高锰钢（合金钢）

高锰钢

合金钢

高锰钢指含锰量在10%以上的合金钢，是专为重工业提供使用的一种防磨钢材，应用领域包括采石、采矿、挖掘、煤炭工业、铸造和钢铁行业等。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。

简介

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：

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(%)：C0.90～1.50，Mn10.0～15.0，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。

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)。

成分和特性

高锰钢按照标准分为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%。

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。其中锰的含量用金属元素分析仪分析很拿手，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。

铸造工艺

在高能量冲击的工作条件下，高锰钢与超高锰钢铸件的应用范围是广阔的。许多铸造厂，对生产此类钢种铸件缺乏必要的认识。

炉料

入炉材料是由化学成分决定的。主要炉料是优质碳素钢（或钢锭）、高碳锰铁、中碳锰铁、高碳铬铁及高锰钢回炉料。这里特别提醒的是由人认为只要化学成分合适，就可以多用回炉料。这个人士是有害的。某些厂之所以产品质量不佳，皆出于此。不仅高锰钢、超高锰钢，凡是金属铸件，绝不可以过多的使用回炉料，回炉料不应超过25%。那么，回炉料过剩该如何？只要把废品降到最低，回炉料就不会过剩。

熔炼

这里着重讲加料顺序，无论用中频炉，还是电弧炉熔炼，总是先熔炼碳素钢，而各类锰铁和其他贵重合金材料，要分多次，每次少量入炉，贵重元素在最后加入，以减少烧损。料块应尽量小些，以50－80mm为宜。熔清后，炉温达到1580－1600℃时，要脱氧、脱氢、脱氮，可用铝丝，也可用Si-Ca合金或SiC等材料。将脱氧剂一定压到炉内深处。金属液面此时用复盖剂盖严，隔断外界空气。还要镇静一段时间，使氧化物、夹杂物有充足时间上浮。

然而，不少企业，只将铝丝甚至铝屑，撒再金属液面上，又不加复盖，岂不白白浪费！在此期间，及时用中碳锰铁来调整锰与碳的含量。钢液出炉前，将浇包烘烤到400℃以上是十分必要的。在出炉期间用V-Fe、Ti-Fe、稀土等多种微量元素做变质处理，是使一次结晶细化的必要手段，它对产品性能影响是至关重要的。

炉料与造型材料

要延长炉令，当分清钢种与炉衬的属性。锰钢属碱性，炉衬当然选用镁质材料。捣打炉衬要轮番周而复始换位操作。添加炉衬材料不可过厚，每次80厘米左右为宜，捣毕要低温长时间烘烤。如提高生产效率，笔者建议采用成型坩埚（沈阳力得厂和恒丰厂均又成品出售），从拆炉捣装成，不用1小时，即可投入生产，同时成型坩埚对防穿炉大裨益。

当然，炉令的长短与操作者大又关系。不少操作者像掷铅球的运动员一样，把炉料从三四米之外投入炉内，既不安全又伤炉令，应将炉料置于炉口旁预热，然后用夹子慢慢地将炉料顺炉料置于炉口旁预热，然后用夹子慢慢地将炉料顺炉壁放入。造型材料和涂料也应与金属液属性相一致，或者用中兴材料（如铬铁矿砂、棕刚玉等）。若想获得一次结晶细化的集体，采用蓄热量大的铬铁矿砂是正确的，尤其是消失模生产厂，用它将克服散热慢的缺点。

铸造工艺设计

锰钢的特点是凝固收缩大，散热性差，据此，在工艺设计中铸造收缩率取2.5%－2.7%，铸件越长大、越应取上限。型砂与砂芯的退让性一定要好。浇注系统采取开放式。多个分散的内浇道从铸件的薄壁处引入，且成扁而宽的喇叭状，靠近铸件处的截面积大于与横浇道相联的截面积，使金属液快速平稳地注入铸型，防止整个铸型内的温差过大。

冒口直径要大于热节直径，紧靠热节，高度是直径的2.5－3.0倍，必须采用热冒口甚至浇冒口合一，让充足的高温金属液来不足铸件在凝固收缩时之空位。将直浇道、冒口位于高处（砂箱有5－8。的斜度）也是正确的。浇注时尽可能低温快浇。一旦凝固，要及时松砂箱。聪明的设计师总是善于利用冷铁，包括内冷铁于外冷铁，它既细化一次结晶，消除缩孔、缩松，又提高工艺出品率，当然，适宜的用量和规格是应该考虑的。

内冷铁要干净、易熔，用量以少为宜。外冷铁的三维尺寸与冷却物的三维尺寸为0.6－0.7倍的函数关系。过小不起作用，过大造成铸件开裂。铸件在型内要长时间保温，直到低于200℃再开箱。

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。

切割与焊接

因为锰钢热传导性能差，所以在切割浇冒口时应十分注意。最好将铸件置于水中，被切割部分露在水外，切割时留一定量的茬，热处理后磨掉。

不少厂，焊接和焊补成为必然。选用奥氏体基的锰镍焊条（D256或D266型），规格细长，φ3.2mm×350mm，外层药皮为碱性。操作时采用小电流，弱电弧，小焊道多焊层、始终保持低温度少热量的操作方法。一边焊接一边击打，消除应力。重要铸件必须探伤。

常用牌号

中国常用的高锰钢的牌号及其适用范围是：ZGMn13—1(C1.10%～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%。

影响因素

1.碳化物对高锰钢性能的影响

降低冲击韧性及抗拉强度。

2.非金属夹杂物对高锰钢性能的影响

在钢液凝固时，大量的氧化锰以非金属夹杂物的形式析出在钢的周界上，降低钢的冲击韧度，并使铸件的热裂纹倾向增大。

3.化学成分的选择及对高锰钢性能的影响

(1)含碳量和含锰量

钢中含碳量过低时，不足以产生有效的加工硬化效果；而当碳含量过高时，又会在铸态中出现大量的碳化物，特别是出现粗大的碳化物，因此为了避免析出碳化物，必须控制含碳量不得过高。

为了保证高锰钢的性能，必须有足够的含锰量。含锰量过低时不能形成单一的奥氏体组织；而过高的含锰量也是不必要的，生产中一般规定，WMn控制在11.0%～14.0%，WC控制在0.9%～1.3%。应该指出的是，含锰量与含碳量之间应有适当的搭配，即应有适宜的锰碳比，一般控制在Mn/C=10。

(2)含硅量

高锰钢中Wsi的规格含量为0.3%～0.8%，硅会降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，使钢的耐磨性和冲击韧度降低，因此硅量应控制在规格下限。

(3)含磷量

高锰钢的规格含量为Wp≤0.7%，熔炼高锰钢时，由于锰铁的含磷量较高，因此一般情况下钢中的含磷量也比较高。因为磷会降低钢的冲击韧度并使铸件容易开裂，所以应尽量降低钢的含磷量。

(4)含硫量

高锰钢的规格要求Ws≤0.05%，高锰钢因为含锰量高，使钢中大部分的硫与锰在熔炼过程中相互化合而形成硫化锰(MnS)而进入炉渣中，因而钢中的硫含量经常是较低的(一般不超过0.03%)，因此，在高锰钢中硫的有害作用比磷高。

参考资料

1.高锰钢化学成分及含量特性 ·南京华欣分析仪器制造有限公司