高锰钢现状研究论文

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摘要：本文通过分析加工硬化机理、高锰钢生产中的常见问题等方面系统论述了高锰钢的现状，从生产工艺方面论述了高锰钢今后发展的情况，并进一步对高锰钢的应用进行了阐述。

关键词：加工硬化机理常见问题现状发展应用

高锰钢俗称“耐磨钢”，被广泛的应用于各个行业的许多耐磨件上。随着对磨损机理研究的深入发展，人们对高锰钢的特性也了解的更透彻。

一、高锰钢加工硬化机理

高锰钢原始硬度很低，而加工硬化能力很强，在使用中硬度提高，形变速度越快，硬化效果显著，硬度也越高，目前强化机理有以下几种：

1.位错强化机制：高锰钢是大量Mn原子置换铁原子，显著降低层错能，因而易于形变，使位错密度增高，形成堆垛层错和形变亚结构，呈现加工硬化现象。

2.形变孪晶机制：高锰钢拉伸后，硬化区出现层状孪晶，硬度达HV460。经重锤锤击后出现层状孪晶及位错缠结达HV500。爆炸硬化时出现复合孪晶，硬度提高，硬化层加厚。

3.形变马氏体机制：从热力学角度讲，合金快速冷至Ms点以下可获得马氏体，而在Ms点以下存在Md点，在Ms——Md之间因应力作用可产生形变马氏体。一般Ms点低于200℃。Mn量为12％时，Ms点为-230℃以下，因此室温下一般变形的高锰钢不会产生形变诱发马氏体。如果钢中碳量降至0.8%时，在室温下也没能发现形变马氏体，而在-196℃低温下可出现δ.θ马氏体，改变高锰钢中的含锰量，将锰量降至4％，室温形变后有ε.δ马氏体产生，常规成分高锰钢固溶后经50％的变形量形变，硬度已达到较高数值，变值量增至35％时，发现有少量(约1.4％)δ马氏体，其间硬度变化与δ马氏体量的增加速度不一致，这样较大变形量的试验，也间接证明硬化主要原因不是由于产生了δ马氏体。以前关于发现马氏体的报导，可能是高锰钢在空气炉中高温加热，造成表面碳、锰降低，或是加热不足，局部贫碳，促使形变马氏体出现。根据这个机理，现在已有将高锰钢进行表面控制脱碳，使得在水韧处理后产生马氏体，用以强化高锰钢，提高耐磨性的报导。

4.析出相强化机制：在形变过程中，高锰钢随变形量增加，奥氏体中缺陷增加，过饱和的碳在位错、空位、层错、孪晶等处聚集形成柯氏气团，阻碍滑移，形变热量继续积累，使偏聚的碳、锰原子重新分布，在缺陷处择优形核、长大，形成弥散分布在基体内及晶界上的ε碳化物。根据奥罗万机制，滑动位错与弥散碳化物颗粒间作用，使强迫位错通过颗粒所需的临界分切应力增大，强化了奥氏体。

人们在碳含量高的高锰钢中(碳为1.49％)，经过50％的压缩变形发现有碳化物析出。对常规成份高锰钢虽未发现碳化物析出，却也发现了晶格常数的减小，相当于奥氏体中碳量降低0.1％。在全国齿板评比对性能较好的高锰钢齿板分析时，发现奥氏体中出现了原始组织中未有的新相，可能就是形变诱发的ε碳化物。

二、高锰钢生产中的一些问题

根据各地厂家的生产情况，把易忽略的问题扼要介绍一下:

1.冶炼：首先炉料要精选烘干，尤其对感应电炉更加重要，锰铁中磷较高，在选购锰铁时，要选择含磷低的锰铁合金。冶炼时，锰铁宜后加入炉内，以减少烧损量，后加入的铁合金要预先经过烘烤，出钢前还可用12×20×300mm浇注后直接水韧处理的试棒，视其冷弯的角度来检验钢水质量。

高锰钢由于碳量高，导热性低及结晶速度较快，容易产生粗大的结晶组织，当传热有方向性时，往往形成柱状晶，在枝晶之间存在显微疏松和夹杂物，影响钢的性能，尤其是标准高锰钢铸态晶粒的大小通过热处理是很难改变的。根据建材部标准规定高锰钢铸件晶粒度不粗于2级，有的工艺文件还规定壁厚不大于20mm的铸件不允许有柱状晶，大于20mm的铸件，断面两边柱状晶厚度之和不超过该断面厚度五分之二者为合格，否则为不合格。因此在生产中要求高温冶炼，低温浇注，主要严格控制出钢温度。另外，浇注温度低还可以减少热裂缺陷、缩孔、粘砂、含气量和节约能源，是影响铸件质量的重要因素。

2.铸造:为了获得细铸态晶粒，减少碳化物析出量，除了控制浇注温度，对厚大件要放置外冷件（内冷铁一般不宜放），这样同时也提高了高锰钢铸件的致密度，减少缩孔、疏松。高锰钢体收缩大，但只要工艺控制得当，可以不出现缩孔，而以轴线疏松形式存在，由于它韧性好，基本不影响使用，这也是高硬度耐磨材料无法与之相比的。因此高锰钢铸件厚度小于25mm时，一般不用冒口，在大于50mm时，必须设置冒口。高锰钢难切割，浇注系统往往分散引入，冒口采用保温、细颈、易割三种冒口。在工艺上采用补浇，放发热剂的办法增强补缩效果。高锰钢钢水中的MnO呈碱性，和型砂中的的二氧化硅易产生化学粘砂，因此最好用镁砂高铝粉和铬铁矿粉做涂料，提高铸件表面质量。

3.热处理：加热温度在保证碳化物充分溶解的情况下，尽量选低些。入水温度不得低于950℃。零件与水量之比应达1∶8，水温低于30℃。人们往往认为高锰钢淬透性很高，我们发现厚度大于80mm的高锰钢件水韧后，心部冷速慢，析出了针状碳化物，使性能下降。为了减少高温下碳化物固溶的困难，降低能耗及缩短生产周期，对100mm以下厚度的简单铸件，可采用200℃入炉，以70～80℃/h速度升温，不进行650℃保温的水韧工艺。

4.清理：对铸态不能敲掉的浇、冒口，可以水韧后进行浇水切割。

三、高锰钢生产工艺的发展

1.精炼:为了提高钢水质量，炉外精炼工艺被愈来愈广泛应用，从20世纪80年代起，在高锰钢生产上也得到使用，精炼后，夹杂物减少，分布改善，使强度提高，可由657MPa提高到834Mpa，耐磨性也能提高30％。

2.悬浮浇注:浇注温度对高锰钢性能的影响很大，生产厂家往往炉子容量大，浇注时间长，控温较难，虽然采取各样的措施，仍不能避免晶粒粗大的弊病。人们研究在浇注时，随钢水连续加入2％～3％（尺寸为0.15～0.3m）铁粉或锰铁粉与铁粉的混合物，它起内冷铁作用和增加结晶核心，改善高锰钢性能还使耐磨性提高30％～50％，但要注意加入后使钢水流动性降低。

3.表面合金化:为了既提高耐磨性又节约合金元素，采用表面加入合金的方法可以达到目的，具体措施是在铸型表面刷含合金涂料，撒锰铁粉或是贴上合金铸铁片，钢水浇入后熔化与熔接这些材料，提高了铸件表面性能，现在还有用含铬焊条在高锰钢上进行堆焊，以提高耐磨性，哈焊所高铬粉块堆焊效果也很好。

4.爆炸硬化:用滚压、喷丸等方式予强化高锰钢效果不理想。利用爆炸极短时间内产生3×107KPa高压使高锰钢表面形成40~50mm硬化层，硬化层硬度达到HB300~500，表层屈服强度可提高2倍，耐磨性提高50％，此种方法对标准高锰钢最为有效。

5.铸态水韧处理:高锰钢凝固后，在960℃以上利用余热进行水韧处理，可减少表层脱碳，缩短生产周期和节约能源，对壁厚的中小铸件，能采用此法，唐山水泥机械厂曾用金属型铸造高锰钢衬板时利用了此法，但必须仔细控制入水温度。

6.沉淀强化:标准高锰钢水韧处理后，不宜再加热，而加入合金元素后，就可以用沉淀强化热处理的方法，使高锰钢基体强化，并在基体上分布弥散的粒状碳化物，使耐磨性提高。

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。

参考文献:

[1]许德珠:机械工程材料[M].高等教育出版社，2001年6月第2版

[2]宋维锡:金属学[M].冶金工业出版社,1989年5月第2版