高锰钢主要是指在较大冲击荷载作用力下，钢结构表面快速加工硬化且具有耐磨性的材料，在其长期使用过程中裂纹问题的扩展速度越慢，安全事故产生的概率就越低。目前，高锰钢铸件在多个行业发展中都有较为广泛的应用，由于高锰钢的线性收缩参数比碳钢较大，传热系数比碳钢较小，因此，在高锰钢铸件凝固和热处理期间，很容易因为铸件温度分布不均、温差过大等因素产生较高的热应力，引起裂纹问题，尤其是厚度在120mm以上的复杂高锰钢铸件，其生产期间的裂纹较难把控。
01、高锰钢铸件的裂纹分析
目前针对高锰钢加工硬化处理的机理、热处理工艺及铸造工艺的研究较多，却少有对高锰钢铸件裂纹问题的研究，但在高锰钢铸件使用期间，经常会遇到由于铸件裂纹问题导致的各项安全隐患。其中，高锰钢前导轮铸件作为挖掘机电铲的关键零件，铸件的质量、尺寸都会对设备后续使用造成影响。由于高锰钢前导轮铸件的结构较为复杂，最大壁厚在142mm，导致在生产期间裂纹问题的把控不够理想。在复杂厚大高锰钢铸件生产期间，经过射线探伤技术对铸件预处理后的毛坯质量进行检测，发现两孔侧和圆弧位置都存在尺寸大小不一致的裂纹，实际尺寸长度在25mm的裂纹较多，少数裂纹会在50mm左右，如图1所示，从而对高锰钢铸件使用年限和成品率造成影响。为此，在前期诊断工作期间，需对高锰钢铸件裂纹形成原因进行分析和研究。
02、试验材料以及试验方法
2.1 试验材料
在本次研究工作开展期间，主要以型号为ZG100Mn13高锰钢铸件为研究材料，经过电炉冶炼的方式后进行真空精炼，对钢水中含氧量以及合金元素的氧化倾向进行控制。随后对铸件试块进行取样，在经过化学试验分析后，获取详细的化学成分表，如表1所示，按照国标GB/T 5680—2023《奥氏体锰钢铸件》中的规定，对铸件中的化学成分进行划分。
2.2 试验方法
为了能够对高锰钢铸件裂纹试样情况进行详细检测，需要针对铸件表面使用PT着色将表面裂纹的准确位置和裂纹走向进行显示，随后在裂纹位置切割20mm×25mm×20mm的裂纹试样，如果铸件表面存在完整的裂纹，需要适当对裂纹试样大小进行调整，通常情况下会选择参数在30mm×30mm×20mm的范围之内。在经过试样抛光处理后，使用4%含量的硝酸酒精溶液对试样进行浸泡处理，在6s后捞出试样，将试样放在光学显微镜等扫描设备的镜头下，对铸件组织结构、裂纹情况进行观察，并详细对裂纹形成原因进行分析和判断。
03、高锰钢铸件裂纹形成原因分析
3.1 材料与冶金因素
根据试验检测工作的开展，化学成分控制不合理是造成高锰钢铸件裂纹的主要因素。在化学成分不合理的情况下，高锰钢材料性能下降，进而在铸件表面形成较明显的裂缝。目前的分析中，当高锰钢中的碳元素和磷元素含量超过标准后，会增加高锰钢逐渐裂缝的生成风险。碳元素含量过高，再经过热处理工艺会导致晶界析出碳化物，在材料受力的情况下晶界的开裂风险较高，也是造成高锰钢铸件材料出现裂纹的主要因素。而当材料中的磷元素增加，很容易导致脆性磷共晶的产生，降低晶界的强度和韧性，导致钢铸件的整体性能降低。此外，在高锰钢铸件冶金期间，存在的缺陷问题也是影响材料性能的关键要素之一。当冶金期间出现缩孔、气孔、夹渣等缺陷，都会在材料中形成应力集中点，而应力集中区域在外部受力的情况下很容易引起裂纹。同时，如果钢液中FeO和MnO的含量超过2%，会进一步加重晶界的脆性效果，增加材料受力开裂的概率。
3.2 铸造工艺缺陷问题
在高锰钢铸件生产期间，如果不能及时控制浇铸温度，很容易导致铸件质量受到影响。在铸造期间所选择的浇铸温度过高，会使浇铸后的凝固时间延长，导致晶体结构变得粗大，不仅会对铸件的整体性能造成影响，还会导致后续铸件的热应力加大，进一步加重铸件裂纹的情况。而当铸造期间的浇铸温度过低，导致金属熔液的流动性减弱，难以保证模具的填充效果，在凝固期间会引起冷隔或者补缩不足的情况，严重影响铸件的完整性和致密性。同时，在研究工作中发现，浇铸后的冷却不均匀、退让性不足，也会引起厚大复杂高锰钢铸件裂纹问题。通常情况下，高锰钢铸件厚大部位的冷却时间较长，而薄壁区域的冷却速度较短，在厚度的影响下导致冷却期间的温差过大，应力集中问题较为明显，引起高锰钢逐渐变形或者裂纹的情况。在铸型的退让性的影响下，凝固收缩期间的阻碍加重拉应力的产生，进而提升铸件开裂的风险。此外，冒口作为补缩铸件凝固过程中产生的收缩空洞，如果存在尺寸不合理的设计问题，如直径小于热节厚度的1.5~2倍，或者低温切割的情况，必定会导致冒口的补缩效果不满足预期状态，逐渐局部的补缩力度不足，产生较为严重的应力集中情况，严重的情况下甚至会导致铸件报废。
3.3 热处理工艺缺陷
目前，在厚大复杂高锰钢铸件生产期间，加热速率与保温不足是热处理工艺中较为常见的问题，也是引起高锰钢铸件裂纹的主要因素。在热处理期间，如果加热的实际速率过快，或者没有及时对铸件材料进行合理的预保温处理，都会导致在预处理后出现铸件内外温度差过大，热应力集中的情况，不仅会对高锰钢铸件稳定性和机械性造成影响，还会引起铸件裂纹的质量缺陷。此外，在热处理期间由于材料中的碳元素含量过高，在处理期间会产生大量的碳化物，对高锰钢铸件质量产生危害。由于碳化物的质地较硬，如果热处理期间不能对碳化物进行控制，必定会导致晶界结构的韧性减弱，增加铸件开裂的风险，降低铸件综合性能，对后续加工和使用造成严重危害。
3.4 设计结构不合理
厚大复杂高锰钢铸件结构设计期间，由于受到壁厚差异过大、过渡区域圆角过小，或是结构中存在断面突变等因素的影响，导致高锰钢铸件的应力集中问题较为明显，导致最终生产质量降低。应力集中作为结构力学中常见危害问题，当铸件结构产生应力集中问题之后，经常会引起结构承受较大的荷载，出现过早损坏的问题。当壁厚差异过大的情况下，高锰钢铸件的薄区和厚区应力分布不够均匀，薄区经常需要承受更多的应力，导致塑性变形或断裂问题的产生。同时过渡区域圆角过小，导致在铸件使用期间应力在过渡区的应力不断提升，局部应力超过铸件平均应力接受水平，进而引起铸件开裂情况。此外，在目前高锰钢铸件结构设计期间，“+”形结构的产生，也会引起应力集中的情况，导致高锰钢铸件长时间处于高度应力集中的状态，在铸件使用期间很容易产生疲劳性损坏或者脆性断裂。
04、高锰钢铸件裂纹的改善措施
4.1 优化高锰钢铸件的化学成分
首先，为确保厚大复杂高锰钢铸件裂纹问题的有效控制，在铸造期间可以使用优化化学成分的方式，通过对碳元素、硫元素、磷元素等含量的严格控制，提升高锰钢铸件的韧性，从而减少裂纹的产生。并且，按照厚大复杂高锰钢铸件的使用需求，对碳元素的含量进行控制，对高锰钢铸件硬度进行控制的基础上，避免铸件结构内部产生较高的应力，进而减少裂纹产生的风险。其次，在冶炼高锰钢铸件的过程中，可以采用精炼技术，如真空脱气、炉外精炼等，有效地去除材料中含有碳、硫、磷等元素，如果材料中硫元素、磷元素含量过多，必定严重降低高锰钢铸件的韧性，增加铸件裂纹产生的概率。最后，碳元素作为高锰钢的主要合金元素，对提升铸件的硬度和韧性有着重要的影响，为保障厚大复杂高锰钢铸件的使用效果，需要根据铸件的使用环境和性能需求，对碳元素的实际含量进行把控，进而提升高锰钢铸件的硬度和韧性平衡状态，提高厚大复杂高锰钢铸件质量和性能。
4.2 改进高锰钢铸件的铸造工艺
有效改进高锰钢铸件的尺寸和壁厚，在浇铸期间严格控制浇铸的实际温度，可保证铸件在凝固期间的均匀散热效果。由于高锰钢结构局部散热不均匀会导致内部温差过大、应力集中，可对浇注温度的精准控制，保障铸件在凝固散热期间的均匀效果，进而提升铸件生产的质量。同时，在散热期间要及时对冷却速度和铸型退让性的情况进行把控，通过对冷却介质类型、流量和温度的把控，加强冷却速度的控制效果。同时，对铸型材料和设计方式进行改进，加强铸件在冷却期间自由收缩的能力，进而有效降低铸件内部应力和裂纹的产生。而针对浇铸系统的设计来讲，通过优化浇铸系统的布局和尺寸，能够增强金属溶液的流动性效果，保证金属溶液能够平稳、均匀地流入型腔，避免局部过热导致的应力集中问题，加强金属溶液的填充能力，及时对铸件的微观组织结构进行改善，实现高锰钢铸件力学性能的充分提升。
4.3 完善热处理工艺
在高锰钢铸件热处理过程中，材质特性和铸件尺寸都是影响热处理效果的主要因素，为此在热处理期间需要科学合理地对淬火温度及加热速度进行控制。在铸件淬火的过程中，技术人员要保证内部组织结构均匀散热的效果，避免散热不均匀导致问题的产生。同时，对回火工艺进行把控，及时调整回火温度、时间以及氛围等参数，确保铸件在回火过程中，能够充分释放铸件内部的应力，增强铸件的韧性和稳定性效果，从而避免铸件在后续使用期间出现变形或者排列的问题，进一步增强厚大复杂高锰钢铸件的综合机械性能和适用效果，减少高锰钢铸件裂纹产生引起的安全问题。
此外，目前在热处理工艺使用期间，水韧处理和冷却处理作为热处理的主要工艺技术。在水韧处理的过程中，厚大复杂高锰钢铸件需要在650℃的环境下保温，确保铸件内外温差平衡之后，提升温度到水韧处理的所需温度。在冷却处理期间，当厚大复杂高锰钢铸件淬火期间，要避免出现剧烈冷却，可以使用喷雾冷却活着分阶段降温的方式。
4.4 焊接与修复技术
在厚大复杂高锰钢铸件制造期间，焊接工艺技术对铸件质量会产生直接影响，为此在焊接操作之前，需要对裂纹区域进行全面的清理，确保可以去除能够影响焊接质量的杂质，确保铸件焊接的质量。在焊接期间需要对焊接接头的强度、可靠性进行分析，进而更好的保证后续铸件使用效果。目前，为了能够对焊接质量进行保障，需要使用低线能量的焊接方法，常见的包括手弧焊，在手弧焊使用中，可以对焊接期间产生的热量情况进行控制，减少因为焊接热量导致的硬化和变形情况，进而对厚大复杂高锰钢铸件焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能进行保障。在焊接工作完成之后，不需要进行与热处理，对控制层间温度进行把控，避免因为热量堆积对焊接接头质量产生影响，通过对焊接与修复技术的把控，进一步对焊接接头质量问题进行改善，提升厚大复杂高锰钢铸件的性能和质量。
05、结论
厚大复杂高锰钢铸件的裂纹是材料、工艺、结构等多因素综合作用下，产生的必然结果。为了能够更好地提升厚大复杂高锰钢铸件生产效果，在铸件生产期间需要合理改善生产期间的化学成分，对铸造工艺进行优化，加强热处理工艺的效果，不断提升铸件生产质量，进一步对厚大高锰钢铸件的裂纹进行把控，加强铸件使用的机械性能，促进相关行业的进步与发展。
