魯志武，董必義

（太重集團(tuán)特鑄分公司，山西 太原 030024）

高錳鋼是1882年英國人R·A·哈特菲爾德（Hadfield）發(fā)明的。發(fā)現(xiàn)含錳10%或更高時(shí)加熱到1000℃左右并在冷水中淬火后可獲得良好性能的高錳鋼。

高錳鋼也稱奧氏體鋼，主要有四大類：高碳高錳耐磨鋼、中碳高錳無磁鋼、低碳高錳無磁鋼和高錳耐熱鋼。在這里我們主要介紹高碳高錳耐磨鋼。

含碳0.9%～1.45%、含錳11%～14%的高錳鋼代號(hào)一般為ZGMn13是經(jīng)典的耐磨鋼。經(jīng)水韌處理后可得到單一的奧氏體組織，具有優(yōu)良的韌性和無磁性。其特點(diǎn)是在較大的沖擊力和接觸應(yīng)力的作用下，其表面層將迅速硬化——晶體受到扭曲并有馬氏體形成，從而產(chǎn)生了耐磨的表面層，而內(nèi)部仍為奧氏體，保持了優(yōu)良的沖擊韌性。即便零件磨到很薄仍能承受較大的沖擊載荷而不破裂。通常應(yīng)同于破碎機(jī)的垂頭、齒板、軋臼壁、挖掘機(jī)零件以及球磨機(jī)的襯板、鐵軌道岔等。

太重集團(tuán)特鑄分公司是生產(chǎn)耐磨高錳鋼和耐熱鋼鑄件的專業(yè)廠，有20余年生產(chǎn)高錳鋼的歷史。其產(chǎn)品主要為集團(tuán)公司的產(chǎn)品配套、并為礦山和工程機(jī)械挖泥船等提供配件。尤其是高錳鋼履帶板、驅(qū)動(dòng)輪和斗齒等耐磨件深受用戶的贊譽(yù)（如圖1）。

1 高錳耐磨鋼的熔煉、主要成分及性能

1.1 高錳鋼的冶煉

一般熔煉高錳鋼都在電爐中進(jìn)行，這里主要說一下其溶煉特點(diǎn)。評(píng)價(jià)高錳鋼冶煉質(zhì)量的指標(biāo)之一是鋼中夾雜物的數(shù)量、類型和分布狀態(tài)。分布在晶界的、粗大的、低熔點(diǎn)的夾雜物對鋼的力學(xué)性能和耐磨性均有不利的影響。為了減少夾雜物，最主要的環(huán)節(jié)是冶煉時(shí)保證獲得純凈的鋼水，特別是在加錳后，要?jiǎng)?chuàng)造還原氣氛，防止錳的氧化，在爐料熔化過程中，應(yīng)補(bǔ)加石灰和氧化鐵形成高堿度和強(qiáng)氧化性爐渣，進(jìn)行有效脫磷，冶煉終了時(shí)要造好白渣、脫氧良好、出鋼后在包中適當(dāng)靜置。

圖1 耐磨件產(chǎn)品

高錳鋼鑄件出現(xiàn)柱狀晶時(shí)，機(jī)械性能及耐磨性明顯下降，為提高冶金質(zhì)量，細(xì)化鑄態(tài)組織，可采用控制澆注溫度1420℃～1440℃。出鋼溫度不宜過高，高錳鋼的液相線為1400℃固相線為1350℃。出鋼溫度太高會(huì)使原始晶粒粗大，利用鎮(zhèn)靜降溫是不可取的。為細(xì)化晶粒也可進(jìn)行變質(zhì)處理如在出鋼前加入0.3%～0.5%的稀土（稀土硅），稀土的加入方法是一般在出鋼前加入爐內(nèi)，可起到細(xì)化晶粒、脫氧和去除雜質(zhì)的作用，也可加入包內(nèi)，但應(yīng)注意塊度，以40mm～60mm為宜。一般來說組織越細(xì)耐磨性能越好。需要說明的是，熔煉高錳鋼時(shí)不可用酸性爐襯，爐襯和修補(bǔ)爐時(shí)應(yīng)用堿性或中性材料。

1.2 高錳鋼的牌號(hào)

高錳鋼的牌號(hào)（GB5680-1998）見表1。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，有五個(gè)牌號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中各廠又派生出一些廠標(biāo)號(hào)，都具有各自的特點(diǎn)，目前尚未進(jìn)入國標(biāo)。

1.3 高錳鋼的力學(xué)性能

高錳鋼的力學(xué)性能指經(jīng)水軔處理后的性能如表2所示。

1.4 各化學(xué)元素對高錳鋼性能的影響

任何一種鋼都含有主要元素和有害元素，從表1和表2不難看出。如果高錳鋼的成分控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則可保證其力學(xué)性能。所以有必要對其中主要元素含量的增減對耐磨高錳鋼的性能有什么影響來進(jìn)行討論，以便在生產(chǎn)實(shí)踐中加以控制，達(dá)到最佳性能，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1）碳

碳在高錳鋼中的作用是：促成奧氏體的形成，有利于提高高錳鋼的耐磨性和硬度，但是隨著碳的增加使鋼的韌性降低，塑性也降低，使裂紋的敏感性增大。特別是在磷相對較高的情況下，更應(yīng)相應(yīng)控制碳，不應(yīng)取高限。一般來說生產(chǎn)較復(fù)雜的鑄件如履帶板等碳不取高限。碳可提高高錳鋼的流動(dòng)性對生產(chǎn)薄件有利。含碳低含錳高的鋼具有高韌性，但錳也不可含量太高，如錳≧14%時(shí)鋼的強(qiáng)度和韌性會(huì)下降，且對白斑的敏感性也增大。

表1 高錳鋼的牌號(hào)（GB/r5680-1998） 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

表2 高錳鋼的力學(xué)性能

2）錳

錳是高錳鋼中的關(guān)鍵元素。錳起擴(kuò)大奧氏體區(qū)、穩(wěn)定奧氏體的作用。在具體實(shí)踐中，對復(fù)雜的受沖擊大的鑄件錳可高點(diǎn)兒。一般可選碳0.9%～1.1%、錳10%～13%，錳碳比適當(dāng)提高。

3）硅

一般來講硅對高錳鋼的性能沒有明顯影響。硅可提高鋼中固溶體的硬度和強(qiáng)度，對提高鋼的冷作變形硬化率的作用強(qiáng)，故而可提高鋼的耐磨性。但在高錳鋼中由于硅降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，含硅高時(shí)容易出現(xiàn)晶界碳化物，導(dǎo)致鑄造時(shí)開裂和加熱保溫過程中表面脫碳的傾向，因此將硅量控制在規(guī)定成分下限。

4）磷

磷對高錳鋼更是有害元素，鑄造高錳鋼ZGM13系奧氏體耐磨鋼，為強(qiáng)化鋼的耐磨性和避免鑄件產(chǎn)生裂紋，應(yīng)嚴(yán)格控制磷。磷在高錳鋼中溶解度很小，易偏析形成磷共晶，它熔點(diǎn)低分布在晶界和枝晶間，使鑄件產(chǎn)生熱裂——磷超標(biāo)時(shí)使高錳鋼的δ下降所致。

5）硫

高錳鋼中含硫較低。硫易和錳化合成硫化錳，而大部分進(jìn)入爐渣中，少量在鋼中以非金屬夾雜物存在，對鋼的性能影響很微小，可忽略不記。

6）鉻

一般加鉻1%～2%時(shí)，在強(qiáng)沖擊較硬的磨料使用時(shí)，耐磨性有明顯的提高，如破碎機(jī)的軋臼壁，明顯提高了耐磨性，延長了使用壽命。

但由于鉻溶于奧氏體中在熱處理時(shí)，使含鉻的碳化物難以溶解，共析組織升溫時(shí)也難以轉(zhuǎn)變，因此得到單一的奧氏體較難，所以固溶溫度（即水韌）應(yīng)提高30℃～50℃。

7）鉬

ZGMn13-5這種牌號(hào)中加入鉬（Mo）0.9%～1.2%，鉬可以細(xì)化晶粒，可以使碳化物成彌散分布，而且鉬可以降低脆性，使鑄件在低溫地區(qū)使用有更好的韌性及耐磨性。

2 高錳鋼的鑄造性能

高錳鋼的導(dǎo)熱性差，僅為碳鋼的1/4～1/5，凝固慢收縮大，易產(chǎn)生熱裂、冷裂。線收縮大（自由收縮為2.4%～3.6%），凝固收縮約6.5%也比碳鋼大，對裂紋的敏感性大，尤其在鑄造凝固時(shí)很易開裂。

2.1 造型材料的選用

因?yàn)楦咤i鋼的鋼水表面有較多的MnO，所以決定其不可用硅砂。如果使用硅砂，型砂中的SiO2和鋼液中的MnO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的鹽類，黏附在鑄件表面形成化學(xué)粘砂。基于此可選用中性或堿性型（芯）砂，一般可選用鎂砂、橄欖石砂、剛玉砂或高鋁礬土砂。都可取得良好效果，如果用樹脂黏結(jié)劑應(yīng)十分注意通氣。高錳鋼在凝固時(shí)收縮大、熱應(yīng)力大，所以在設(shè)計(jì)箱帶和控制吃砂量時(shí)應(yīng)十分注意。特別是型（芯）砂的退讓性要好，防止裂紋。

2.2 澆注系統(tǒng)

除遵守一般的原則外，對澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取內(nèi)澆口多而分散、截面應(yīng)薄而寬易打斷為好，但不的阻礙收縮。澆注系統(tǒng)多采用開放式的。

幀間一致性的八叉樹可視外殼三維重建……………………………………………………………………………李 霞（1.24）

2.3 冒口設(shè)計(jì)

采用易割片卡脖冒口是高錳鋼冒口的特點(diǎn)之一。

雖然高錳鋼的凝固收縮比碳鋼大，但冒口的設(shè)計(jì)不必太大，這是由于高錳鋼的流動(dòng)性很好，可采用低溫澆注，其液態(tài)收縮小，所以鋼水利用率一般和碳鋼相當(dāng)，甚至更高。

對壁厚均勻的鑄件可采用同時(shí)凝固，截面不均勻的鑄件可采用順序凝固。冒口一般采用帶割片的保溫冒口易于打掉。

高錳鋼一般不用內(nèi)冷鐵，對局部的熱節(jié)可采用貼砂外冷鐵，以造成同時(shí)或順時(shí)凝固。

2.4 造型（芯）

應(yīng)盡量減少披縫，外皮應(yīng)修平整、芯子應(yīng)把披縫堵死，防止披縫的產(chǎn)生，阻礙收縮造成裂紋。

2.5 高錳鋼的澆注

一般都應(yīng)遵循低溫快澆的原則。

高錳鋼流動(dòng)性好，充型能力強(qiáng)，推薦澆注溫度為1420℃～1440℃，澆注應(yīng)采用 慢—快—慢的操作，特別到分型面處應(yīng)小流；上冒口2/3時(shí)改由冒口澆滿，有條件時(shí)點(diǎn)注2～3次，冒口上方加復(fù)蓋劑。目的是加強(qiáng)補(bǔ)縮效果。

2.6 高錳鋼鑄件的清理

澆注完的鑄件經(jīng)保溫，鑄件溫度在≤200℃時(shí)，結(jié)構(gòu)簡單的鑄件可以在400℃，從砂箱中取出，打箱后的鑄件禁止碰撞，動(dòng)用割刀及焊補(bǔ)。鑄件清理凈砂子，把小、薄的飛邊、毛刺用錘子打掉，進(jìn)行熱處理。

3 高錳鋼的熱處理

高錳鋼件在鑄態(tài)時(shí)為兩相組織，碳化物分布在奧氏體的晶界上，十分脆弱。鑄態(tài)不經(jīng)熱處理的高錳鋼件沒有使用價(jià)值。高錳鋼件只有經(jīng)過正確的熱處理，使碳化物全部溶解在奧氏體中，才能在使用時(shí)發(fā)揮其優(yōu)良性能。

高錳鋼的熱處理稱為淬火，也稱為奧氏體化熱處理或固溶處理，一般高錳鋼的淬火在水中進(jìn)行，所以也叫水韌處理。

高錳鋼的熱處理工藝見表3（僅供參考）：

表3 高錳鋼淬火溫度

經(jīng)過水韌處理后的高錳鋼件重新加熱到350℃以上，碳化物會(huì)重新析出，并形成屈氏體或回火馬氏體，使鋼的塑性和韌性急劇下降，故此水韌后的高錳鋼件應(yīng)避免重新加熱到350℃以上，也不宜在350℃以上的環(huán)境中使用。

高錳鋼淬火一般要求水重與件重之比為10∶1，水溫在淬火后不應(yīng)≦50℃，一般水應(yīng)攪動(dòng)、循環(huán)。

4 高錳鋼的焊補(bǔ)

高錳鋼的可焊性差，一般不提倡焊補(bǔ)，凡不影響強(qiáng)度和使用的缺陷可以不焊補(bǔ)。對必須焊補(bǔ)的，只能用高錳鋼焊條或不銹鋼奧氏體焊條，焊接時(shí)用小電流細(xì)焊條，不必預(yù)熱，防止碳化物析出，焊補(bǔ)應(yīng)間斷進(jìn)行，不應(yīng)連續(xù)施焊，應(yīng)嚴(yán)格控制焊肉的層間溫度，盡量減小熱影響區(qū)，必要的時(shí)候，在焊接時(shí)對非焊接區(qū)進(jìn)行水冷。

對使用過的高錳鋼件如斗齒一類的鑄件，堆焊前應(yīng)把使用后的硬化層磨去再行焊補(bǔ)。

5 結(jié) 論

高錳鋼發(fā)明100多年來，由于它優(yōu)良的性能一直是工程應(yīng)用廣泛的耐磨材料，而且隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，又研究出新的品種如超高錳鋼等。

1）高錳鋼在熔煉和鑄造上有不少特點(diǎn)，生產(chǎn)時(shí)必須注意。

2）高錳鋼的應(yīng)用必須了解使用環(huán)境，高錳鋼經(jīng)水韌才具后天的性能。只有使用在有較大沖擊力和接觸應(yīng)力的條件下，才有良好的耐磨性。

3）高錳鋼的起始硬度、屈服強(qiáng)度較低，在非強(qiáng)烈沖擊磨損工況耐磨性不足。

4）高錳鋼的使用溫度不得超過350℃。

5）高錳鋼焊接性不良，這是今后研究的課題。

［1］機(jī)械工程手冊編委會(huì).機(jī)械工程手冊（材料部分）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］太重集團(tuán).高錳鋼的熱處理［G］.太重集團(tuán).

［3］鑄造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊編委會(huì)。鑄造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊［M］.北京:中國物資出版社，2004.