矿用铁铝锰合金铸件的开发

杨林利，张洪亮，付宏江，何　俊，李子海，邓守梁（.鞍钢重型机械有限责任公司，辽宁鞍山 0；.河北海钺耐磨科技有限公司，河北迁安 06009；.北京钢铁研究总院，北京 0008；.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳 00；.本溪钢铁公司机械制造公司产品研发处，辽宁本溪　7000）

矿用铁铝锰合金铸件的开发

杨林利1，张洪亮1，付宏江2，何俊3，李子海4，邓守梁5
（1.鞍钢重型机械有限责任公司，辽宁鞍山 114021；2.河北海钺耐磨科技有限公司，河北迁安 064009；3.北京钢铁研究总院，北京 100081；4.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳 110022；5.本溪钢铁公司机械制造公司产品研发处，辽宁本溪117000）

铁铝锰合金铸件通过不同“淬火+回火”热处理工艺，可获取不同的抗拉强度、屈服强度与伸长率。本文通过铸件成分设计、计算机辅助模拟凝固与铸件性能预判研究，成功的研发出了矿用铸件——铁铝锰合金铸件，为铁铝锰合金铸件的开发积累了经验。

铁铝锰合金铸件；析出强化；模拟凝固

铁铝锰合金铸件，在上个世纪80年代国外就有一些相关介绍［1-3］，而我国关于铁铝锰合金铸件的研究工作是1959年开始进行的［4］。多年的铁铝锰合金铸件生产与产品使用验证，铁铝锰合金铸造性能虽好，成形性较佳，但铸件易变形、开裂与抗氧化腐蚀能力差等问题，制约了铁铝锰合金铸件的推广与使用。

2012年河北海钺耐磨科技有限公司接到蒙古国矿用铸件订单，这批铸件结构比较复杂，几何尺寸公差小，在常规机械性能要求外，特别要求具有较好的耐低温力学性能，即在-50℃低温时仍保有较好的强韧性，并兼具抗大气水气腐蚀浸润。

为按时完成生产任务订单与生产出合格的高强韧性矿用铸件，河北海钺耐磨科技有限公司与北京钢铁研究总院、沈阳铸造研究所、鞍钢重型机械有限责任公司、本钢钢铁公司机械制造公司产品研发处等单位合作，仔细研判铸件的结构、作业工况及用户的要求，发现铁铝锰合金材料［5］有较优良的耐低温性能，且强韧度兼具。其材料密度：6.8 g/cm3、抗拉强度：110 ksi～140 ksi、屈服强度：75 ksi～90 ksi （1 ksi=6.895 MPa）、伸长率：58.9%～45%，因此决定选用铁铝锰合金材料生产该批铸件。拟通过合金材料微合金化、钢水变质处理与热处理控制技术，着重解决铸件易变形、开裂与抗氧化腐蚀能力差等问题，以满足矿用铸件工况作业使用要求。常规矿用铸件见图1、图2.

2　化学成份的选择

1）为充分考虑铁铝锰合金材料在低温状态下具有优良的耐低温性能，兼顾考虑矿用铸件在工况作业过程中具有一定的抗腐蚀、抗变形、抗开裂与蠕变能力，力求强韧度兼具。

图1 露天矿电铲铲斗后部

图2 破碎机轧臼壁

锰，具有扩大奥氏体相区的作用，使钢的金相组织转变为奥氏体和铁素体。然而高于35%，则脆性增大，降低铸件力学性能。锰成分质量分数，选择在19%～34%［6］.

铝，能形成铸件保护膜，提高铸件的防腐蚀性能。但其含量高于10%时，则降低铸件的韧性及延伸率。资料介绍［7］，当铝含量质量分数达7%左右时，可使钢具有铁素体和碳化物的组织。铝成分质量分数，选择在4.6%～10%之间。

碳，在铁铝锰合金材料中能够促进奥氏体稳定并具有使铸件硬化效果。资料［7］试验数据介绍，当碳含量质量分数在0.5%～0.8%，碳硅比1∶2时，该钢种具有最佳的高温抗氧化性和高温强度。矿用铁铝锰合金铸件，为提高其耐磨性与抗变形性能，兼顾抗断裂性能，碳成分质量分数，选定在0.6%～1.8%；硅成分质量分数，选定在0.4%～1.8%.

钼，在钢中能够起到细化晶粒的作用［8］，提高淬透性和热强性，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。在钢中加入一定含量的钼，还可以抑制与去除钢在回火过程中的脆性。在铁铝锰合金材料，钼成分质量分数控制＜1.5%.

2）矿用铁铝锰合金铸件成分选择，见表1.

表1 化学成分（质量分数，%）

3　主要工艺技术参数

3.1造型材料与涂料

铸件造型及型芯，采用CO2硬化水玻璃砂。为预防铸件浇注发生机械与化学粘砂，采用醇基锆英粉快干涂料为隔热抗粘砂涂料，涂料厚度控制为0.5 mm.铸件在临近浇注前9 min～16 min，对铸型要用明火预热。

3.2熔炼操作环节控制

1）入炉各种废钢材料，要求P、S含量必须小于0.05%；生产用锰铁合金牌号：FeMn82C1.5；生产用纯铝，不准含有Zn、Sn、Pb等元素。

2）生产用炉为碱性中频与变频炉，严禁使用工频炉熔化钢水。

3）炉料熔毕1 540℃～1 580℃取样化验全部成分，同时调整控制炉渣碱度。

4）铁铝锰合金钢水成分调配，遵循先调配硅、锰成分，最后在还原性气氛下采取插入法进行铝成分调配。钢水成分调配合格，钢水温度达工艺出炉温度即刻出钢。

5）钢水熔化操作必须选用石灰石进行造渣，采取沸腾净化手段处理钢中气体与夹杂物；还原操作用碳粉做为还原剂，钢水精炼期始终确保白渣状态。

3.3钢水出炉与铸件浇注温度控制

1）钢水出炉前，在钢包内预加0.1%～0.3%钒钛合金小粒进行钢水变质处理。

2）依据铁铝锰合金材料成分组成，在实验室状态下进行各成分组成进行钢水制备，利用钢水热分析仪检测分析钢水凝固点温度，采用北京兵器科学研究院北方恒立科技开发有限公司铸造工艺设计及模拟CASTsoft CAE技术软件铸件进行模拟凝固，最终确定钢水出炉温度1 590℃～1 650℃，铸件浇注温度1 548℃～1 615℃.

3.4热处理规范制定

铁铝锰合金主要强化方法——析出强化［5］。生产试验阶段根据计算机软件摸拟演示结果，设定热处理工艺为于1 050℃～1 100℃做固溶化热处理，再进行快速淬火处理，并于450℃～750℃之间做时效热处理。确保铁铝锰合金在淬火前为单一奥氏体，时效热处理后有微细（FeMn3），3AlCX（X-相），（FeMn3）AlC组织颗粒出现。

4　试验结果分析

1）计算机软件摸拟演示与多组不同成分试验试块性能检验对照，当合金材料抗拉强度有所上升的同时，而伸长率则有一定程度下降；

2）依据合金成分不同的铁铝锰合金材料经固溶化、淬火及回火时效处理后，其抗拉强度可达912MPa ～696 MPa；屈服强度可达864 MPa～369 MPa；材料的伸长率可达15%～20%.典型的试验数据对比，见表2.

3）同组分铁铝锰合金材料，热处理固溶化及回火时效处理温度不同，材料的理化性能不同。

表2　理化性能检验对比表

5　结论

1）铁铝锰合金材料，是一种性价比较高的合金材料，其应用范围广，成本较低廉。

2）矿用铸件用铁铝锰合金材料具有良好的耐蚀性能、高的力学性能、物理性能和良好的工艺性能。

3）采用铁铝锰合金材料进行矿用铸件生产，应根据具体铸件作业特点进行材料成分设计。同成分铁铝锰材料，热处理回火温度不同，铸件抗拉强度与伸长率不同。

4）矿用铸件生产，预先进行铸件计算机辅助软件摸拟演示，准确把握铸件凝固、热处理“淬火+回火”温度，对获得矿用铸件综合物理性能十分重要。

［1］李立，令狐东剑，张建中，等.铁铝锰耐热钢的研制与工艺［J］.铸造设备研究，2002（03）：27-28.

［2］刘增丰.高强度高韧性铁铝锰合金钢之研究［J］.科学发展，1989，28（12）：943-946.

［3］李隆盛.铸钢及其熔炼［M］.北京：机械工业出版社，1982.

［4］李立.铁铝锰耐热钢的研制与生产［J］.铸造设备研究，2002（03）：27-28.

［5］铸工手册编写组.铸钢手册［M］.北京：机械工业出版社，1973：329-330.

Development of Fe-Al-Mn Alloy Castings for Mining

YANG Lin-li1，ZHANG Hong-liang1，FU 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文献识别码：A

1674-6694（2016）02-0050-03

2016-01-29 作者简介：杨林利（1983-），男，汉族，辽宁鞍山人，铸造工程师。从事铸造工艺技术和产品研发工作。