【2017年整理】高锰钢前景展望

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1、高锰钢前景展望高锰钢：高锰钢也叫哈德菲尔德钢。它是英国人 R.A.Hadfield 教授于1883 年发明的性能优良的耐磨钢，属 Fe-Mn-C 系奥氏体锰钢，经典高锰钢公称锰含量为 13%。ISO 国际标准牌号为 GX100Mn13，我国国标为 ZGMn13 系列，德国 DIN 标准为 G-X120Mn13，俄罗斯国家标准为 11013 等。高锰钢诞生至今 120 多年的漫长岁月里，在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损，以其独特的“愈压愈坚”性能，在一个多世纪的耐磨材料领域里处于当仁不让的主角地位。进入 21 世纪，信息大潮浩浩荡荡，高锰钢非但没有被其它钢种所取代，发展速度更快，已成为磁悬浮

2、列车、新型主战坦克、矿山机器人等先进装备中的首选耐磨材料。今日广义的高锰钢含锰量已拓宽至中锰钢、超高锰钢。多少年来，人们一直梦想着有一种理想的耐磨材料。它既有坚硬的表面，耐磨性优良，又有柔韧的心部可以抵抗强烈冲击。同时生产便捷，成本低廉。现在看来：这种鱼与熊掌兼得的好东西，目前在强冲击磨料磨损领域、成熟的大工业商品，非正确使用下的高锰钢莫属。高锰钢在强大的冲击载荷和接触应力作用下，其表层迅速产生硬化，硬度可从 HBS200 急剧升高至 400-500 并有高密度位错和孪晶相继生成，从而产生高耐磨的表层，心部奥氏体却保持着极好的韧性。就这样硬化一层、磨损一层、次表层又被硬化，连续不断、周而复始、

3、层层抵抗。直至磨损到失效状态，真是一个理想的好材料。注意：高锰钢一定是在剧烈冲击或是强大压力下才能充分硬化。假如冲击力太弱，那就麻烦了。未等表面充分硬化，便已被磨损掉了。为了解决这个问题，早年甚至有一种在新高锰钢部件表面粘贴炸药，引爆使之预硬化的技术，只是商品化生产有困难而未大面积推广。所谓高锰钢不耐磨，大多属使用不当形成的不白之冤。这也解答了为什么高锰钢衬板大磨表现比小磨好，衬板表现不如腭板，小锤头不如大锤头的诸多此类问题。在日常机械设计中，涉及到耐磨零部件材质选用，许多设计人员往往不分什么场合、条件，一概选用高锰钢。这是错误的选用标准，在此向各位朋友倾情奉献一种时下当红的超高锰钢化学成分及

4、生产要点：元素 超高锰钢 作用、特点、要害 C 1.051.35 C 量越高耐磨性越好，但韧性变差 Si 0.30.8 仅作为辅助脱氧用，越低越好 Mn 1619 厚壁件、强烈冲击时取上限 S 0.04 有害元素，越低越好 P 0.04 极其有害元素，应想方设法降低 Cr 1.52.5 提高强度，但降低韧性 Mo 0.50.8 全面提高综合性能，但成本昂贵 Ni 0.81.2 可抑制高温脆化，适用于篦冷机锤头 Ti 0.10.15 提高耐磨性，但超过 0.2%变脆 Re 0.35% 细化晶粒、净化晶界 其它如 V、Nb 等都是很好的元素，就是成本贵了。特别要提的是 B，这个东西即是蜜糖，又是毒

5、药。有朋友问：高锰钢水韧处理是怎么回事？大凡合金钢淬火后都变的硬而脆，而高锰钢在淬火前却是很脆的，只有将其加热至1050C 至 1100C 保温一定时间后快速淬入水中后，其韧性变得极高，这种工艺就叫水韧处理。注意入水温度一定要大于 950C，且水温绝不可超过 45C。另一关键温度为浇注温度：T=1485-0.3壁厚（mm）C。特别要提醒的是：高锰钢铸件有其非常独特的规律，一味生搬硬套，就容易吃亏。比如高锰钢性能与壁厚有极大关系。工具书上的性能指标一般是指25mm 壁厚，当壁厚达到 120mm 以上时，因碳原子严重偏析将导致性能急剧恶化，一般人往往不注意这一点。例如在生产 DPC 2022 破碎

6、机锤头时（壁厚为157mm），屡屡发生断裂等恶性事故原因多在于此。此外，在高锰钢认识上有许多误区，栏主帮你勘误一二。如许多人津津乐道的高锰钢余热淬火问题，要么极其危险，要么纯属多余，总之不如不搞。再如许多专家“有鼻子有眼”的提出加铬提高耐磨性，其实加铬的主要目的是为了提高材料的强度，控制它的流变性，而对耐磨性贡献目前尚未观察到。又譬如硅在高锰钢中的有害作用，不像磷那样受人注意，但在厚断面铸件中，硅对韧性的危害可能会是灾难性的。仅有的一点硅也只是为了辅助脱氧和提高流动性。因此硅量不宜高，甚至可以看成杂质。高锰钢前景展望： 假如把目前的经典高锰钢比作“立窑小水泥”，那么高锰钢的“新型干法水泥”是个

7、什么概念呢？乌克兰科学家提出了震撼世人的超级高锰钢概念，其性能指标大大超过现今 ISO 标准高锰钢。 朋友们以往大多熟悉三天、二十八天抗压、抗折强度或是筛余、比表面积，再不就是各个率值等。在看两种高锰钢性能对比之前，需要先熟悉一下金属材料机械性能的代号及意义。 （1）屈服强度 0.2 强度是指金属材料在载荷作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的 0.2%时,材料承受的应力称为“条件屈服强度”,并以符号 0.2 表示。 （2）抗拉强度 b金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号 b 表示。 （3）伸长率 d 试样拉断后，标距长度的增加量与原标

8、距长度的百分比称为伸长率，用 d表示。 （4）断面收缩率 y 试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用 y 表示。金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。d、y 是衡量材料塑性变形能力大小的指标，d、y 大，表示材料塑性好。 （5）冲击韧性 AK生产中许多机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。金属的冲击韧性 AK 就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功。 （6）布氏硬度 HBS硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指

9、金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力。布氏硬度值 HBS 是试验力 F 除以压痕球形表面积所得的商。 （7）疲劳强度 -1 零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度,但在长时间运转后也会发生断裂,这种现象叫疲劳断裂。当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光滑试样的对称弯曲疲劳极限用 -1 表示。 现在可以请朋友们来看两种高锰钢的性能比，见下表： AK （J/cm2） 性能 品种 0.2 (MPa)b (MPa) (%) (%)硬度 20C -60C ISO 高锰钢 375 900 40 45 200 157 20超级高锰钢 1375 1700 5

10、7 75 550 290 196从上表可以看出，两种高锰钢性能差别，超级高锰钢具有极优的抗疲劳性能与抗裂纹扩展性能和极佳的铸造性能。具体参数如下： -1（疲劳强度） =105MPa，接触疲劳负荷时的寿命为 9106 次，接触冲击负荷时的寿命为 25.5106。流动性螺旋试样长度 586mm，抗裂性（沿试样裂纹总宽度）4.2mm。材料新技术开发： 1. 纳米合金化 推荐指数： 此技术当下以乌克兰科学院铸造研究所研发的纳米 TiN 技术为最“猛”，其强烈的细化晶粒作用，可极大提高高锰钢性能，应为超级高锰钢的骨干技术。2. 半固态挤压铸造 推荐指数： 此技术可有效克制高锰钢不致密的弱点，又是近终成型

11、的绿色制造技术，目前我国以北方交通大学为领军单位，用在小锤头提高寿命 250%以上。 3. 热等静压技术 推荐指数： 将重要高锰钢铸件置于 1150C、200Mpa 条件下处理，可显著提高铸件性能及可靠性。此技术原创为美国 Bateelle 研究所。 4. 原位增强技术 推荐指数： 在磨损部位放置 Ti、Al、Mg、C 粉预置块，利用钢水引燃形成二次冶金，在磨损部位生成极为坚硬的 TiC 组织，可谓好钢用在刀刃上。我国吉林大学姜启川先生已倾注近二十年心血。 5.弥散处理技术 推荐指数：使用专有的弥散热处理技术使高锰钢基体上弥散分布硬质点，既提高耐磨性又提高韧性。此技术河南科技大学谢敬佩校长颇为

12、权威。 6.电渣熔铸技术 推荐指数：此技术可有效遏止高锰钢“胎里带”坏毛病：粗大树枝晶及晶间间隙。非常有效提高高锰钢性能，哈尔滨焊接研究所与哈尔滨水泥厂五十年代即试验成功，可惜当年没有商业推广条件。 7.吹氮技术 推荐指数： 此技术为俄罗斯阿斯考里思克冶金机械厂发明，可实现高锰钢变质与净化双重目的。且成本低廉，是项高性价比技术。 8.碱土和稀土金属球化变质技术 推荐指数： 我国八十年代初既有大量研究机构和人员研究推广，它可改善钢中夹杂物的本质、形态、和分布特点，细化晶粒、净化晶界、提高综合性能。 9 海绵铁技术 推荐指数： 此技术为前苏联托洛思考里思克矿山机器厂在生产 KK1500/180 破

13、碎机时研制成功，它有效解决了“老天爷”都犯难的高锰钢降磷技术。 10. 预硬化技术 推荐指数： 此技术采用在铸件表面粘贴炸药引爆实现预硬化来提高寿命，原冶金部钢铁研究总院在六、七十年代层曾掀起过一阵研究高潮。生产实践中有许多采用将高锰钢铸件烤红加锤击、也有些许类似效果。 11.合金化技术 推荐指数： 这是无法用一段话说得清楚的问题，目前我国与全世界材料工作者将大量的热情与精力投入到这块技术进步的主战场上。目前已经在高锰钢合金化中应用的元素有：Cr、Mo、Ni、Ti、Zr、V、Nb、Al、N、B、Sb、W、Te、Ta、Bi、Cu、Ca 及稀土等几十种元素。B（硼）对高锰钢的作用：高锰钢中 0.00150.0030%B 相当于0.3%Cr、0.10.15%Mo 和 0.12%V 的作用，其极低的含量便有极大的作用，且价格极贱。但掌握不好其副作用也极大，以东北工大为首的一支科研队伍多年来潜心研究 B 在高锰钢中的作用，并列入国家“863”计划。 其它尚有如消失模铸渗、镶铸、双金属复合铸造、水冷铸造、离心铸造、悬浮铸造等特种铸造工艺如百花齐放，都可有效提升高锰钢性能。小知识 问：磁铁吸不住的一定是高锰钢吗？ 答：不一定，只有奥氏体具有无磁性特点，高锰钢是典型的奥氏体钢，故无磁性。但奥氏体钢不仅有高锰钢，还有奥氏体不锈钢、耐热钢等亦无磁性。