介紹

　　含錳量在10%以上的合金鋼。1882年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)取得了高錳鋼優(yōu)質(zhì)。高錳鋼依其用途的不同可分為兩大類：

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(xué)成分為(%)：
　　C0．90～1．50Mn10.0～15．0
　　Si0．30～1.0S≤0.05P≤0.10這類高錳鋼的用量多，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、高錳鋼鑄件水韌處理工藝球磨機襯板、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(xué)性能為：σb615～1275MPaσ0.2340～470MPaζ15%～85%ψ15%～45%aKl96～294J/cm2HBl80～225
　　高錳鋼經(jīng)過固溶處理后還會有少量的碳化物未溶解，當(dāng)其數(shù)量較少符合檢驗標(biāo)準(zhǔn)時，仍可使用。
　　奧氏體組織的高錳鋼受到?jīng)_擊載荷時，金屬表面發(fā)生塑性變形。形變強化的結(jié)果，在變形層內(nèi)有明顯的加工硬化現(xiàn)象，表層硬度大幅度提高高錳鋼鑄造。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)異的抗磨性能高錳鋼鑄件
，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高錳無磁鋼，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(C1.10%～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14()()℃)，鋼的液、固相線溫度間隔較小，(約為50℃)，鋼的導(dǎo)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)則可較局gao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。

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(dǎo)熱能力差。導(dǎo)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(dǎo)率μ為1．003～1．03(H/m)。

高錳鋼鑄造工藝

　　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。
　　1 、化學(xué)成分
　　高錳鋼按照標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，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。低磷低硫是基本的要求，由于高的錳含量自然起到脫硫作用，故降磷是要緊的，設(shè)法使磷低于0.07%。鉻是提高抗磨性的，一般在2.0%左右。
　　2、 爐料
　　入爐材料是由化學(xué)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(xué)成分合適，就可以多用回爐料。這個人士是有害的。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？只要把廢品降到低，回爐料就不會過剩。
　　3 、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。
　　4、 爐料與造型材料
　　要延長爐令，當(dāng)分清鋼種與爐襯的屬性。錳鋼屬堿性，爐襯當(dāng)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(dāng)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。
　　5、 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(dāng)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。
　　6 、熱處理
　　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，然后再升到1100℃以上。給出爐降溫留有余地然后盡快入水。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。
　　7、 切割與焊接
　　因為錳鋼熱傳導(dǎo)性能差，所以在切割澆冒口時應(yīng)十分注意。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。
　　8、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，大限度地出優(yōu)質(zhì)品，進而到限度地擴大占領(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。

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