高錳鋼

高錳鋼(high manganese steel)是指含錳量在10%以上的合金鋼。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。

基本介紹

• 中文名：高錳鋼
• 外文名：high manganese steel
• 套用領域：採石、採礦、挖掘、煤炭工業等
• 來源：1882年第一次獲得

簡介

高錳鋼的來源

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

Si0．30～1.0 S≤0.05 P≤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：σb615～1275MPa σs340～470MPa ζ15%～85% ψ15%～45% aKl96～294J/cm2 HBl80～225

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(C 1.10%～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)。

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。

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。

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。這個認識是有害的。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。

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。

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。

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。

熱處理

通常採用高溫台車式電爐進行。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（通常為1小時/25mm）；然後再快速升到1100℃左右保溫半小時出爐。鑄件出爐後必須儘快入水，出爐到入水的時間不能超過45秒，冬季時間應更短。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。

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。

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。

用途

高錳鋼是專為重工業提供使用的一種防磨鋼材，套用領域包括採石、採礦、挖掘、煤炭工業、鑄造和鋼鐵行業等。

高錳鋼

性能特點

經防磨技術處理後，材料表面可達到500--550 布氏硬度，繼續保持內部柔韌度，表面摩擦力最小化，可用高錳鋼或類似材料進行焊接，可被乙炔氧炬切割，無磁性等。

技術參數

物理參數	化學成分（%）
屈服強度	60,000--85,000 psi	Mn	12.0--14.0
抗拉強度	120,000--130,000 psi	C	1.00--1.25
延伸率	35%--50%	Si	≤0.60
軋制硬度	230--255 bhn	P	≤0.05
最大硬度	550bhn	S	≤0.04
磁性	無	Fe	85.0—88.0

力學性能

1.碳化物對高錳鋼性能的影響

降低衝擊韌性及抗拉強度

2.非金屬夾雜物對高錳鋼性能的影響

在鋼液凝固時，大量的氧化錳以非金屬夾雜物的形式析出在鋼的周界上，降低鋼的衝擊韌度，並使鑄件的熱裂紋傾向增大。

3.化學成分的選擇及對高錳鋼性能的影響

(1)含碳量和含錳量 鋼中含碳量過低時，不足以產生有效的加工硬化效果；而當碳含量過高時，又會在鑄態中出現大量的碳化物，特別是出現粗大的碳化物，因此為了避免析出碳化物，必須控制含碳量不得過高。

為了保證高錳鋼的性能，必須有足夠的含錳量。含錳量過低時不能形成單一的奧氏體組織；而過高的含錳量也是不必要的，生產中一般規定，WMn控制在11.0%～14.0%，WC控制在0.9%～1.3%。應該指出的是，含錳量與含碳量之間應有適當的搭配，即應有適宜的錳碳比，一般控制在Mn/C=10。

(2)含矽量 高錳鋼中Wsi的規格含量為0.3%～0.8%，矽會降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，使鋼的耐磨性和衝擊韌度降低，因此矽量應控制在規格下限。

(3)含磷量 高錳鋼的規格含量為Wp≤0.7%，熔煉高錳鋼時，由於錳鐵的含磷量較高，因此一般情況下鋼中的含磷量也比較高。因為磷會降低鋼的衝擊韌度並使鑄件容易開裂，所以應儘量降低鋼的含磷量。

(4)含硫量 高錳鋼的規格要求Ws≤0.05%，高錳鋼因為含錳量高，使鋼中大部分的硫與錳在熔煉過程中相互化合而形成硫化錳(MnS)而進入爐渣中，因而鋼中的硫含量經常是較低的(一般不超過0.03%)，因此，在高錳鋼中硫的有害作用比磷高。

發展趨勢

(1)在目前改善高錳鋼組織和性能的各種方法中，沉澱強化熱處理方法具有工藝簡單、穩定、成本低廉和節能的特點，具有明顯的經濟效益。

(2)通過熱處理方法在高錳鋼中獲得一定數量和大小的彌散分布的碳化物硬質點組織結構，能夠提高加工硬化能力，進而提高耐磨性。

(3)隨著沉澱強化機理的研究深入，碳化物硬質點增強基體耐磨性將成為提高高錳鋼耐磨性的主要發展趨勢。