哈德菲爾德高錳鋼

含錳量在10%以上的合金鋼。1882年第一次獲得奧氏體組織的高錳鋼

基本介紹

• 中文名：哈德菲爾德高錳鋼
• 概念：含錳量在10%以上的合金鋼
• 用途：耐磨鋼
• 作用：常用來製作挖掘機的鏟齒

介紹

含錳量在10%以上的合金鋼。1882年第一次獲得奧氏體組織的高錳鋼，1883年英國人哈德菲爾德(R．A．Hadfield)取得了高錳鋼專利。高錳鋼依其用途的不同可分為兩大類：

耐磨鋼

這類鋼含錳10%～15%，碳含量較高，一般為0.90%～1.50%，大部分在1．0%以上。其化學成分為(%)：

C0．90～1．50Mn10.0～15．0

Si0．30～1.0S≤0.05P≤0.10這類高錳鋼的用量最多，常用來製作挖掘機的鏟齒、圓錐式破碎機的軋面壁和破碎壁、顎式破碎機岔板、球磨機襯板、鐵路轍岔、板錘、錘頭等。

上述成分的高錳鋼的鑄態組織通常是由奧氏體、碳化物和珠光體所組成，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。通常使用的熱處理方法是固溶處理，即將鋼加熱到1050～1100℃，保溫消除鑄態組織，得到單相奧氏體組織，然後水淬，使此種組織保持到常溫。熱處理後鋼的強度、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。熱處理後力學性能為：σb615～1275MPaσ0.2340～470MPaζ15%～85%ψ15%～45%aKl96～294J/cm2HBl80～225

高錳鋼經過固溶處理後還會有少量的碳化物未溶解，當其數量較少符合檢驗標準時，仍可使用。

奧氏體組織的高錳鋼受到衝擊載荷時，金屬表面發生塑性變形。形變強化的結果，在變形層內有明顯的加工硬化現象，表層硬度大幅度提高。低衝擊載荷時，可以達到HB300～400，高衝擊載荷時，可以達到HB500～800。隨衝擊載荷的不同，表面硬化層深度可達10～20mm。高硬度的硬化層可以抵抗衝擊磨料磨損。高錳鋼在強衝擊磨料磨損條件下，有優異的抗磨性能，故常用於礦山、建材、火電等機械設備中，製作耐磨件。在低衝擊工況條件下，因加工硬化效果不明顯，高錳鋼不能發揮材料的特性。

中國常用的高錳鋼的牌號及其適用範圍是：ZGMn13—1(C1.10%～1.50%)用於低衝擊件，ZGMn13—2(C1.00%～1.40%)用於普通件，ZGMn13—3(C0.90%～1.30%)用於複雜件，ZGMn13-4(C0.90%~1.20%)用於高衝擊件。以上4種牌號鋼的錳含量均為11.0%～14.0%。

在衝擊載荷作用的冷變形過程中，由於位錯密度大量增加，位錯的交割、位錯的塞積及位錯和溶質原子的互動作用使鋼得到強化。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。常規成分的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，尤其是後者的作用更大。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。

高錳鋼極易加工硬化，因而很難加工，絕大多數是鑄件，極少量用鍛壓方法加工。高錳鋼的鑄造性能較好。鋼的熔點低(約為14()()℃)，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，易於澆注成型。高錳鋼的線膨脹係數為純鐵的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。

為提高高錳鋼的性能進行過很多合金化、微合金化、碳錳含量調整和沉澱強化處理等方面的研究，並在生產實踐中得到套用。介穩奧氏體錳鋼的出現則可較大幅度降低鋼中碳、錳含量並使鋼的形變強化速度提高，可適用於高和中低衝擊載荷的工況條件，這是高錳鋼的新發展。

無磁鋼

這類鋼含錳大於17%，碳含量一般均在1.0%以下，常在電機工業中用於製作護環等。這類鋼的密度為7.87～7.98g/cm3。由於碳、錳含量均高，鋼的導熱能力差。導熱係數為12.979W/(m·℃)，約為碳素鋼的1/3。由於鋼是奧氏體組織，無磁性，其磁導率μ為1．003～1．03(H/m)。

高錳鋼鑄造工藝

在高能量衝擊的工作條件下，高錳鋼與超高錳鋼鑄件的套用範圍是廣闊的。許多鑄造廠，對生產此類鋼種鑄件缺乏必要的認識。現對具體操作做簡要的說明，供生產者參考。

1 、化學成分

高錳鋼按照國家標準分為5個牌號，主要區別是碳的含量，其範圍是0.75%－1.45%。受衝擊大，碳含量低。錳含量在11.0%－14.0%之間，一般不應低於13%。超高錳鋼尚無國標，但錳含量應大於18%。矽含量的高低，對衝擊韌度影響較大，故應取下限，以不大於0.5%為宜。低磷低硫是最基本的要求，由於高的錳含量自然起到脫硫作用，故降磷是最要緊的，設法使磷低於0.07%。鉻是提高抗磨性的，一般在2.0%左右。

2、 爐料

入爐材料是由化學成分決定的。主要爐料是優質碳素鋼（或鋼錠）、高碳錳鐵、中碳錳鐵、高碳鉻鐵及高錳鋼回爐料。這裡特別提醒的是由人認為只要化學成分合適，就可以多用回爐料。這個人士是有害的。某些廠之所以產品質量不佳，皆出於此。不僅高錳鋼、超高錳鋼，凡是金屬鑄件，絕不可以過多的使用回爐料，回爐料不應超過25%。那么，回爐料過剩該如何？只要把廢品降到最低，回爐料就不會過剩。

3 、熔煉

這裡著重講加料順序，無論用中頻爐，還是電弧爐熔煉，總是先熔煉碳素鋼，而各類錳鐵和其他貴重合金材料，要分多次，每次少量入爐，貴重元素在最後加入，以減少燒損。料塊應儘量小些，以50－80mm為宜。熔清後，爐溫達到1580－1600℃時，要脫氧、脫氫、脫氮，可用鋁絲，也可用Si-Ca合金或SiC等材料。將脫氧劑一定壓到爐內深處。金屬液面此時用覆蓋劑蓋嚴，隔斷外界空氣。還要鎮靜一段時間，使氧化物、夾雜物有充足時間上浮。然而，不少企業，只將鋁絲甚至鋁屑，撒再金屬液面上，又不加覆蓋，豈不白白浪費！在此期間，及時用中碳錳鐵來調整錳與碳的含量。 　鋼液出爐前，將澆包烘烤到400℃以上是十分必要的。在出爐期間用V-Fe、Ti-Fe、稀土等多種微量元素做變質處理，是使一次結晶細化的必要手段，它對產品性能影響是至關重要的。

4、 爐料與造型材料

要延長爐令，當分清鋼種與爐襯的屬性。錳鋼屬鹼性，爐襯當然選用鎂質材料。搗打爐襯要輪番周而復始換位操作。添加爐襯材料不可過厚，每次80厘米左右為宜，搗畢要低溫長時間烘烤。如提高生產效率，筆者建議採用成型坩堝（瀋陽力得廠和恆豐廠均又成品出售），從拆爐搗裝成，不用1小時，即可投入生產，同時成型坩堝對防穿爐大裨益。當然，爐令的長短與操作者大又關係。不少操作者像擲鉛球的運動員一樣，把爐料從三四米之外投入爐內，既不安全又傷爐令，應將爐料置於爐口旁預熱，然後用夾子慢慢地將爐料順爐料置於爐口旁預熱，然後用夾子慢慢地將爐料順爐壁放入。 　造型材料和塗料也應與金屬液屬性相一致，或者用中興材料（如鉻鐵礦砂、棕剛玉等）。若想獲得一次結晶細化的集體，採用蓄熱量大的鉻鐵礦砂是正確的，尤其是消失模生產廠，用它將克服散熱慢的缺點。

5、 鑄造工藝設計

錳鋼的特點是凝固收縮大，散熱性差，據此，在工藝設計中鑄造收縮率取2.5%－2.7%，鑄件越長大、越應取上限。型砂與砂芯的退讓性一定要好。澆注系統採取開放式。多個分散的內澆道從鑄件的薄壁處引入，且成扁而寬的喇叭狀，靠近鑄件處的截面積大於與橫澆道相聯的截面積，使金屬液快速平穩地注入鑄型，防止整個鑄型內的溫差過大。冒口直徑要大於熱節直徑，緊靠熱節，高度是直徑的2.5－3.0倍，必須採用熱冒口甚至澆冒口合一，讓充足的高溫金屬液來不足鑄件在凝固收縮時之空位。將直澆道、冒口位於高處（砂箱有5－8。的斜度）也是正確的。澆注時儘可能低溫快澆。一旦凝固，要及時松砂箱。聰明的設計師總是善於利用冷鐵，包括內冷鐵於外冷鐵，它既細化一次結晶，消除縮孔、縮松，又提高工藝出品率，當然，適宜的用量和規格是應該考慮的。內冷鐵要乾淨、易熔，用量以少為宜。外冷鐵的三維尺寸與冷卻物的三維尺寸為0.6－0.7倍的函式關係。過小不起作用，過大造成鑄件開裂。鑄件在型內要長時間保溫，直到低於200℃再開箱。

6 、熱處理

熱處理開裂，是低溫階段升溫過快所致。故正確的操作是350℃以下，升溫速度<80℃/h，750℃以下，<100℃/h，且有不同時期的保溫。至>750℃時，鑄件內呈塑性狀態，可以快速升溫了。至1050℃時根據鑄件的厚度確定保溫時間，然後再升到1100℃以上。給出爐降溫留有餘地然後儘快入水。高溫時升溫太慢，保溫時間太短，出爐後到入水時間間隔過長（不應>0.5min），這一切都影響鑄件質量。入水溫度應<30℃，淬火後，水溫<50℃，水量應不小於鑄件重量的8倍。冷水從池下部進入，溫水從池頂面流出。鑄件在水池中要三個方向不停地一動。

7、 切割與焊接

因為錳鋼熱傳導性能差，所以在切割澆冒口時應十分注意。最好將鑄件置於水中，被切割部分露在水外，切割時留一定量的茬，熱處理後磨掉。 　不少廠，焊接和焊補成為必然。選用奧氏體基的錳鎳焊條（D256或D266型），規格細長，φ3.2mm×350mm，外層藥皮為鹼性。操作時採用小電流，弱電弧，小焊道多焊層、始終保持低溫度少熱量的操作方法。一邊焊接一邊擊打，消除應力。重要鑄件必須探傷。

8、生產的注意事項

生產者要考慮的，不僅僅是降低生產成本，但更重要的是不出廢品，最大限度地出優質品，進而最到限度地擴大占領市場份額。這看起來是慢而費，實際上是快而省，這個觀念不僅認識到，更重要的是要做到。