高錳鋼主要是指在較大沖擊荷載作用力下，鋼結(jié)構(gòu)表面快速加工硬化且具有耐磨性的材料，在其長(zhǎng)期使用過程中裂紋問題的擴(kuò)展速度越慢，安全事故產(chǎn)生的概率就越低。目前，高錳鋼鑄件在多個(gè)行業(yè)發(fā)展中都有較為廣泛的應(yīng)用，由于高錳鋼的線性收縮參數(shù)比碳鋼較大，傳熱系數(shù)比碳鋼較小，因此，在高錳鋼鑄件凝固和熱處理期間，很容易因?yàn)殍T件溫度分布不均、溫差過大等因素產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，引起裂紋問題，尤其是厚度在120mm以上的復(fù)雜高錳鋼鑄件，其生產(chǎn)期間的裂紋較難把控。
01、高錳鋼鑄件的裂紋分析
目前針對(duì)高錳鋼加工硬化處理的機(jī)理、熱處理工藝及鑄造工藝的研究較多，卻少有對(duì)高錳鋼鑄件裂紋問題的研究，但在高錳鋼鑄件使用期間，經(jīng)常會(huì)遇到由于鑄件裂紋問題導(dǎo)致的各項(xiàng)安全隱患。其中，高錳鋼前導(dǎo)輪鑄件作為挖掘機(jī)電鏟的關(guān)鍵零件，鑄件的質(zhì)量、尺寸都會(huì)對(duì)設(shè)備后續(xù)使用造成影響。由于高錳鋼前導(dǎo)輪鑄件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，最大壁厚在142mm，導(dǎo)致在生產(chǎn)期間裂紋問題的把控不夠理想。在復(fù)雜厚大高錳鋼鑄件生產(chǎn)期間，經(jīng)過射線探傷技術(shù)對(duì)鑄件預(yù)處理后的毛坯質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩孔側(cè)和圓弧位置都存在尺寸大小不一致的裂紋，實(shí)際尺寸長(zhǎng)度在25mm的裂紋較多，少數(shù)裂紋會(huì)在50mm左右，如圖1所示，從而對(duì)高錳鋼鑄件使用年限和成品率造成影響。為此，在前期診斷工作期間，需對(duì)高錳鋼鑄件裂紋形成原因進(jìn)行分析和研究。
02、試驗(yàn)材料以及試驗(yàn)方法
2.1 試驗(yàn)材料
在本次研究工作開展期間，主要以型號(hào)為ZG100Mn13高錳鋼鑄件為研究材料，經(jīng)過電爐冶煉的方式后進(jìn)行真空精煉，對(duì)鋼水中含氧量以及合金元素的氧化傾向進(jìn)行控制。隨后對(duì)鑄件試塊進(jìn)行取樣，在經(jīng)過化學(xué)試驗(yàn)分析后，獲取詳細(xì)的化學(xué)成分表，如表1所示，按照國(guó)標(biāo)GB/T 5680—2023《奧氏體錳鋼鑄件》中的規(guī)定，對(duì)鑄件中的化學(xué)成分進(jìn)行劃分。
2.2 試驗(yàn)方法
為了能夠?qū)Ω咤i鋼鑄件裂紋試樣情況進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，需要針對(duì)鑄件表面使用PT著色將表面裂紋的準(zhǔn)確位置和裂紋走向進(jìn)行顯示，隨后在裂紋位置切割20mm×25mm×20mm的裂紋試樣，如果鑄件表面存在完整的裂紋，需要適當(dāng)對(duì)裂紋試樣大小進(jìn)行調(diào)整，通常情況下會(huì)選擇參數(shù)在30mm×30mm×20mm的范圍之內(nèi)。在經(jīng)過試樣拋光處理后，使用4%含量的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行浸泡處理，在6s后撈出試樣，將試樣放在光學(xué)顯微鏡等掃描設(shè)備的鏡頭下，對(duì)鑄件組織結(jié)構(gòu)、裂紋情況進(jìn)行觀察，并詳細(xì)對(duì)裂紋形成原因進(jìn)行分析和判斷。
03、高錳鋼鑄件裂紋形成原因分析
3.1 材料與冶金因素
根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)工作的開展，化學(xué)成分控制不合理是造成高錳鋼鑄件裂紋的主要因素。在化學(xué)成分不合理的情況下，高錳鋼材料性能下降，進(jìn)而在鑄件表面形成較明顯的裂縫。目前的分析中，當(dāng)高錳鋼中的碳元素和磷元素含量超過標(biāo)準(zhǔn)后，會(huì)增加高錳鋼逐漸裂縫的生成風(fēng)險(xiǎn)。碳元素含量過高，再經(jīng)過熱處理工藝會(huì)導(dǎo)致晶界析出碳化物，在材料受力的情況下晶界的開裂風(fēng)險(xiǎn)較高，也是造成高錳鋼鑄件材料出現(xiàn)裂紋的主要因素。而當(dāng)材料中的磷元素增加，很容易導(dǎo)致脆性磷共晶的產(chǎn)生，降低晶界的強(qiáng)度和韌性，導(dǎo)致鋼鑄件的整體性能降低。此外，在高錳鋼鑄件冶金期間，存在的缺陷問題也是影響材料性能的關(guān)鍵要素之一。當(dāng)冶金期間出現(xiàn)縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，都會(huì)在材料中形成應(yīng)力集中點(diǎn)，而應(yīng)力集中區(qū)域在外部受力的情況下很容易引起裂紋。同時(shí)，如果鋼液中FeO和MnO的含量超過2%，會(huì)進(jìn)一步加重晶界的脆性效果，增加材料受力開裂的概率。
3.2 鑄造工藝缺陷問題
在高錳鋼鑄件生產(chǎn)期間，如果不能及時(shí)控制澆鑄溫度，很容易導(dǎo)致鑄件質(zhì)量受到影響。在鑄造期間所選擇的澆鑄溫度過高，會(huì)使?jié)茶T后的凝固時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)變得粗大，不僅會(huì)對(duì)鑄件的整體性能造成影響，還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)鑄件的熱應(yīng)力加大，進(jìn)一步加重鑄件裂紋的情況。而當(dāng)鑄造期間的澆鑄溫度過低，導(dǎo)致金屬熔液的流動(dòng)性減弱，難以保證模具的填充效果，在凝固期間會(huì)引起冷隔或者補(bǔ)縮不足的情況，嚴(yán)重影響鑄件的完整性和致密性。同時(shí)，在研究工作中發(fā)現(xiàn)，澆鑄后的冷卻不均勻、退讓性不足，也會(huì)引起厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件裂紋問題。通常情況下，高錳鋼鑄件厚大部位的冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，而薄壁區(qū)域的冷卻速度較短，在厚度的影響下導(dǎo)致冷卻期間的溫差過大，應(yīng)力集中問題較為明顯，引起高錳鋼逐漸變形或者裂紋的情況。在鑄型的退讓性的影響下，凝固收縮期間的阻礙加重拉應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而提升鑄件開裂的風(fēng)險(xiǎn)。此外，冒口作為補(bǔ)縮鑄件凝固過程中產(chǎn)生的收縮空洞，如果存在尺寸不合理的設(shè)計(jì)問題，如直徑小于熱節(jié)厚度的1.5~2倍，或者低溫切割的情況，必定會(huì)導(dǎo)致冒口的補(bǔ)縮效果不滿足預(yù)期狀態(tài)，逐漸局部的補(bǔ)縮力度不足，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中情況，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?dǎo)致鑄件報(bào)廢。
3.3 熱處理工藝缺陷
目前，在厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件生產(chǎn)期間，加熱速率與保溫不足是熱處理工藝中較為常見的問題，也是引起高錳鋼鑄件裂紋的主要因素。在熱處理期間，如果加熱的實(shí)際速率過快，或者沒有及時(shí)對(duì)鑄件材料進(jìn)行合理的預(yù)保溫處理，都會(huì)導(dǎo)致在預(yù)處理后出現(xiàn)鑄件內(nèi)外溫度差過大，熱應(yīng)力集中的情況，不僅會(huì)對(duì)高錳鋼鑄件穩(wěn)定性和機(jī)械性造成影響，還會(huì)引起鑄件裂紋的質(zhì)量缺陷。此外，在熱處理期間由于材料中的碳元素含量過高，在處理期間會(huì)產(chǎn)生大量的碳化物，對(duì)高錳鋼鑄件質(zhì)量產(chǎn)生危害。由于碳化物的質(zhì)地較硬，如果熱處理期間不能對(duì)碳化物進(jìn)行控制，必定會(huì)導(dǎo)致晶界結(jié)構(gòu)的韌性減弱，增加鑄件開裂的風(fēng)險(xiǎn)，降低鑄件綜合性能，對(duì)后續(xù)加工和使用造成嚴(yán)重危害。
3.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理
厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，由于受到壁厚差異過大、過渡區(qū)域圓角過小，或是結(jié)構(gòu)中存在斷面突變等因素的影響，導(dǎo)致高錳鋼鑄件的應(yīng)力集中問題較為明顯，導(dǎo)致最終生產(chǎn)質(zhì)量降低。應(yīng)力集中作為結(jié)構(gòu)力學(xué)中常見危害問題，當(dāng)鑄件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中問題之后，經(jīng)常會(huì)引起結(jié)構(gòu)承受較大的荷載，出現(xiàn)過早損壞的問題。當(dāng)壁厚差異過大的情況下，高錳鋼鑄件的薄區(qū)和厚區(qū)應(yīng)力分布不夠均勻，薄區(qū)經(jīng)常需要承受更多的應(yīng)力，導(dǎo)致塑性變形或斷裂問題的產(chǎn)生。同時(shí)過渡區(qū)域圓角過小，導(dǎo)致在鑄件使用期間應(yīng)力在過渡區(qū)的應(yīng)力不斷提升，局部應(yīng)力超過鑄件平均應(yīng)力接受水平，進(jìn)而引起鑄件開裂情況。此外，在目前高錳鋼鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，“+”形結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，也會(huì)引起應(yīng)力集中的情況，導(dǎo)致高錳鋼鑄件長(zhǎng)時(shí)間處于高度應(yīng)力集中的狀態(tài)，在鑄件使用期間很容易產(chǎn)生疲勞性損壞或者脆性斷裂。
04、高錳鋼鑄件裂紋的改善措施
4.1 優(yōu)化高錳鋼鑄件的化學(xué)成分
首先，為確保厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件裂紋問題的有效控制，在鑄造期間可以使用優(yōu)化化學(xué)成分的方式，通過對(duì)碳元素、硫元素、磷元素等含量的嚴(yán)格控制，提升高錳鋼鑄件的韌性，從而減少裂紋的產(chǎn)生。并且，按照厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件的使用需求，對(duì)碳元素的含量進(jìn)行控制，對(duì)高錳鋼鑄件硬度進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，避免鑄件結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較高的應(yīng)力，進(jìn)而減少裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。其次，在冶煉高錳鋼鑄件的過程中，可以采用精煉技術(shù)，如真空脫氣、爐外精煉等，有效地去除材料中含有碳、硫、磷等元素，如果材料中硫元素、磷元素含量過多，必定嚴(yán)重降低高錳鋼鑄件的韌性，增加鑄件裂紋產(chǎn)生的概率。最后，碳元素作為高錳鋼的主要合金元素，對(duì)提升鑄件的硬度和韌性有著重要的影響，為保障厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件的使用效果，需要根據(jù)鑄件的使用環(huán)境和性能需求，對(duì)碳元素的實(shí)際含量進(jìn)行把控，進(jìn)而提升高錳鋼鑄件的硬度和韌性平衡狀態(tài)，提高厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件質(zhì)量和性能。
4.2 改進(jìn)高錳鋼鑄件的鑄造工藝
有效改進(jìn)高錳鋼鑄件的尺寸和壁厚，在澆鑄期間嚴(yán)格控制澆鑄的實(shí)際溫度，可保證鑄件在凝固期間的均勻散熱效果。由于高錳鋼結(jié)構(gòu)局部散熱不均勻會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫差過大、應(yīng)力集中，可對(duì)澆注溫度的精準(zhǔn)控制，保障鑄件在凝固散熱期間的均勻效果，進(jìn)而提升鑄件生產(chǎn)的質(zhì)量。同時(shí)，在散熱期間要及時(shí)對(duì)冷卻速度和鑄型退讓性的情況進(jìn)行把控，通過對(duì)冷卻介質(zhì)類型、流量和溫度的把控，加強(qiáng)冷卻速度的控制效果。同時(shí)，對(duì)鑄型材料和設(shè)計(jì)方式進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)鑄件在冷卻期間自由收縮的能力，進(jìn)而有效降低鑄件內(nèi)部應(yīng)力和裂紋的產(chǎn)生。而針對(duì)澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來講，通過優(yōu)化澆鑄系統(tǒng)的布局和尺寸，能夠增強(qiáng)金屬溶液的流動(dòng)性效果，保證金屬溶液能夠平穩(wěn)、均勻地流入型腔，避免局部過熱導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，加強(qiáng)金屬溶液的填充能力，及時(shí)對(duì)鑄件的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)高錳鋼鑄件力學(xué)性能的充分提升。
4.3 完善熱處理工藝
在高錳鋼鑄件熱處理過程中，材質(zhì)特性和鑄件尺寸都是影響熱處理效果的主要因素，為此在熱處理期間需要科學(xué)合理地對(duì)淬火溫度及加熱速度進(jìn)行控制。在鑄件淬火的過程中，技術(shù)人員要保證內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻散熱的效果，避免散熱不均勻?qū)е聠栴}的產(chǎn)生。同時(shí)，對(duì)回火工藝進(jìn)行把控，及時(shí)調(diào)整回火溫度、時(shí)間以及氛圍等參數(shù)，確保鑄件在回火過程中，能夠充分釋放鑄件內(nèi)部的應(yīng)力，增強(qiáng)鑄件的韌性和穩(wěn)定性效果，從而避免鑄件在后續(xù)使用期間出現(xiàn)變形或者排列的問題，進(jìn)一步增強(qiáng)厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件的綜合機(jī)械性能和適用效果，減少高錳鋼鑄件裂紋產(chǎn)生引起的安全問題。
此外，目前在熱處理工藝使用期間，水韌處理和冷卻處理作為熱處理的主要工藝技術(shù)。在水韌處理的過程中，厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件需要在650℃的環(huán)境下保溫，確保鑄件內(nèi)外溫差平衡之后，提升溫度到水韌處理的所需溫度。在冷卻處理期間，當(dāng)厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件淬火期間，要避免出現(xiàn)劇烈冷卻，可以使用噴霧冷卻活著分階段降溫的方式。
4.4 焊接與修復(fù)技術(shù)
在厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件制造期間，焊接工藝技術(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接影響，為此在焊接操作之前，需要對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行全面的清理，確保可以去除能夠影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，確保鑄件焊接的質(zhì)量。在焊接期間需要對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、可靠性進(jìn)行分析，進(jìn)而更好的保證后續(xù)鑄件使用效果。目前，為了能夠?qū)附淤|(zhì)量進(jìn)行保障，需要使用低線能量的焊接方法，常見的包括手弧焊，在手弧焊使用中，可以對(duì)焊接期間產(chǎn)生的熱量情況進(jìn)行控制，減少因?yàn)楹附訜崃繉?dǎo)致的硬化和變形情況，進(jìn)而對(duì)厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能進(jìn)行保障。在焊接工作完成之后，不需要進(jìn)行與熱處理，對(duì)控制層間溫度進(jìn)行把控，避免因?yàn)闊崃慷逊e對(duì)焊接接頭質(zhì)量產(chǎn)生影響，通過對(duì)焊接與修復(fù)技術(shù)的把控，進(jìn)一步對(duì)焊接接頭質(zhì)量問題進(jìn)行改善，提升厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件的性能和質(zhì)量。
05、結(jié)論
厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件的裂紋是材料、工藝、結(jié)構(gòu)等多因素綜合作用下，產(chǎn)生的必然結(jié)果。為了能夠更好地提升厚大復(fù)雜高錳鋼鑄件生產(chǎn)效果，在鑄件生產(chǎn)期間需要合理改善生產(chǎn)期間的化學(xué)成分，對(duì)鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)熱處理工藝的效果，不斷提升鑄件生產(chǎn)質(zhì)量，進(jìn)一步對(duì)厚大高錳鋼鑄件的裂紋進(jìn)行把控，加強(qiáng)鑄件使用的機(jī)械性能，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。
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