ZGMn13鋼球磨機襯板破裂分析

田玉偉 左海霞

（本鋼技術中心，遼寧本溪 117000）

ZGMn13鋼球磨機襯板破裂分析

田玉偉 左海霞

（本鋼技術中心，遼寧本溪 117000）

本文主要對ZGMn13鋼球磨機襯板破裂的原因進行了分析，發現襯板破裂的原因主要是因為水韌處理時冷速不足造成的，鑄造疏松和較多的非金屬夾雜物存在對鋼的韌性也不利，并相應的提出了一定的改正預防措施。

ZGMn13鋼 破裂分析 冷速

在強沖擊、大壓力的環境下，ZGMn13鋼的耐磨性能非常優良，具有高的抗拉強度、塑性和韌性以及無磁性，即使零件磨損到很薄，仍能承受較大的沖擊載荷而不致破裂，可用于鑄造各種耐沖擊的磨損件， 如球磨機襯板、挖掘機斗齒、破碎機牙板等。但是如果生產工藝不當，產品容易出現質量問題，本文就ZGMn13鋼球磨機襯板的破裂原因進行了分析。

1 實驗材料與方法

本實驗中所采用的試樣來自于某鑄造廠生產的ZGMn13鋼球磨機襯板。該批襯板在使用中僅運行了50小時，就出現了破裂。襯板經過鑄造和水韌處理而成，其化學成分和水韌處理工藝如表1：

水韌處理工藝：工件300℃入爐，以每小時20度的速度加熱到650℃，保溫2.5小時，然后升溫到1070℃，保溫3小時，水淬。

2 實驗結果及分析

從襯板的破裂源處截取金相試樣、布氏硬度試樣，進行金相檢驗和硬度檢驗。從金相檢驗來看，襯板斷口比較平齊，表現出脆性斷口特征。襯板表層試樣中晶界上存在著較多的鑄造疏松，還有較多呈串鏈的球形氧化物夾雜物。

觀察經過4%硝酸酒精溶液侵蝕，6%鹽酸酒精溶液擦洗后的試樣，金相顯微組織為粗大的奧氏體，沿晶界分布網狀碳化物主要為析出的針狀碳化物。未溶碳化物評為W3級，未溶碳化物以塊狀沿晶界聚集分布；析出碳化物評定為X7級，析出碳化物形態以條狀、片狀、粗針狀沿晶界兩側呈粗網狀分布，如圖1（a）所示。襯板的布氏硬度為HB290。

表1 鋼的化學成分（質量分數/%）Table1 The chemical composition of the steel （wt/%）

高錳鋼的鑄造性能較好。鋼的熔點低（約為1400℃），鋼的液、固相線溫度間隔較小（約為50℃），鋼的導熱性低，因此鋼水流動性好，易于澆注成型。高錳鋼的線膨脹系數為純鐵的1.5倍，為碳素鋼的2倍，故鑄造時體積收縮和線收縮率均較大，容易出現應力和裂紋。高錳鋼的導熱性較差，凝固時線收縮的敏感性較大，因此當鑄造工藝欠佳時，凝固補縮不良，易沿奧氏體晶界形成分散分布的顯微疏松孔隙，這不但會降低鑄件的力學性能，而且會影響鑄件的耐磨性和使用壽命。襯板表層的局部存在著顯微疏松，說明鋼液凝固時存在著補縮不良的情況，顯微疏松孔隙的存在會降低鑄件的強韌性，在鑄件的使用過程中，存在顯微疏松孔隙的地方會產生應力集中，從而成為引起鑄件破裂的裂紋源。

襯板顯微組織中存在較重的非金屬夾雜物。高錳鋼中含有較多的氧化物如MnO、Al2O3、SiO2等，這些非金屬物質的存在，嚴重減弱鋼的晶間強度，惡化鋼的耐磨性以及力學性能。當MnO和FeO、SiO2等結合時，其產物熔點低且大量存在于枝晶之間，凝固后沿晶界分布，對鋼的強度、韌性和塑性都有危害，并且降低了鋼的連續性，使襯板容易破裂。

高錳鋼的鑄態組織通常是由奧氏體、碳化物所組成，有時還含有少量的磷共晶。碳化物數量多時，常在晶界上呈網狀出現。因此鑄

圖1 鋼的顯微組織Fig.1 the microstructures of the steel

態組織的高錳鋼很脆，無法使用，需要進行固溶處理。通常使用的固溶處理方法是將鋼加熱到1050～1100℃，保溫消除鑄態組織，得到單相奧氏體組織，然后水淬，使此種奧氏體組織保持到常溫。熱處理后，鋼的強度、塑性和韌性均大幅度提高，所以此種熱處理方法也常稱為水韌處理。

從襯板的中心部位取樣，發現襯板的顯微組織為奧氏體加較多的碳化物。從碳化物的形態可以看出這類碳化物是由于水韌處理時冷卻速度不足，造成固溶的碳在冷卻過程中析出產生的。分析冷速不足的原因發現工件是夏天生產的，冷確水本身的溫度較高，接近30度，而且工件大，冷卻水池也比較小，這些原因造成工件水韌處理的冷速不足。碳化物的析出降低了鋼中固溶碳的含量，減弱了碳的固溶強化作用，同時碳化物在奧氏體晶界析出，由于碳化物硬而脆，所以降低了鋼的力學性能。高錳鋼之所以有良好的耐磨性，是因為其在發生塑性變形時，產生形變強化的結果，強化本質就是晶格的扭曲和位錯塞集，在變形層內有明顯的加工硬化現象，表層硬度大幅度提高，而內部的奧氏體仍然具有良好的韌性。工件在受沖擊載荷作用的冷變形過程中，由于位錯密度大量增加，位錯的交割、位錯的塞積及位錯和溶質原子的交互作用使鋼得到強化。這是加工硬化的重要原因。另一個重要原因則是高錳鋼奧氏體的層錯能低，形變時容易出現堆垛層錯，從而為ε馬氏體的形成和形變孿晶的產生創造了條件。從高錳鋼的形變硬化層中常可以看到高密度位錯、位錯塞積和纏結。ε馬氏體和形變孿晶的出現使鋼難以變形，尤其是后者的作用更大。上述各種因素都使高錳鋼的硬化層得到很高程度的強化，硬度大幅度提高。因此在生產中要加速冷卻，使碳、錳等化學元素固溶在鋼中，充分發揮固溶原子與位錯的作用，來提高鋼的變形加工硬化。

3 改正預防措施

首先通過改進澆注系統和冒口布置的設計來改進澆注時鋼液的流動，消除補縮不良，消除顯微疏松。其次增大冷卻水池的容量，并且加大水池的換水量，以確保水溫保持在30℃以下，減少工件出爐到入水的時間，要求不超過30s，水淬之后水溫低于70℃，來增加冷速。經過上述的改進，產品的顯微組織為奧氏體加極少量的碳化物（圖1b），布氏硬度為HB240。工件的耐磨性和韌性都滿足要求，使用壽命也滿足要求。

4 結語

（1）ZGMn13鋼球磨機襯板破裂的主要原因是因為冷速不足造成的。

（2）通過改進澆注系統和冒口布置的設計來消除顯微疏松。通過增加冷速減少碳化物的析出，使工件的耐磨性和韌性都滿足要求。

The cracking analysis of ZGMn13 steel is studied in this article. The results indicate that the cooling rate is not enough to make cracking of the steel and Casting porosity， non-metallic inclusion in the steel also damage the toughness. Some improved methods are put forward.

ZGMn13 steel cracking analysis cooling rate

田玉偉（1974—），男，漢族，學歷：研究生，職稱：高級工程師；主要從事產品研發和質量控制中的物理檢測分析工作；左海霞，工作單位：本鋼技術中心。