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1、一、高锰钢分类及简介1、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：2、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. 901. 50Mn10.0 15. 0Si0. 301.0 SW0.05 PW0.10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。上述成分的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，
2、有时还含有少量的磷共晶。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 105 01100C，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。 热处理后力学性能为：。b6151275MPa 。0.2340470MPa Z 15% 85% 血15%45% aKl96 294J/cm2 HB180 225高锰钢经过固溶处理后还会有少量的碳化物未溶解，当其数量较少符 合检验标准时，仍可使用。奥氏体组织的高
3、锰钢受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形。形变 强化的结果，在变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅度提高。 低冲击载荷时，可以达到HB300400,高冲击载荷时，可以达到 HB500 800。随冲击载荷的不同，表面硬化层深度可达 1020mm。高硬度的硬化层 可以抵抗冲击磨料磨损。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下，有优异的抗磨 性能，故常用于矿山、建材、火电等机械设备中，制作耐磨件。在低冲击 工况条件下，因加工硬化效果不明显，高锰钢不能发挥材料的特性。中国常用的高锰钢的牌号及其适用范围是：ZGMn131(C 1.10 % 1.50%)用于低冲击件，ZGMn13 2(C1.00 %1.40%)
4、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 %。在冲击载荷作用的冷变形过程中，由于位错密度大量增加，位错的交 割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使钢得到强化。这是加工硬 化的重要原因。另一个重要原因则是高锰奥氏体的层错能低，形变时容易出现堆垛层错，从而为马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。常 规成分的高锰钢的形变硬化层中常可以看到高密度位错、位错塞积和缠结。 马氏体和形变孪晶的出现使钢难以变形，尤其是后者的作用更大。上述 各种因素都使高锰钢的硬化层得到很
5、高程度的强化，硬度大幅度提高。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。高锰钢的铸造性能较好。钢的熔点低(约为14()() C),钢的液、固相线温度间隔较小，(约为50C),钢的导热性低，因此钢水流动性 好，易于浇注成型。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。为提高高锰钢的性能进行过很多合金化、微合金化、碳锰含量调整和 沉淀强化处理等方面的研究，并在生产实践中得到应用。介稳奥氏体锰钢 的出现则可较局gao大幅度降低钢中碳、锰含量并使钢的形变强化速度提 高，可适用于高和中低冲击载荷的工况条件，这
6、是高锰钢的新发展。3、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 7.877.98g/cm3。由于碳、锰含量均 高，钢的导热能力差。导热系数为12.979W / (mC),约为碳素钢的1/3。 由于钢是奥氏体组织，无磁性，其磁导率口为1. 0031. 03(H/m)。二、高锰钢的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。现对具体操作做 简要的说明，供生产者参考。1、化学成分高锰钢按照国家标准分为5个牌号，主要区别是碳的含量，其范围是 0.75%1.45%。
7、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%。超高锰钢尚无国标，但锰含量应大于 18%。硅含量的 高低，对冲击韧度影响较大，故应取下限，以不大于 0.5%为宜。低磷低硫 是最基本的要求，由于高的锰含量自然起到脱硫作用，故降磷是最要紧的， 设法使磷低于0.07 %。铬是提咼抗磨性的，一般在 2.0%左右。2、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)、 咼碳锰铁、中碳锰铁、咼碳铬铁及咼锰钢回炉料。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
8、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。3、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 1600C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 用覆盖剂盖严，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
9、不加覆盖，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400C以上是十分必要的。在出炉期间用 V-Fe、Ti-Fe、稀土等多种微量兀素做变质处理，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。4、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
10、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。5、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
11、，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 2.53. 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
12、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200C再开箱。6、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350C以下，升温速度80C/h, 750C以下，100C/h，且有不同时期的保温。至750 C 时，铸件内呈塑性状态，可以快速升温了。至1050C时根据铸件的厚度确定保温时间，然后再升到1100C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 30C，淬火后，水温 50C，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
13、面 流出。铸件在水池中要三个方向不停地一动。7、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，d 3.2mm X 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。8、生产的注意事项生产者要考虑的，不仅仅是降低生产成本，但更重要的是不出废品， 最大限度地出优质品，进而最到限度地扩大占领市场份额。这看起来是慢 而费，实际
14、上是快而省，这个观念不仅认识到，更重要的是要做到。ZGMn13牌号-化学成分对应产品名：咼锰铸钢标准对照表：日本 JIS G5131（1991）韩国 KS D4104（1995）美国 ASTM A128/A128M 1998标准内容：5.1.4高锰铸钢中国GB标准高锰铸钢GB/T 5680 1998a.高锰铸钢的钢号与化学成分，见表 5-27。表5-27高锰铸钢的钢号与化学成分（质量分数）（）钢号CSiMnPWSWCrMoZGMn13-11.001.450.301.0011.014.00.0900.040一一ZGMn13-20.901.350.301.0011.014.00.0700.040一
15、一ZGMn13-30.951.350.301.0011.014.00.0700.035一一ZGMn13-40.901.300.301.0011.014.00.0700.0401.502.50一ZGMn13-50.751.300.301.0011.014.00.0700.040一0.901.20b.高锰铸钢的力学性能与用途，见表5-28。表5-28高锰铸钢的力学性能与用途力学性能（不小于）硬度HBS钢号Ob/MPaos/ Mpa8(%)(%)用途范围ZGMn13-1635一20一一用于低冲击铸钢件ZGMn13-2685一25147300用于普通铸钢件ZGMn13-3735一30147300用于复杂铸钢件ZGMn13-473539020一300用于特殊耐磨铸钢件ZGMn13-5一一一一一用于特殊耐磨铸钢件（2）中国YB标准高锰铸钢YB/T
