[科普中国]-高锰钢

简介高锰钢的来源

1882年第一次获得奥氏体组织的高锰钢，1883年英国人哈德菲尔德(R．A．Hadfield)取得了高锰钢专利。高锰钢依其用途的不同可分为两大类：

耐磨钢这类钢含锰10%～15%，碳含量较高，一般为0.90%～1.50%，大部分在1．0%以上。其化学成分为(%)：

C0．90～1．50Mn10.0～15．0

Si0．30～1.0 S≤0.05 P≤0.10这类高锰钢的用量最多，常用来制作挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板、铁路辙岔、板锤、锤头等。

上述成分的高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成，有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时，常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆，无法使用，需要进行固溶处理。通常使用的热处理方法是固溶处理，即将钢加热到1050～1100℃，保温消除铸态组织，得到单相奥氏体组织，然后水淬，使此种组织保持到常温。热处理后钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高，所以此种热处理方法也常称为水韧处理。热处理后力学性能为：σb615～1275MPa σs340～470MPa ζ15%～85% ψ15%～45% aKl96～294J/cm2 HBl80～225

低冲击载荷时，可以达到HB300～400，高冲击载荷时，可以达到HB500～800。随冲击载荷的不同，表面硬化层深度可达10～20mm。高硬度的硬化层可以抵抗冲击磨料磨损。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下，有优异的抗磨性能，故常用于矿山、建材、火电等机械设备中，制作耐磨件。在低冲击工况条件下，因加工硬化效果不明显，高锰钢不能发挥材料的特性。

中国常用的高锰钢的牌号及其适用范围是：ZGMn13—1(C 1.10%～1.50%)用于低冲击件，ZGMn13—2(C1.00%～1.40%)用于普通件，ZGMn13—3(C0.90%～1.30%)用于复杂件，ZGMn13-4(C0.90%~1.20%)用于高冲击件。以上4种牌号钢的锰含量均为11.0%～14.0%。

在冲击载荷作用的冷变形过程中，由于位错密度大量增加，位错的交割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使钢得到强化。这是加工硬化的重要原因。另一个重要原因则是高锰奥氏体的层错能低，形变时容易出现堆垛层错，从而为ε马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。常规成分的高锰钢的形变硬化层中常可以看到高密度位错、位错塞积和缠结。ε马氏体和形变孪晶的出现使钢难以变形，尤其是后者的作用更大。上述各种因素都使高锰钢的硬化层得到很高程度的强化，硬度大幅度提高。

高锰钢极易加工硬化，因而很难加工，绝大多数是铸件，极少量用锻压方法加工。高锰钢的铸造性能较好。钢的熔点低(约为1400℃)，钢的液、固相线温度间隔较小，(约为50℃)，钢的导热性低，因此钢水流动性好，易于浇注成型。高锰钢的线膨胀系数为纯铁的1．5倍，为碳素钢的2倍，故铸造时体积收缩和线收缩率均较大，容易出现应力和裂纹。

为提高高锰钢的性能进行过很多合金化、微合金化、碳锰含量调整和沉淀强化处理等方面的研究，并在生产实践中得到应用。介稳奥氏体锰钢的出现则可较局gao大幅度降低钢中碳、锰含量并使钢的形变强化速度提高，可适用于高和中低冲击载荷的工况条件，这是高锰钢的新发展。

无磁钢这类钢含锰大于17%，碳含量一般均在1.0%以下，常在电机工业中用于制作护环等。这类钢的密度为7.87～7.98g/cm3。由于碳、锰含量均高，钢的导热能力差。导热系数为12.979W/(m·℃)，约为碳素钢的1/3。由于钢是奥氏体组织，无磁性，其磁导率μ为1.003～1.03(H/m)。

铸造工艺在高能量冲击的工作条件下，高锰钢与超高锰钢铸件的应用范围是广阔的。许多铸造厂，对生产此类钢种铸件缺乏必要的认识。现对具体操作做简要的说明，供生产者参考。

化学成分高锰钢按照国家标准分为5个牌号，主要区别是碳的含量，其范围是0.75%－1.45%。受冲击大，碳含量低。锰含量在11.0%－14.0%之间，一般不应低于13%。超高锰钢尚无国标，但锰含量应大于18%。硅含量的高低，对冲击韧度影响较大，故应取下限，以不大于0.5%为宜。低磷低硫是最基本的要求，由于高的锰含量自然起到脱硫作用，故降磷是最要紧的，设法使磷低于0.07%。铬是提高抗磨性的，一般在2.0%左右。

炉料入炉材料是由化学成分决定的。主要炉料是优质碳素钢（或钢锭）、高碳锰铁、中碳锰铁、高碳铬铁及高锰钢回炉料。这里特别提醒的是由人认为只要化学成分合适，就可以多用回炉料。这个认识是有害的。某些厂之所以产品质量不佳，皆出于此。不仅高锰钢、超高锰钢，凡是金属铸件，绝不可以过多的使用回炉料，回炉料不应超过25%。那么，回炉料过剩该如何？只要把废品降到最低，回炉料就不会过剩。

熔炼这里着重讲加料顺序，无论用中频炉，还是电弧炉熔炼，总是先熔炼碳素钢，而各类锰铁和其他贵重合金材料，要分多次，每次少量入炉，贵重元素在最后加入，以减少烧损。料块应尽量小些，以50－80mm为宜。熔清后，炉温达到1580－1600℃时，要脱氧、脱氢、脱氮，可用铝丝，也可用Si-Ca合金或SiC等材料。将脱氧剂一定压到炉内深处。金属液面此时用覆盖剂盖严，隔断外界空气。还要镇静一段时间，使氧化物、夹杂物有充足时间上浮。然而，不少企业，只将铝丝甚至铝屑，撒再金属液面上，又不加覆盖，岂不白白浪费！在此期间，及时用中碳锰铁来调整锰与碳的含量。

钢液出炉前，将浇包烘烤到400℃以上是十分必要的。在出炉期间用V-Fe、Ti-Fe、稀土等多种微量元素做变质处理，是使一次结晶细化的必要手段，它对产品性能影响是至关重要的。

炉料与造型材料要延长炉令，当分清钢种与炉衬的属性。锰钢属碱性，炉衬当然选用镁质材料。捣打炉衬要轮番周而复始换位操作。添加炉衬材料不可过厚，每次80厘米左右为宜，捣毕要低温长时间烘烤。如提高生产效率，笔者建议采用成型坩埚（沈阳力得厂和恒丰厂均又成品出售），从拆炉捣装成，不用1小时，即可投入生产，同时成型坩埚对防穿炉大裨益。当然，炉令的长短与操作者大又关系。不少操作者像掷铅球的运动员一样，把炉料从三四米之外投入炉内，既不安全又伤炉令，应将炉料置于炉口旁预热，然后用夹子慢慢地将炉料顺炉料置于炉口旁预热，然后用夹子慢慢地将炉料顺炉壁放入。

造型材料和涂料也应与金属液属性相一致，或者用中兴材料（如铬铁矿砂、棕刚玉等）。若想获得一次结晶细化的集体，采用蓄热量大的铬铁矿砂是正确的，尤其是消失模生产厂，用它将克服散热慢的缺点。

铸造工艺设计锰钢的特点是凝固收缩大，散热性差，据此，在工艺设计中铸造收缩率取2.5%－2.7%，铸件越长大、越应取上限。型砂与砂芯的退让性一定要好。浇注系统采取开放式。多个分散的内浇道从铸件的薄壁处引入，且成扁而宽的喇叭状，靠近铸件处的截面积大于与横浇道相联的截面积，使金属液快速平稳地注入铸型，防止整个铸型内的温差过大。冒口直径要大于热节直径，紧靠热节，高度是直径的2.5－3.0倍，必须采用热冒口甚至浇冒口合一，让充足的高温金属液来不足铸件在凝固收缩时之空位。将直浇道、冒口位于高处（砂箱有5－8。的斜度）也是正确的。浇注时尽可能低温快浇。一旦凝固，要及时松砂箱。聪明的设计师总是善于利用冷铁，包括内冷铁于外冷铁，它既细化一次结晶，消除缩孔、缩松，又提高工艺出品率，当然，适宜的用量和规格是应该考虑的。内冷铁要干净、易熔，用量以少为宜。外冷铁的三维尺寸与冷却物的三维尺寸为0.6－0.7倍的函数关系。过小不起作用，过大造成铸件开裂。铸件在型内要长时间保温，直到低于200℃再开箱。

热处理通常采用高温台车式电炉进行。热处理开裂，是低温阶段升温过快所致。故正确的操作是350℃以下，升温速度0.5min），这一切都影响铸件质量。入水温度应