礦用鐵鋁錳合金鑄件的開(kāi)發(fā)

楊林利，張洪亮，付宏江，何　俊，李子海，鄧守梁（.鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司，遼寧鞍山 0；.河北海鉞耐磨科技有限公司，河北遷安 06009；.北京鋼鐵研究總院，北京 0008；.沈陽(yáng)鑄造研究所，遼寧沈陽(yáng) 00；.本溪鋼鐵公司機(jī)械制造公司產(chǎn)品研發(fā)處，遼寧本溪　7000）

礦用鐵鋁錳合金鑄件的開(kāi)發(fā)

楊林利1，張洪亮1，付宏江2，何俊3，李子海4，鄧守梁5
（1.鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司，遼寧鞍山 114021；2.河北海鉞耐磨科技有限公司，河北遷安 064009；3.北京鋼鐵研究總院，北京 100081；4.沈陽(yáng)鑄造研究所，遼寧沈陽(yáng) 110022；5.本溪鋼鐵公司機(jī)械制造公司產(chǎn)品研發(fā)處，遼寧本溪117000）

鐵鋁錳合金鑄件通過(guò)不同“淬火+回火”熱處理工藝，可獲取不同的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。本文通過(guò)鑄件成分設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助模擬凝固與鑄件性能預(yù)判研究，成功的研發(fā)出了礦用鑄件——鐵鋁錳合金鑄件，為鐵鋁錳合金鑄件的開(kāi)發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

鐵鋁錳合金鑄件；析出強(qiáng)化；模擬凝固

鐵鋁錳合金鑄件，在上個(gè)世紀(jì)80年代國(guó)外就有一些相關(guān)介紹［1-3］，而我國(guó)關(guān)于鐵鋁錳合金鑄件的研究工作是1959年開(kāi)始進(jìn)行的［4］。多年的鐵鋁錳合金鑄件生產(chǎn)與產(chǎn)品使用驗(yàn)證，鐵鋁錳合金鑄造性能雖好，成形性較佳，但鑄件易變形、開(kāi)裂與抗氧化腐蝕能力差等問(wèn)題，制約了鐵鋁錳合金鑄件的推廣與使用。

2012年河北海鉞耐磨科技有限公司接到蒙古國(guó)礦用鑄件訂單，這批鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，幾何尺寸公差小，在常規(guī)機(jī)械性能要求外，特別要求具有較好的耐低溫力學(xué)性能，即在-50℃低溫時(shí)仍保有較好的強(qiáng)韌性，并兼具抗大氣水氣腐蝕浸潤(rùn)。

為按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)訂單與生產(chǎn)出合格的高強(qiáng)韌性礦用鑄件，河北海鉞耐磨科技有限公司與北京鋼鐵研究總院、沈陽(yáng)鑄造研究所、鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司、本鋼鋼鐵公司機(jī)械制造公司產(chǎn)品研發(fā)處等單位合作，仔細(xì)研判鑄件的結(jié)構(gòu)、作業(yè)工況及用戶(hù)的要求，發(fā)現(xiàn)鐵鋁錳合金材料［5］有較優(yōu)良的耐低溫性能，且強(qiáng)韌度兼具。其材料密度：6.8 g/cm3、抗拉強(qiáng)度：110 ksi～140 ksi、屈服強(qiáng)度：75 ksi～90 ksi （1 ksi=6.895 MPa）、伸長(zhǎng)率：58.9%～45%，因此決定選用鐵鋁錳合金材料生產(chǎn)該批鑄件。擬通過(guò)合金材料微合金化、鋼水變質(zhì)處理與熱處理控制技術(shù)，著重解決鑄件易變形、開(kāi)裂與抗氧化腐蝕能力差等問(wèn)題，以滿(mǎn)足礦用鑄件工況作業(yè)使用要求。常規(guī)礦用鑄件見(jiàn)圖1、圖2.

2　化學(xué)成份的選擇

1）為充分考慮鐵鋁錳合金材料在低溫狀態(tài)下具有優(yōu)良的耐低溫性能，兼顧考慮礦用鑄件在工況作業(yè)過(guò)程中具有一定的抗腐蝕、抗變形、抗開(kāi)裂與蠕變能力，力求強(qiáng)韌度兼具。

圖1 露天礦電鏟鏟斗后部

圖2 破碎機(jī)軋臼壁

錳，具有擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用，使鋼的金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和鐵素體。然而高于35%，則脆性增大，降低鑄件力學(xué)性能。錳成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，選擇在19%～34%［6］.

鋁，能形成鑄件保護(hù)膜，提高鑄件的防腐蝕性能。但其含量高于10%時(shí)，則降低鑄件的韌性及延伸率。資料介紹［7］，當(dāng)鋁含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)7%左右時(shí)，可使鋼具有鐵素體和碳化物的組織。鋁成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，選擇在4.6%～10%之間。

碳，在鐵鋁錳合金材料中能夠促進(jìn)奧氏體穩(wěn)定并具有使鑄件硬化效果。資料［7］試驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹，當(dāng)碳含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～0.8%，碳硅比1∶2時(shí)，該鋼種具有最佳的高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度。礦用鐵鋁錳合金鑄件，為提高其耐磨性與抗變形性能，兼顧抗斷裂性能，碳成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，選定在0.6%～1.8%；硅成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，選定在0.4%～1.8%.

鉬，在鋼中能夠起到細(xì)化晶粒的作用［8］，提高淬透性和熱強(qiáng)性，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力。在鋼中加入一定含量的鉬，還可以抑制與去除鋼在回火過(guò)程中的脆性。在鐵鋁錳合金材料，鉬成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制＜1.5%.

2）礦用鐵鋁錳合金鑄件成分選擇，見(jiàn)表1.

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3　主要工藝技術(shù)參數(shù)

3.1造型材料與涂料

鑄件造型及型芯，采用CO2硬化水玻璃砂。為預(yù)防鑄件澆注發(fā)生機(jī)械與化學(xué)粘砂，采用醇基鋯英粉快干涂料為隔熱抗粘砂涂料，涂料厚度控制為0.5 mm.鑄件在臨近澆注前9 min～16 min，對(duì)鑄型要用明火預(yù)熱。

3.2熔煉操作環(huán)節(jié)控制

1）入爐各種廢鋼材料，要求P、S含量必須小于0.05%；生產(chǎn)用錳鐵合金牌號(hào)：FeMn82C1.5；生產(chǎn)用純鋁，不準(zhǔn)含有Zn、Sn、Pb等元素。

2）生產(chǎn)用爐為堿性中頻與變頻爐，嚴(yán)禁使用工頻爐熔化鋼水。

3）爐料熔畢1 540℃～1 580℃取樣化驗(yàn)全部成分，同時(shí)調(diào)整控制爐渣堿度。

4）鐵鋁錳合金鋼水成分調(diào)配，遵循先調(diào)配硅、錳成分，最后在還原性氣氛下采取插入法進(jìn)行鋁成分調(diào)配。鋼水成分調(diào)配合格，鋼水溫度達(dá)工藝出爐溫度即刻出鋼。

5）鋼水熔化操作必須選用石灰石進(jìn)行造渣，采取沸騰凈化手段處理鋼中氣體與夾雜物；還原操作用碳粉做為還原劑，鋼水精煉期始終確保白渣狀態(tài)。

3.3鋼水出爐與鑄件澆注溫度控制

1）鋼水出爐前，在鋼包內(nèi)預(yù)加0.1%～0.3%釩鈦合金小粒進(jìn)行鋼水變質(zhì)處理。

2）依據(jù)鐵鋁錳合金材料成分組成，在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下進(jìn)行各成分組成進(jìn)行鋼水制備，利用鋼水熱分析儀檢測(cè)分析鋼水凝固點(diǎn)溫度，采用北京兵器科學(xué)研究院北方恒立科技開(kāi)發(fā)有限公司鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬CASTsoft CAE技術(shù)軟件鑄件進(jìn)行模擬凝固，最終確定鋼水出爐溫度1 590℃～1 650℃，鑄件澆注溫度1 548℃～1 615℃.

3.4熱處理規(guī)范制定

鐵鋁錳合金主要強(qiáng)化方法——析出強(qiáng)化［5］。生產(chǎn)試驗(yàn)階段根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件摸擬演示結(jié)果，設(shè)定熱處理工藝為于1 050℃～1 100℃做固溶化熱處理，再進(jìn)行快速淬火處理，并于450℃～750℃之間做時(shí)效熱處理。確保鐵鋁錳合金在淬火前為單一奧氏體，時(shí)效熱處理后有微細(xì)（FeMn3），3AlCX（X-相），（FeMn3）AlC組織顆粒出現(xiàn)。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

1）計(jì)算機(jī)軟件摸擬演示與多組不同成分試驗(yàn)試塊性能檢驗(yàn)對(duì)照，當(dāng)合金材料抗拉強(qiáng)度有所上升的同時(shí)，而伸長(zhǎng)率則有一定程度下降；

2）依據(jù)合金成分不同的鐵鋁錳合金材料經(jīng)固溶化、淬火及回火時(shí)效處理后，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)912MPa ～696 MPa；屈服強(qiáng)度可達(dá)864 MPa～369 MPa；材料的伸長(zhǎng)率可達(dá)15%～20%.典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表2.

3）同組分鐵鋁錳合金材料，熱處理固溶化及回火時(shí)效處理溫度不同，材料的理化性能不同。

表2　理化性能檢驗(yàn)對(duì)比表

5　結(jié)論

1）鐵鋁錳合金材料，是一種性?xún)r(jià)比較高的合金材料，其應(yīng)用范圍廣，成本較低廉。

2）礦用鑄件用鐵鋁錳合金材料具有良好的耐蝕性能、高的力學(xué)性能、物理性能和良好的工藝性能。

3）采用鐵鋁錳合金材料進(jìn)行礦用鑄件生產(chǎn)，應(yīng)根據(jù)具體鑄件作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行材料成分設(shè)計(jì)。同成分鐵鋁錳材料，熱處理回火溫度不同，鑄件抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率不同。

4）礦用鑄件生產(chǎn)，預(yù)先進(jìn)行鑄件計(jì)算機(jī)輔助軟件摸擬演示，準(zhǔn)確把握鑄件凝固、熱處理“淬火+回火”溫度，對(duì)獲得礦用鑄件綜合物理性能十分重要。

［1］李立，令狐東劍，張建中，等.鐵鋁錳耐熱鋼的研制與工藝［J］.鑄造設(shè)備研究，2002（03）：27-28.

［2］劉增豐.高強(qiáng)度高韌性鐵鋁錳合金鋼之研究［J］.科學(xué)發(fā)展，1989，28（12）：943-946.

［3］李隆盛.鑄鋼及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［4］李立.鐵鋁錳耐熱鋼的研制與生產(chǎn)［J］.鑄造設(shè)備研究，2002（03）：27-28.

［5］鑄工手冊(cè)編寫(xiě)組.鑄鋼手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1973：329-330.

Development of Fe-Al-Mn Alloy Castings for Mining

YANG Lin-li1，ZHANG Hong-liang1，F(xiàn)U Hong-jiang2，HE Jun3，LI Zhi-hai4，DENG Shou-liang5
（1.Angang Heavy Machinery CO.，LTD.，Anshan Liaoning 114021，China；2.Hebei Haiyue Wear-resisting Technology CO.，LTD.，Qianan Hebei 064009，China；3.Beijing Iron&Steel General Institute，Beijing 100081，China；4.Shenyang Research Institute of Foundry，Shenyang Liaoning 110022，China；.Machinery Manufacturing Company，Benxi Iron& Steel Company，Benxi Liaoning 117000，China）

The tensile strength，yield strength and elongation of Fe-Al-Mn alloy castings can be obtained by different quenching and tempering heat treatment technology.In this paper，the mining castings-Fe-Al-Mn Alloy alloy castings have been manufactured successfully by means of the components design，the computer aided simulation of solidification and the research on casting properties.It has accumulated experience for the development of the Fe-Al-Mn alloy castings.

Fe-Al-Mn alloy castings，precipitation strength，solidification simulation

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.016

TG269文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1674-6694（2016）02-0050-03

2016-01-29 作者簡(jiǎn)介：楊林利（1983-），男，漢族，遼寧鞍山人，鑄造工程師。從事鑄造工藝技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)工作。