高质量ZG120Mn13破碎机圆辊的生产实践.pdf

2023年第5期2023年10 月铸造工艺高质量ZG120Mn13破碎机圆辊的生产实践铸造设备与工艺FOUNDRY EQUIPMENT ANDTECHNOLOGYD0I:10.16666/ki.issn1004-6178.2023.05.011Oct.2023No5李振洲，于文斌，刘维祥（山东营州金属材料有限责任公司，山东日照2 7 6 50 0）摘要：高锰钢破碎机圆辊在许多领域中具有广泛的应用前景，然而破碎机圆辊铸件制备过程中碳化物析出和晶粒粗化等问题限制了其性能的提升。针对破碎机上高锰钢圆辊的使用工况要求，通过选择合适的化学成分、微合金化、稀土变质处理等措施，获得了综合力学性能良好的破碎机圆辊铸件。研究表明，通过优化处理工艺和化学成分设计，破碎机高锰钢圆辊的性能得到了显著改善。细晶组织、细小且均匀的晶粒以及少量的碳化物和夹杂物的存在，使得高锰钢具备了较高的强度和冲击韧性。这些研究结果对于高锰钢的应用和开发具有重要的指导意义，为提高高锰钢的性能和推动相关领域的发展提供了有益的参考。关键词：高锰钢；微合金化；稀土变质处理中图分类号：TG142Production Practice of High Quality ZG120Mn13 Crusher Round Roll(Shandong Juzhou Metal Materials Co.,Ltd.,Rizhao Shandong 276500,China)Abstract:High manganese steel crusher roll has a wide range of application prospects.However,the problems of carbideprecipitation and grain coarsening during the preparation of crusher roller castings limit the improvement of its performance.According to the requirements of the working condition of the high manganese steel roller on the crusher,the crusher roller castingswith good comprehensive mechanical properties were obtained by selecting the appropriate chemical composition,micro-alloying andrare earth metamorphism.The results show that the performance of high manganese steel roller is improved significantly by optimizingthe treatment technology and chemical composition design.The presence of fine and uniform grains and a small amount of carbidesand inclusions makes high manganese steel possess high strength and impact toughness.The research results have important guidingsignificance for the application and development of high manganese steel,and provide a reference for improving the properties of highmanganese steel and promoting the development of related fields.Key words:high-manganese stel,micro-alloying,rare-earth modification treatment文献标识码：ALI Zhen-zhou,YU Wen-bin,LIU Wei-xiang文章编号：16 7 4-6 6 9 4(2 0 2 3)0 5-0 0 3 6-0 41高锰钢破碎机圆辊介绍奥氏体高锰钢材质具有优良的铸造性能和表面加工硬化的使用特性，使其成为高应力、大冲击环境下大量使用的耐磨材料 1-2 。但由于高锰钢凝固过程中的导热性差，其凝固组织往往晶粒粗大,特别是厚壁铸件更易形成柱状穿晶组织,降低了耐磨性及强韧性。因此，在高应力、大冲击条件下使用的图1破碎机圆辊高锰钢铸件就需要有较高的屈服强度和冲击韧性。破碎机使用的圆辊零件如图1所示，通过两个圆辊的对滚运动实现对矿石的破碎，工作过程中承受高的挤压应力和冲击，易出现变形、裂纹及耐磨性差收稿日期：2 0 2 3-0 6-3 0作者简介：李振洲（19 8 7-），男，山东日照人，主要研究方向为铸件的工艺研究与开发。36等缺陷，使用寿命较低。究其原因主要是零件壁厚较大，热节结构多，易出现铸件晶粒粗大，使其力学性能较低，不能满足使用要求。本文通过调整化学成分及采取多种工艺措施，提高零件的力学性能和耐磨性能,延长零件的使用寿命。2023年第5期2化学成分设计破碎机上圆辊零件在工作过程中，不但承受较大挤压力及一定的冲击磨损应力，要求材质具有较高的屈服强度及冲击性能，为此选择抗冲击耐磨性能良好的ZG120Mn13高锰钢材质，为提高材质的强韧性和质量，对材质进行微合金化及稀土变质处理。2.1基本化学成分选择1）C 是强稳定奥氏体元素且对基体起固溶强化作用，随着C质量分数的增加，高锰钢的强度、硬度提高,从而提高耐磨性，但塑性和韧性都会明显降低。因此，根据圆辊的结构及承受高应力低冲击的使用工况，w(c)控制在1.0 5%1.2 0%之间。2）M n 是获得高锰钢室温奥氏体组织的元素，当Mn质量分数低于14%时，随Mn质量分数的增加高锰钢的强度、冲击韧性提高。但Mn质量分数高将促进高锰钢凝固过程中的奥氏体枝晶生长，导致粗晶和热裂纹形成，及加工硬化能力下降，而且随Mn/C比值提高增加了奥氏体的稳定性,降低了非冲击工况下的耐磨性。针对破碎机圆辊是在高应力、非冲击状态下工作，需要具有较高的强度、耐磨性和一定的韧性,需要较高的Mn含量,同时还要考虑到Mn/C含量比值对高锰钢的组织和性能的影响。综合考虑,对于承受高应力厚壁圆辊的w(Mn)控制在12%14%之间。3）S i固溶于奥氏体，具有一定的固溶强化作用，但其易促进碳化物析出，使铸态组织晶界上的碳化物增多，碳化物溶解后晶界残存显微缩松，易形成显微裂纹源，降低韧性。当Si量超过0.6%时，随 Si量的增加,高锰钢的塑性和韧性明显降低。因此,破碎机圆辊的w(Si)控制在0.40%0.6%之间。4）P和S在高锰钢中都是有害元素。由于P在奥氏体中的溶解度很小，易在晶界和枝晶间偏析，与Fe、M n 形成磷共晶且存在于边界或枝晶间,产生热裂纹缺陷，特别是厚壁铸件中更容易偏析，使高锰钢在室温下塑性和强度明显降低4。高锰钢中的S与Mn生成高熔点的硫化锰并进人熔渣.使钢中残留S量很低，残留的S多以球形的硫化锰夹杂存在,对钢的性能影响不大。根据圆辊零件的性能和壁厚要求，控制w(P)和w(S)的质量分数都小于0.05%.综上所述，确定高锰钢圆辊基本化学成分如表1所示。李振洲，于文斌，刘维祥：高质量ZC120Mn13破碎机圆辊的生产实践Si1.051.20.40.62.2微合金化微合金化是金属材料的强化处理措施之一，其主要作用是利用微量合金元素通过固溶、沉淀及细晶等强化金属基体，以提高其力学性能，常用合金元素主要有Mo、W、V、T i 等。实践证明高锰钢通过微合金化，可有效提高其强韧性。根据破碎机圆辊的工况要求，在工作过程中不但要有较高耐磨性，同时在高应力状态下发生加工硬化后的组织应具有较好的韧性，减少微裂纹的产生。从这两方面考虑，同时按照多元素共同作用效果较单一元素加人时效果更优的原理 5,选择添加Cr和Mo两种元素。Cr能够有效提高奥氏体的稳定性和屈服强度，但当Cr含量超过2.5%时随含量提高会降低韧性，因此Cr含量选择在0.6%2.5%之间。Mo有限固溶于奥氏体，能抑制过冷奥氏体分解，多数与碳形成特殊碳化物：MoC、M o 2 C、（Fe,M o);C,在奥氏体中能沉淀析出或弥散析出，使硬度提高，提高奥氏体的稳定性。Mo能够细化奥氏体晶粒,有利于提高屈服强度而不降低其塑性。选择加人量为0.5%1.0%.2.3变质处理通过向金属液中添加微量元素控制金属凝固组织的形态和分布的方法称为变质处理。针对高锰钢的凝固过程中导热性差，易使晶粒粗大，铸态组织中生成大量碳化物及较多的氧化锰析出在晶界上,增加热裂倾向,降低冲击韧性。为此选择稀土复合变质剂对高锰钢进行变质处理，一是利用稀土中的表面活性元素具有强烈细化一次结晶的作用，二是利用稀土显著改善钢中碳化物及夹杂物的形态及其分布，能够使碳化物及夹杂物团球化，三是稀土具有强烈脱氧、脱硫能力,与钢液中氧、硫等有害杂质生成高熔点产物，有效提高高锰钢的冶金质量。但过量的稀土又会恶化夹杂物形状，实验表明稀土残留量控制在0.0 5%0.0 9%为宜。如图2 所示是高锰钢添加稀土与未添加稀土的金相组织。可以看出，经过稀土变质处理的铸态组织，晶粒明显得到细化，且晶界上碳化物的分布不再呈网状。3水韧处理工艺高锰钢的力学性能取决于水韧处理工艺，水韧处理工艺参数与化学成分及铸件的壁厚密切相关，37铸造设备与工艺表1材质的基本化学成分（质量分数，%）CMn1214S0.05P0.05Oct.2023No5a）未稀土变质处理图2 铸态金相组织对于相对壁厚的高锰钢圆辊铸件，水韧处理工艺参数选择除考虑含碳量的影响外，由于添加了合金元素，应适当提高铸件人水温度，因此将水韧加热温度确定为10 8 0，根据圆辊的壁厚确定保温时间为4h，初始加热速度为50/h，超过6 50 后加热速度按热处理炉的额定功率进行加热，出炉后铸件的人水时间不超过1min，水温控制在3 0，并保持铸件在水中处于运动状态，完全冷却后出水。4生产试验结果与分析采用1t中频炉进行熔炼试验，炉内加入合金进行微合金化，出炉温度为1550，炉前用稀土变质，浇注温度为1450，浇注系统如图3 所示，为实现快速浇注及铸件温度场的均匀，采用了4个内浇口，为获得组织致密的铸件，设置了2 个圆形冒口。每一炉铸件浇注时浇一组试验料,与同炉次铸件一起进行水韧处理，以备进行对比实验。试块采用单铸基尔试块，拉伸试验按CB2975-2018执行，冲击试验采用10 mmx10 mmx55 mm,中部为 2 mm深的标准夏比U型缺口试样。4.1材质不同化学成分试验分析为了探讨不同化学成分、稀土变质工艺对高锰钢组织和性能的影响，结合生产进行了6 炉次试验。试样光谱分析的化学成分如表2 所示。直浇道横浇道内浇道铸件冒口图3 破碎机圆辊的浇注系统38铸造设备与工艺表2试样的化学成分（质量分数，%）试验号CSi11.20 0.4212.960.004 0.0370.750.640.05321.080.3913.730.0040.0410.720.54.0.06631.150.6112.410.0050.0360.780.610.059100m100umb)稀土变质处理2023年第5期MnS41.060.4712.080.0050.0300.760.510.07151.050.5812.490.0040.0330.760.520.07561.100.5412.580.0050.0420.720.600.0634.2力学性能不同试样号的试验料，按确定的水韧处理工艺热处理后，取样进行拉伸试验和冲击试验，其中冲击试验每个试验号进行3 次试验，并取平均值。试样力学性能如表3 所示。表3 试样的力学性能试样号Rm/MPa1698296036764732578767694.3金相组织不同试样号的冲击试样经研磨抛光后，采用4%硝酸酒精溶液腐蚀，获得试样的金相组织如图4所示。100ma)试样1100md)试样4图4金相组织对比分析由表3 可看出，试样2 的综合力学性能最好，由表2 可知其化学成分具有高的Mn/C比及较低的Si含量。较高的Mn/C比，意味着高的Mn量和低的C量,在高锰钢中,随Mn量的增加,其强韧性将逐渐提高,而低的量,可有效减少水韧处理后残留碳化物的数量，从而增加高锰钢的塑韧性。从图4b）的金相组织可见，其晶粒细小且大小均匀，晶界上几乎看不到碳化物或夹杂物。从表3 可以看出，试PCrReL/MPa463486265402418417100mb)试样2100me)试样5MoREKu2/J162183158145163176100mc）试样3100 mf)试样62023年第5期样1和试样3 的力学性能最差,从图4a)及图4c的金相组织中可以看出，无论是在晶内还是在晶界上都有较粗大的碳化物析出。由表2 可知试样1和试样3 的量高，使得水韧处理后的高锰钢组织析出较多的碳化物，而且由于含量高，促进了奥氏体晶粒长大倾向，使奥氏体晶粒粗大。试样4、试样5和试样6 其力学性能差别不大，从图4d）图4e)和图4f）可以看出晶粒均得到细化而且大小均匀，但晶内与晶界上明显有碳化物析出，对力学性能产生了有害的影响。由此可见，高锰钢材质在进行微合金化及稀土变质处理同时，控制低含碳量、高锰碳比及较低的含硅量，可得到细晶组织和较高的强度性能及冲击性能。5结论通过改进处理工艺和化学成分设计，成功改善了高锰钢的组织和性能。微合金化和稀土变质处理结合适当的水韧处理工艺，可有效细化铸造组织和（上接第3 5页）李振洲，于文斌，刘维祥：高质量ZC120Mn13破碎机圆辊的生产实践铸造设备与工艺提高高锰钢的力学性能和冲击韧性。应用低含碳量、高锰碳比及较低的含硅量的化学成分设计对于获得高锰钢的高强度和冲击韧性至关重要。这些研究成果对于高锰钢的应用和领域的发展具有重要的意义，为相关领域的研究和应用提供了有力的支持。参考文献：1】吕仁杰,裴伟.高锰钢研究进展和展望 J.冶金设备，2 0 19(4)：57-61.2魏世忠,徐流杰.钢铁耐磨材料研究进展 J.金属学报,2 0 2 0,56(4):523-538.3范宇.高锰钢时效处理及晶粒细化研究 D.广州：暨南大学，2016.4卫心宏，边功勋，张晓晖，等.提高厚大件高锰钢性能的措施 J.铸造设备与工艺，2 0 14(6)：41-43.51傅定发，蔡家财，高文理.多元合金化处理对高锰钢组织和性能的影响 J.湖南大学学报（自然科学版）,2 0 14,41(7)：3 0-3 4.6王仲珏.稀土变质、多元微合金化高锰钢在破碎机齿板上的应用 J，铸造设备研究，2 0 0 0（5）：3 0-3 1.图11泵体铸件参考文献：1金枫.基于粘结剂喷射的喷墨砂型三维打印技术新进展 J.机电工程技术,2 0 18,47(9)：10 9-114.2左强，杨国娟,洪润洲，等.应用砂型3 D打印技术制备复杂铝合金铸件 J.铸造，2 0 2 1,7 0(4)：49 3-49 7.a)上型a)上型b)下型图8 铸件砂型三维图图9 切片模型b)下型图10 打印完成的砂型c）砂芯c）砂芯3 东赖晓玉，朱德智，陈维平，等.3 D打印砂型铸造A1-7Si-0.4Mg合金的组织和力学性能 J.中国有色金属学报，2 0 2 0,3 0（7)：1512-1522.4 洪润洲，周永江,左强，等.基于仿真与3 D打印砂型的复杂铝合金壳体制造 J.特种铸造及有色合金，2 0 19,3 9（11)：119 2-1194.5郑赐荣，丁旭，杨家财，等.基于AnyCasting的铝合金壳体件铸造工艺模拟分析及优化 .热加工工艺，2 0 16,45（2 3）：111-114.6徐双龙，曹献群，管文浩，等.基于Anycasting 的灰铁转子座缺陷预测及优化 J.特种铸造及有色合金，2 0 13,3 3(7)：6 2 9-6 3.39