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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(RAHadfield)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 10以上。其化学成分为( ) ：C090 150Mn10.0150 Si0 301.0 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。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，有时还含有少量的磷共晶。碳化物
2、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10501100，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 0.2340 470MPa 15 8515 45 aKl96 294Jcm2 HBl80 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。奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时，金属外表发生塑性变形。形变强化的结果，在变
3、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，可以到达HB300 400，高冲击载荷时，可以到达HB500800。随冲击载荷的不同，外表硬化层深度可达10 20mm 。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：ZGMn13 1(C 1.10 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，ZG
4、Mn13-4(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。这是加工硬精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页化的重要原因。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
5、种因素都使高锰钢的硬化层得到很高程度的强化，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()() )，钢的液、固相线温度间隔较小，( 约为 50)，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15 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
6、高和中低冲击载荷的工况条件，这是高锰钢的新发展。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7.87 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13。由于钢是奥氏体组织，无磁性，其磁导率 为 1003103(H/m) 。编辑本段二、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0.7
7、5 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。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 。铬是提高抗磨性的，一般在2.0 左右。2、 炉料精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页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
8、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，但凡金属铸件，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。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5080mm 为宜。熔清后，炉温到达15801600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
9、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。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
10、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发动一样，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。假设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
11、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，且精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页成扁而宽的喇叭状，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
12、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。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350以下，升温速度 80/h ，750以下， 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
13、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。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， 3.2mm 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。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
14、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，实际上是快而省，这个观念不仅认识到，更重要的是要做到。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页ZGMn13 牌号-化学成分对应产品名：高锰铸钢标准对照表：日本 JIS G5131(1991) 韩国 KS D4104(1995) 美国 ASTM A128/A128M1998 标准内容：高锰铸钢(1)中国 GB 标准高锰铸钢 GB/T 5680 1998 a.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%精选学习
15、资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页钢号C Si Mn P S Cr Mo ZGMn13-1 ZGMn13-2 ZGMn13-3 ZGMn13-4 ZGMn13-5 b.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钢号力学性能不小于硬度HBS 用途范围b/MPa s/ Mpa (%) (%) ZGMn13-1 635 20 用于低冲击铸钢件ZGMn13-2 685 25 147 300 用于普通铸钢件ZGMn13-3 735 30 147 300 用于复杂铸钢件ZGMn13-4 735 39
16、0 20 300 用于特殊耐磨铸钢件ZGMn13-5 用于特殊耐磨铸钢件2中国 YB 标准高锰铸钢YB/T 036.4 1992 a.高锰铸钢的钢号与化学成分，见表5-29 。表 5-29 高锰铸钢的钢号与化学成分质量分数%钢号C Si Mn P S Cr 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页ZGMn13-1 ZGMn13-2 ZGMn13-3 ZGMn13-4 ZGMn13-5 b.高锰铸钢的力学性能与用途，见表5-30 。表 5-30 高锰铸钢的力学性能与用途钢号力学性能不小于硬度HBS 用途范围b/MPa 5/
17、Mpa AKU/J (%) ZGMn13-1 635 20 230用于低冲击铸钢件ZGMn13-2 635 20 120 230用于普通铸钢件ZGMn13-3 685 25 120 230用于复杂铸钢件ZGMn13-4 735 35 120 230用于高冲击铸钢件ZGMn13-5 735 15 用于特殊耐磨铸钢件3中国 JB 标准大型铸件用高锰铸钢JB/T 6404 1992 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页a.大型铸件用高锰铸钢的钢号与化学成分，见表5-31 。表 5-31 大型铸件用高锰铸钢的钢号与化学成分质量
18、分数%钢号C Si Mn P S Cr Ni/Mo ZGMn13-1 ZGMn13-2 ZGMn13-3 ZGMn13-4 ZGMn13Cr ZGMn13Cr2 ZGMn13Ni4 ZGMn13Mo ZGMn13Mo2 b.大型铸件用高锰铸钢的力学性能与用途，见表5-32 。表 5-32 大型铸件用高锰铸钢的力学性能与用途钢号力学性能不小于硬度HBS 用途范围b/MPa s/ Mpa AKV% ZGMn13-1 637 20 229用于低冲击铸钢件ZGMn13-2 637 20 184 229用于普通铸钢件ZGMn13-3 686 25 184 229用于复杂铸钢件精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页ZGMn13-4 735 35 184 229用于高冲击铸钢件ZGMn13Cr 490 30 用于特殊耐磨铸钢件精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页
