高锰钢 (2)

高锰钢(high manganese steel)是指含锰量在10％以上的合金钢

一、高锰钢分类及简介

1、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：

2、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(％)： Co:90～1．50Mn:10.0～15．0 Si:0．30～1.0 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 σ0.2340～470MPaδ15％～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。

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

度位错和缠结。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14()()℃)，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。

3、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)。

二、高锰钢的物理性能

1．密度。在15℃时的密度为7．870～7．98059／m3，液态时密度为7．05009／m3。

2．热导率、线膨胀系数及比热容。高锰钢的热导率低，而线膨胀系数大，这是高锰钢的一大特点。在铸件设计和制造工艺上应加以考虑，否则在铸造和焊接过程中容易出现裂纹。 3．磁导率。水韧处理后的高锰钢的组织是单相奥氏体，无磁性，磁导率为l．003～1．03H ／m；高锰钢热处理中表层脱碳，磁导率为1．3H／m。

4.铸造性能高锰钢的流动性较好；凝固收缩较大，易形成缩孔；高锰钢因含碳量高、导热性较低以及结晶生长速度较快，易产生粗大的柱状晶组织。锰钢因线膨胀系数大、导热性较低、热应力和收缩应力较大，加之铸态强度和塑性较低，其热裂、冷裂及变形倾向较碳钢大。

由于高锰钢液易生成Mn0，从而易于和型砂中的二氧化硅发生化学反应而导致铸件表面粘砂，为此应在铸型和型芯上采用碱性或中性涂料，目前多采用以镁砂粉为骨料的涂料。 5.高锰钢的机加工性能

高锰钢有强烈的加工硬化能力，给切削加工带来很大的困难，应尽量铸造成形，避免加工。必须机加工的锰钢件，常采用以下措施：

a．用陶瓷刀具切削加工；

b．用磨削加工；

C．在铸件需加工部位(如加工螺纹)预埋不易淬硬的软钢。

三、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P是最要紧的，需使磷低于 0.07％。铬是提高抗磨性的，一般在2.0％左右。

四、热处理

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<80℃/h，750℃以下，<100℃/h，且有不同时期的保温。至>750℃时，铸件内呈塑性状态，可以快速升温了。至1050℃时根据铸件的厚度确定保温时间，然后再升到1100℃以上。给出炉降温留有余地然后尽快入水。高温时升温太慢，保温时间太短，出炉后到入水时间间隔过长（不应>0.5min），这一切都影响铸件质量。入水温度应<30℃，淬火后，水温<50℃，水量应不小于铸件重量的8倍。冷水从池下部进入，温水从池顶面流出。铸件在水池中要三个方向不停地一动。

五、性能特点

经防磨技术处理后，材料表面可达到500—550布氏硬度，继续保持内部柔韧度，表面摩擦力最小化，可用高锰钢或类似材料进行焊接，可被乙炔氧炬切割，无磁性等。