高锰钢

高锰钢分为两大类，一类是耐磨钢，一类是无磁钢。这里主要涉及耐磨钢。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 σ 0.2340～470MPa ζ15％～85％ψ15％～45％ aKl96～294J／cm2 HBl80～225

高锰钢经过固溶处理后还会有少量的碳化物未溶解，当其数量较少符合检验标准时，仍可使用。

奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形。形变强化的结果，在变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅度提高。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。

四、工况条件与高锰钢的应用

在长期使用中发现，高锰钢韧性很好，但在某些条件下，其耐磨性不尽人意，影响耐磨性因素有：铸件原始硬度，加工硬化速度，析出第二相硬粒子的沉淀强化，铸件工作面的硬化层深度，前面谈到的各种措施就是提高高锰钢耐磨性采用的一些方法。随着科学研究的发展，人们开始跳出了高锰钢的圈子，着眼于马氏体钢、贝氏体钢、镍硬铸铁、高铬铸钢（铁）、复合材料、铸石、橡胶等各种材料。控制实际工况条件，归纳几点对选材的看法。

1.对弱冲击磨料磨损工况：高锰钢基本不能产生加工硬化，由于冲击力很小，对材料韧性要求不高，可以选用原始硬度高的材料，如空气运输、水力输送管道可用玄武岩铸石制造。对水泥磨2中二、三仓（细磨仓），研磨介质小，冲击力小，可以选用低铬铸铁、高铬铸铁，甚至白口铁等脆性耐磨材料，寿命较高锰钢提高1～4倍。

2.对低冲击磨料磨损工况:高锰钢虽能产生加工硬化，但硬度很低，因冲击力低不大，可选用高碳高锰钢、中锰钢、贝氏体钢、低合金马氏体钢及贝氏球铁等材料。例如，对大磨机的衬板（一仓），选中合金马氏体钢ZG42CrMnSi2Mo可

使寿命提高2～3倍，而且不产生变形。尤其现在水泥粉磨中研磨介质逐步推广使用高铬铸球，其与高锰钢衬板硬度匹配不好，使衬板变形加速，寿命降低，更加显示出替代高锰钢的必要性。破碎普氏硬度f≤12物料，400×600颚式破碎机齿板如用中合金马氏体钢制造，寿命提高约20％～50％，还可将破碎物料中的铁屑吸出，提高物料纯度，对增加白水泥白度和减小矽砖小氧化铁溶洞有利。另外，12kg以下的小锤头也可用一定韧性的马氏体钢来制造。

3.对中等冲击磨料磨损工况：例如冲击功为4J时，相当于破碎f=12～14的矿石，齿板可以选用韧性较好的马氏体钢和改性高锰钢，它们的耐磨性比高锰钢提高20%～100％。我们还用高锰钢-高铬铸钢粘结复合齿板破碎花岗岩，寿命较高锰钢提高2.5倍。

4.对强冲击磨料磨损工况：冲击功大于5J，矿石硬度f=16～19时，用马氏体钢做齿板或衬板，其安全性不够或耐磨性不高，仍需采用高锰钢系材料。例如φ200圆锥破碎机使用铬、钛改性高锰钢，破碎f=17～19矿石，耐磨性较标准高锰钢高50％左右，而在破碎f=12～14矿石时，耐磨性提高幅度达70%～100％，即在强冲击磨损时，两者耐磨性差距缩小。可能在强冲击条件下，它们的加工硬化速率相近，改性高锰钢的原始硬度较高，硬化后表面硬度仍保持较高，达到HV700左右，而标准高锰钢硬化后也达HV600多，但硬度差距较中等冲击时缩小，所以造成耐磨性差别也减小。对一些受强冲击的大尺寸锤头可采用超高锰钢来保证其正常工作。矿山破碎用的湿法磨衬板，当矿石硬度f≤14时，低合金马氏体钢的使用寿命较标准高锰钢约高50％，对硬度f＞14矿石，我国仍用标准高锰钢制造，因改性高锰钢原料成本高，生产工艺复杂，要求严格，影响了它的生产、使用。而国外在矿山湿式磨机时，对衬板选材首先考虑马氏体钢，其次大量采用橡胶衬板。其寿命可较标准高锰钢提高1～5倍，还降低了电耗、球耗、减少磨机噪单，减轻维修时的劳动强度等。我国橡胶制品行业正在开发这种产品。

总之，耐磨材料的选用主要根据实际工况条件，对照上面的原则，并通过试验来选择。