高錳鋼力學性能

1.碳化物對高錳鋼性能的影響

降低沖擊韌性及抗拉強度

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，降低鋼的沖擊韌度，并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(chǎn)生有效的加工硬化效果；而當碳含量過高時，又會在鑄態(tài)中出現(xiàn)大量的碳化物，特別是出現(xiàn)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(chǎn)中一般規(guī)定，WMn控制在11.0%～14.0%，WC控制在0.9%～1.3%。應(yīng)該指出的是，含錳量與含碳量之間應(yīng)有適當?shù)拇钆洌磻?yīng)有適宜的錳碳比，一般控制在Mn/C=10。

(2)含硅量 高錳鋼中Wsi的規(guī)格含量為0.3%～0.8%，硅會降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，使鋼的耐磨性和沖擊韌度降低，因此硅量應(yīng)控制在規(guī)格下限。

(3)含磷量 高錳鋼的規(guī)格含量為Wp≤0.7%，熔煉高錳鋼時，由于錳鐵的含磷量較高，因此一般情況下鋼中的含磷量也比較高。因為磷會降低鋼的沖擊韌度并使鑄件容易開裂，所以應(yīng)盡量降低鋼的含磷量。

(4)含硫量 高錳鋼的規(guī)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(jīng)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(fā)展趨勢

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

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

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

高錳鋼是專為重工業(yè)提供使用的一種防磨鋼材，應(yīng)用領(lǐng)域包括采石、采礦、挖掘、煤炭工業(yè)、鑄造和鋼鐵行業(yè)等。

高錳鋼性能特點

經(jīng)防磨技術(shù)處理后，材料表面可達到500--550 布氏硬度，繼續(xù)保持內(nèi)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。

高錳鋼技術(shù)參數(shù)

在高能量沖擊的工作條件下，高錳鋼與超高錳鋼鑄件的應(yīng)用范圍是廣闊的。許多鑄造廠，對生產(chǎn)此類鋼種鑄件缺乏必要的認識?，F(xiàn)對具體操作做簡要的說明，供生產(chǎn)者參考。

高錳鋼化學成分

高錳鋼按照國家標準分為5個牌號，主要區(qū)別是碳的含量，其范圍是0.75%－1.45%。受沖擊大，碳含量低。錳含量在11.0%－14.0%之間，一般不應(yīng)低于13%。超高錳鋼尚無國標，但錳含量應(yīng)大于18%。硅含量的高低，對沖擊韌度影響較大，故應(yīng)取下限，以不大于0.5%為宜。低磷低硫是最基本的要求，由于高的錳含量自然起到脫硫作用，故降磷是最要緊的，設(shè)法使磷低于0.07%。鉻是提高抗磨性的，一般在2.0%左右。

高錳鋼爐料

入爐材料是由化學成分決定的。主要爐料是優(yōu)質(zhì)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。這里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(chǎn)品質(zhì)量不佳，皆出于此。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(yīng)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。

高錳鋼熔煉

這里著重講加料順序，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，貴重元素在最后加入，以減少燒損。料塊應(yīng)盡量小些，以50－80mm為宜。熔清后，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(nèi)深處。金屬液面此時用覆蓋劑蓋嚴，隔斷外界空氣。還要鎮(zhèn)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(yè)，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(diào)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(zhì)處理，是使一次結(jié)晶細化的必要手段，它對產(chǎn)品性能影響是至關(guān)重要的。

高錳鋼爐料與造型材料

要延長爐令，當分清鋼種與爐襯的屬性。錳鋼屬堿性，爐襯當然選用鎂質(zhì)材料。搗打爐襯要輪番周而復(fù)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(chǎn)效率，筆者建議采用成型坩堝（沈陽力得廠和恒豐廠均又成品出售），從拆爐搗裝成，不用1小時，即可投入生產(chǎn)，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(guān)系。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(nèi)，既不安全又傷爐令，應(yīng)將爐料置于爐口旁預(yù)熱，然后用夾子慢慢地將爐料順爐料置于爐口旁預(yù)熱，然后用夾子慢慢地將爐料順爐壁放入。

造型材料和涂料也應(yīng)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(jié)晶細化的集體，采用蓄熱量大的鉻鐵礦砂是正確的，尤其是消失模生產(chǎn)廠，用它將克服散熱慢的缺點。

高錳鋼鑄造工藝設(shè)計

錳鋼的特點是凝固收縮大，散熱性差，據(jù)此，在工藝設(shè)計中鑄造收縮率取2.5%－2.7%，鑄件越長大、越應(yīng)取上限。型砂與砂芯的退讓性一定要好。澆注系統(tǒng)采取開放式。多個分散的內(nèi)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于與橫澆道相聯(lián)的截面積，使金屬液快速平穩(wěn)地注入鑄型，防止整個鑄型內(nèi)的溫差過大。冒口直徑要大于熱節(jié)直徑，緊靠熱節(jié)，高度是直徑的2.5－3.0倍，必須采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、冒口位于高處（砂箱有5－8。的斜度）也是正確的。澆注時盡可能低溫快澆。一旦凝固，要及時松砂箱。聰明的設(shè)計師總是善于利用冷鐵，包括內(nèi)冷鐵于外冷鐵，它既細化一次結(jié)晶，消除縮孔、縮松，又提高工藝出品率，當然，適宜的用量和規(guī)格是應(yīng)該考慮的。內(nèi)冷鐵要干凈、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倍的函數(shù)關(guān)系。過小不起作用，過大造成鑄件開裂。鑄件在型內(nèi)要長時間保溫，直到低于200℃再開箱。

高錳鋼熱處理

通常采用高溫臺車式電爐進行。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(nèi)呈塑性狀態(tài)，可以快速升溫了。至1050℃時根據(jù)鑄件的厚度確定保溫時間（通常為1小時/25mm）；然后再快速升到1100℃左右保溫半小時出爐。鑄件出爐后必須盡快入水，出爐到入水的時間不能超過45秒，冬季時間應(yīng)更短。高溫時升溫太慢，保溫時間太短，出爐后到入水時間間隔過長（不應(yīng)>0.5min），這一切都影響鑄件質(zhì)量。入水溫度應(yīng)<30℃，淬火后，水溫<50℃，水量應(yīng)不小于鑄件重量的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。

高錳鋼切割與焊接

因為錳鋼熱傳導性能差，所以在切割澆冒口時應(yīng)十分注意。最好將鑄件置于水中，被切割部分露在水外，切割時留一定量的茬，熱處理后磨掉。

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(guī)格細長，φ3.2mm×350mm，外層藥皮為堿性。操作時采用小電流，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(yīng)力。重要鑄件必須探傷。

高錳鋼生產(chǎn)的注意事項

生產(chǎn)者要考慮的，不僅僅是降低生產(chǎn)成本，但更重要的是不出廢品，最大限度地出優(yōu)質(zhì)品，進而最到限度地擴大占領(lǐng)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。

高錳鋼高錳鋼的來源

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：

高錳鋼耐磨鋼

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(%)：

C0．90～1．50

Mn10.0～15．0

Si0．30～1.0

S≤0.05

P≤0.10

這類高錳鋼的用量最多，常用來制作挖掘機的鏟齒、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(tài)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(shù)量多時，常在晶界上呈網(wǎng)狀出現(xiàn)。因此鑄態(tài)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(tài)組織，得到單相奧氏體組織，然后水淬，使此種組織保持到常溫。熱處理后鋼的強度、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。熱處理后力學性能為：σb615～1275MPa σs340～470MPa ζ15%～85% ψ15%～45% aKl96～294J/cm2 HBl80～225

低沖擊載荷時，可以達到HB300～400，高沖擊載荷時，可以達到HB500～800。隨沖擊載荷的不同，表面硬化層深度可達10～20mm。高硬度的硬化層可以抵抗沖擊磨料磨損。高錳鋼在強沖擊磨料磨損條件下，有優(yōu)異的抗磨性能，故常用于礦山、建材、火電等機械設(shè)備中，制作耐磨件。在低沖擊工況條件下，因加工硬化效果不明顯，高錳鋼不能發(fā)揮材料的特性。

中國常用的高錳鋼的牌號及其適用范圍是：ZGMn13—1(C 1.10%～1.50%)用于低沖擊件，ZGMn13—2(C1.00%～1.40%)用于普通件，ZGMn13—3(C0.90%～1.30%)用于復(fù)雜件，ZGMn13-4(C0.90%~1.20%)用于高沖擊件。以上4種牌號鋼的錳含量均為11.0%～14.0%。

在沖擊載荷作用的冷變形過程中，由于位錯密度大量增加，位錯的交割、位錯的塞積及位錯和溶質(zhì)原子的交互作用使鋼得到強化。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(xiàn)堆垛層錯，從而為ε馬氏體的形成和形變孿晶的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。常規(guī)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(jié)。ε馬氏體和形變孿晶的出現(xiàn)使鋼難以變形，尤其是后者的作用更大。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(shù)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，易于澆注成型。高錳鋼的線膨脹系數(shù)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(xiàn)應(yīng)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(diào)整和沉淀強化處理等方面的研究，并在生產(chǎn)實踐中得到應(yīng)用。介穩(wěn)奧氏體錳鋼的出現(xiàn)則可較大幅度降低鋼中碳、錳含量并使鋼的形變強化速度提高，可適用于高和中低沖擊載荷的工況條件，這是高錳鋼的新發(fā)展。

高錳鋼無磁鋼

這類鋼含錳大于17%，碳含量一般均在1.0%以下，常在電機工業(yè)中用于制作護環(huán)等。這類鋼的密度為7.87～7.98g/cm3。由于碳、錳含量均高，鋼的導熱能力差。導熱系數(shù)為12.979W/(m·℃)，約為碳素鋼的1/3。由于鋼是奧氏體組織，無磁性，其磁導率μ為1.003～1.03(H/m)。

第一章 高錳鋼的基礎(chǔ)知識

第一節(jié) 高錳鋼的化學成分

第二節(jié) 高錳鋼的和性能

主要參考文獻

第二章 高錳鋼的冶煉

第一節(jié) 堿性電弧爐氧化法

第二節(jié) 堿性電弧爐返回法

第三節(jié) 冶煉因素對高錳鋼質(zhì)量的影響

主要參考文獻

第三章 高錳鋼的鑄造

第一節(jié) 高錳鋼鑄造特性

第二節(jié) 高錳鋼鑄造工藝

第三節(jié) 鑄造因素對高錳鋼力學性能和耐磨性能的影響

第四節(jié) 高錳鋼的變質(zhì)處理

第五節(jié) 高錳鋼鑄造新方法2100433B

高錳鋼轍叉專利目的

《高錳鋼轍叉》所要解決的技術(shù)問題是提供一種高錳鋼轍叉，其高錳鋼轍叉各部件組合設(shè)置在一起，損壞可單獨更換。

高錳鋼轍叉技術(shù)方案

《高錳鋼轍叉》包括獨立的翼軌Ⅰ和翼軌Ⅱ以及設(shè)在翼軌Ⅰ和翼軌Ⅱ中間的轍叉心軌，所述轍叉心軌、翼軌Ⅰ以及翼軌Ⅱ之間通過螺栓固定；所述轍叉心軌包括尖端部和兩個軌道部，尖端部與兩個軌道部之間通過相適配面的配合；所述兩個軌道部之間設(shè)有隔塊Ⅰ。進一步的，所述尖端部與兩個軌道部之間相配合的面為臺階面。所述尖端部與兩個軌道部相配合位置處與兩側(cè)的翼軌Ⅰ和翼軌Ⅱ之間設(shè)有隔塊Ⅱ，固定螺栓穿過翼軌Ⅰ、翼軌Ⅱ、隔塊Ⅱ、尖端部、兩個軌道部將其固定在一起。所述隔塊Ⅰ與兩個軌道部之間通過螺栓穿過固定在一起。所述尖端部的尖頭端與兩側(cè)的翼軌Ⅰ和翼軌Ⅱ之間設(shè)有隔塊Ⅲ，固定螺栓穿過翼軌Ⅰ、翼軌Ⅱ、隔塊Ⅲ以及尖端部將其固定在一起。所述尖端部材質(zhì)為高強度耐磨合金鋼。所述尖端部與兩個軌道部相配合端的上表面的高度低于兩個軌道部上表面的高度。

高錳鋼轍叉改善效果

《高錳鋼轍叉》與2013年12月以前的技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：將翼軌、轍叉心軌的尖端部分和軌道部分都分別單獨鑄造，分別鑄造鑄件小、結(jié)構(gòu)簡單，能提高鑄件質(zhì)量；并且各部件通過可拆卸結(jié)構(gòu)組裝在一起，部件損壞可單獨更換，不用整體更換，更換方便，降低成本。

本書可供從事冶金、礦山、電力、建材、鐵路、煤礦、軍工等領(lǐng)域與高錳鋼相關(guān)的科研和工程技術(shù)人員參考。