地充分溶解。所以达此温度时，则停止加热，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。故加热温度在保证碳化物充分溶解的情况下，尽量选低。达此淬火温度时，铸态组织中的碳化物基本上都溶解了，但为了保证使少量尚未溶解的碳化物继续溶解，已溶解在奥氏体中的碳通过扩散而均匀化，以降低在以后的过程中碳化物再次析出的可能性，需要再此温度下进行一段时间的保温。此外，淬火终了水温大于60℃时会有碳化物再次析出。预防如下：
1、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。从常温加热到600℃的温度区间，对薄壁（δ＜25mm）铸件，可用70℃/h的加热速度；对中等壁厚（δ=25－50mm）的铸件可用50℃/h的加热速度；对后壁（δ＞75mm）的铸件和形状复杂铸件，可用30－50℃/h的加热速度。待温度升至600℃以上，需保温使厚壁铸件内外温差减小，由于钢的塑性有所提高，开裂的危险性减小，铸件的加热速度一律可提高到100－150℃/h，直到淬火温度为止。到达淬火温度时需进行一定时间的保温。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/1－1.5h计算。
2、淬火保温后应迅速地将铸件从炉中拉出投入水中。从打开炉门到工件全部入水的时间不得大于30s，愈短愈好（国标是45秒，绝对不能大于1min），以保证铸件温度不低于1000℃（低于950℃时又有碳化物重新析出，因保温的温度是1050-1100℃,故一定要快）。水量要大，不能低于铸件和吊栏重量的8倍以上，水温控制在10-30℃为宜，并在淬火时保持冷水从底部注部，确保淬火终了水温不大于60℃，以免高锰钢碳化物再次析出，力学性能显著下降。若用非循环水需定期增加水量，最好使用水质干净的循环水或采用压缩空气搅动池水。用吊篮吊淬时，可采用摆动吊篮的方式加速铸件的冷却。这时的钢具有奥氏体组织，塑性很好，淬火时虽然铸件中产生很大的内应力，但不会开裂的。高锰钢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。
高锰钢水韧处理后高锰钢的金相组织。高锰钢经水韧处理后，如碳化物完全消除，则为单一奥氏体组织。这样的组织，只有在薄壁铸件上才可能得到。通常允许奥氏体晶粒内或晶界上有少量碳化物。高锰钢组织中的碳化物，按其产生的原因分为三种：其一为未溶碳化物，是水韧处理未能溶解的铸态组织中碳化物；其二是析出碳化物，是因为水韧处理时冷却速度不够高，在冷却过程中析出的；第三种是过热碳化物，是因水韧处理时加热温度过高而析出的共晶碳化物。前两种碳化物，可通过再次热处理予以消除，过热产生的共晶碳化物则不能借再次热处理消除。由于共晶碳化物超标而判定不合格的铸件，只能报废，不允许再次热处理。
此外，有一种说法，供大家参考。人们往往认为高锰钢淬透性很高，但厚度大于80mm的高锰钢件水韧后，心部冷速慢，析出了针状碳化物，使性能下降。为了减少高温下碳化物固溶的困难，降低能耗及缩短生产周期，对100mm以下厚度的简单铸件，也有采用200℃入炉，以70～80℃/h速度升温，不进行650℃保温的水韧工艺的。
四、气孔
气孔是铸造生产中常见的铸件缺陷之一。由于气孔导致的铸件废品占废品总数的三分之一左右。气孔是气体聚集在铸件表面、皮下和内部而形成的孔壁光滑空洞。一般将气孔分为三类：侵入性气孔、析出性气孔和反应性气孔。
原因一、侵入性气孔。浇注过程时液态金属对铸型激烈的热作用，使型砂和芯砂中的发气物（水分、粘接剂等）气化、分解和燃烧，生成大量气体，加上型腔中原有的气体，这些气体部分侵入液态金属内部而不能逸出所产生的孔洞，称为侵入性气孔。预防如下：
1、降低砂型（芯）界面的气体压力是最佳手段。如选用透气性好，发气量低的造型材料；控制型砂的水分及其它发气附加物，用干模砂或快干砂，不用湿砂型；应用发气量低、发气速度慢、发气温度高的粘结剂；砂型（芯）要保证烘干，烘干后的砂芯不宜存放太长时间，隔天使用的砂芯在使用前要回炉烘干，以防砂芯吸潮，不使用受潮、生锈的冷铁和芯撑等；排气要畅通，合理安排出气孔，使用冒口，提高铸型的排气能力；浇注后及时引火。引火后可听到气体的爆燃声和砂箱周围燃烧的火焰，砂箱移开后，可看到下部潮湿的痕迹。说明有大量的气体产生如H2、O2、CO、H2S等气体。
2、出钢后，让钢液静置5—10分钟，使钢液中的气体逸出。
3、浇注温度不能过低，保证侵入的气体有充分的时间从液态金属中上浮和逸出。加快浇注速度，选择合适的型空紧实度，增加上砂型高度，提高液态金属的静压力。浇注系统在设置时，应注意液态金属流的平稳，浇注千万不能中断，防止气体卷入金属液中。
原因二、析出性气孔。溶解在液态金属中的气体，在冷却凝固过程中，由于溶解度降低而析出形成的气孔，称为析出性气孔。析出性气孔数量多、尺寸小，形状呈圆形、椭圆形或针状。在铸件断面呈大面积均匀分布，主要是氢气孔和氮气孔。
金属尤其在液态金属时，能够吸附和溶解大量气体。溶解在金属液中的气体，在温度低和外界气氛压力降低时，就会从金属中析出，部分挣脱吸附克服阻力逸出，部分由于金属液表面凝固阻力大于浮力而形成气孔。预防如下：
1、减少的吸气量。清洁炉料，采用洁净干燥的炉料，*含气量较多的炉料使用；烘干炉衬和浇注工具，浇包要烘干，使用前最好用铁液烫过，包中有铁液，一定要在铁液表面放覆盖剂。确保“三干”：即出铁槽、出铁口、过桥要彻底烘干；缩短熔炼时间，避免液态金属和炉气的接触，减少熔炼吸气等。
2、除气处理。可用加入元素除气法或吹入惰性气体，以及真空除气法等。
3、阻止气体的析出。提高铸件冷却速度，提高外界气氛的压力等。
原因三、反应性气孔。由于液态金属与铸型界面之间、液态金属与渣之间或液态金属内部元素之间发生了某些化学反应产生气体而形成的孔洞，称为反应性气孔。反应性气孔特一般均匀成群分布，且往往产生于铸件皮下形成皮下气孔，又因其形状呈针头状，又称针孔。此类气孔在铸钢件中出现较多。清砂后少数气孔露出，热处理去氧化皮后有更多气孔露出。
在生产实践中发现如下形象：薄壁铸钢件的底面比侧面和上面的针孔多（底面水分不易蒸发）；厚壁铸钢件则上面针孔多；湿型铸造比干型多，湿型分型面处尤多；钢液脱氧不良针孔多。皮下气孔形成的机理有两种观点：一是氢气说，二是一氧化碳说。
氢气说认为，钢液于铸型水汽接触发生化学反应分解成氢，一部分逸出，一部分溶解在钢液中，使钢液中氢含量达到饱和。当铸件凝固时，钢液含有的氢要从固相中析出而被赶到金属固—-液界面上，形成氢偏析，使界面上氢浓度大大提高。特别是废钢含有锈和油脂时，氢化物含量高。如果钢液中含有较多FeO,则在铸件皮下FeO与氢反应生成H2O。水成为非自发性气核，钢液中析出的氢向气核集中，形成气泡并长大，最终形成气孔。
一氧化碳学说认为，当钢液脱氧不良有残存的FeO或钢液与水汽反应生成FeO，这些氧化铁与钢液中的碳发生反应生成CO。
其防止办法除气和脱氧，尽量减少钢中的氢和氧化铁；严格控制型砂中的水分；造型时尽量减少刷水；增强铸型的排气能力。
五、 砂眼、渣孔
铸件缺陷处内部或表面充塞着型（芯）砂的小孔，称为砂眼。若缺陷形状呈不规则，内部是渣或夹杂物，则称为渣孔。预防如下：
1、砂眼。（1）提高型（芯）砂的强度及砂型紧实度，减少砂芯的毛刺和砂型的锐角，防止冲砂。（2）合型前要吹干净型腔和砂芯表面的浮砂，合型后要尽快浇注。（3）防止砂芯烘枯及存放时间过长。（4）合理设计浇注系统，避免钢液对型壁冲刷力太大；浇口杯表面要光滑，不能有浮砂。
2、渣孔。（1）增加扒渣次数，浇注前静止一段时间，以利于熔渣上浮。（2）合理设计浇注系统，放置滤网片提高档渣能力，浇注包上安置挡渣系统，浇注时保持不断流。
六、缩孔、缩松
在铸件的厚断面，热节处或轴心等最后凝固的地方形成表面粗糙的孔洞，并且或多或少带有树枝状结晶。孔洞大而集中的称为缩孔，小而分散的称为缩松。缩孔与缩松主要是由于金属液在冷却凝固时所产生的液态收缩与凝固收缩远大于固态收缩，并在铸件最后凝固的地方得不到金属液的补充所造成的。预防如下：
1、放冷铁。铸造时为了获得细铸态晶粒，减少碳化物析出量，除了控制浇注温度，对厚大件要放置外冷件（内冷铁一般不宜放），这样同时也提高了高锰钢铸件的致密度，减少缩孔、疏松。高锰钢体收缩大，但只要工艺控制得当，可以不出现缩孔，而以轴线疏松形式存在，由于它韧性好，基本不影响使用。
2、设置冒口。高锰钢铸件厚度小于25mm时，一般不用冒口，在大于50mm时，必须设置冒口。高锰钢难切割，浇注系统往往分散引入，冒口采用保温、细颈、易割三种冒口。在工艺上采用补浇，放发热剂的办法增强补缩效果。
3、浇口要符合同时凝固的要求。应多道分散，内浇口断口宜狭深小浇口，一般齿板宜单头进入开4－6道，横浇口宜略大压在内浇口上。
