耐磨高錳鋼的生產(chǎn)技術(shù)

魯志武，董必義

（太重集團(tuán)特鑄分公司，山西 太原 030024）

高錳鋼是1882年英國(guó)人R·A·哈特菲爾德（Hadfield）發(fā)明的。發(fā)現(xiàn)含錳10%或更高時(shí)加熱到1000℃左右并在冷水中淬火后可獲得良好性能的高錳鋼。

高錳鋼也稱奧氏體鋼，主要有四大類：高碳高錳耐磨鋼、中碳高錳無(wú)磁鋼、低碳高錳無(wú)磁鋼和高錳耐熱鋼。在這里我們主要介紹高碳高錳耐磨鋼。

含碳0.9%～1.45%、含錳11%～14%的高錳鋼代號(hào)一般為ZGMn13是經(jīng)典的耐磨鋼。經(jīng)水韌處理后可得到單一的奧氏體組織，具有優(yōu)良的韌性和無(wú)磁性。其特點(diǎn)是在較大的沖擊力和接觸應(yīng)力的作用下，其表面層將迅速硬化——晶體受到扭曲并有馬氏體形成，從而產(chǎn)生了耐磨的表面層，而內(nèi)部仍為奧氏體，保持了優(yōu)良的沖擊韌性。即便零件磨到很薄仍能承受較大的沖擊載荷而不破裂。通常應(yīng)同于破碎機(jī)的垂頭、齒板、軋臼壁、挖掘機(jī)零件以及球磨機(jī)的襯板、鐵軌道岔等。

太重集團(tuán)特鑄分公司是生產(chǎn)耐磨高錳鋼和耐熱鋼鑄件的專業(yè)廠，有20余年生產(chǎn)高錳鋼的歷史。其產(chǎn)品主要為集團(tuán)公司的產(chǎn)品配套、并為礦山和工程機(jī)械挖泥船等提供配件。尤其是高錳鋼履帶板、驅(qū)動(dòng)輪和斗齒等耐磨件深受用戶的贊譽(yù)（如圖1）。

1 高錳耐磨鋼的熔煉、主要成分及性能

1.1 高錳鋼的冶煉

一般熔煉高錳鋼都在電爐中進(jìn)行，這里主要說(shuō)一下其溶煉特點(diǎn)。評(píng)價(jià)高錳鋼冶煉質(zhì)量的指標(biāo)之一是鋼中夾雜物的數(shù)量、類型和分布狀態(tài)。分布在晶界的、粗大的、低熔點(diǎn)的夾雜物對(duì)鋼的力學(xué)性能和耐磨性均有不利的影響。為了減少夾雜物，最主要的環(huán)節(jié)是冶煉時(shí)保證獲得純凈的鋼水，特別是在加錳后，要?jiǎng)?chuàng)造還原氣氛，防止錳的氧化，在爐料熔化過(guò)程中，應(yīng)補(bǔ)加石灰和氧化鐵形成高堿度和強(qiáng)氧化性爐渣，進(jìn)行有效脫磷，冶煉終了時(shí)要造好白渣、脫氧良好、出鋼后在包中適當(dāng)靜置。

圖1 耐磨件產(chǎn)品

高錳鋼鑄件出現(xiàn)柱狀晶時(shí)，機(jī)械性能及耐磨性明顯下降，為提高冶金質(zhì)量，細(xì)化鑄態(tài)組織，可采用控制澆注溫度1420℃～1440℃。出鋼溫度不宜過(guò)高，高錳鋼的液相線為1400℃固相線為1350℃。出鋼溫度太高會(huì)使原始晶粒粗大，利用鎮(zhèn)靜降溫是不可取的。為細(xì)化晶粒也可進(jìn)行變質(zhì)處理如在出鋼前加入0.3%～0.5%的稀土（稀土硅），稀土的加入方法是一般在出鋼前加入爐內(nèi)，可起到細(xì)化晶粒、脫氧和去除雜質(zhì)的作用，也可加入包內(nèi)，但應(yīng)注意塊度，以40mm～60mm為宜。一般來(lái)說(shuō)組織越細(xì)耐磨性能越好。需要說(shuō)明的是，熔煉高錳鋼時(shí)不可用酸性爐襯，爐襯和修補(bǔ)爐時(shí)應(yīng)用堿性或中性材料。

1.2 高錳鋼的牌號(hào)

高錳鋼的牌號(hào)（GB5680-1998）見(jiàn)表1。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，有五個(gè)牌號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中各廠又派生出一些廠標(biāo)號(hào)，都具有各自的特點(diǎn)，目前尚未進(jìn)入國(guó)標(biāo)。

1.3 高錳鋼的力學(xué)性能

高錳鋼的力學(xué)性能指經(jīng)水軔處理后的性能如表2所示。

1.4 各化學(xué)元素對(duì)高錳鋼性能的影響

任何一種鋼都含有主要元素和有害元素，從表1和表2不難看出。如果高錳鋼的成分控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則可保證其力學(xué)性能。所以有必要對(duì)其中主要元素含量的增減對(duì)耐磨高錳鋼的性能有什么影響來(lái)進(jìn)行討論，以便在生產(chǎn)實(shí)踐中加以控制，達(dá)到最佳性能，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1）碳

碳在高錳鋼中的作用是：促成奧氏體的形成，有利于提高高錳鋼的耐磨性和硬度，但是隨著碳的增加使鋼的韌性降低，塑性也降低，使裂紋的敏感性增大。特別是在磷相對(duì)較高的情況下，更應(yīng)相應(yīng)控制碳，不應(yīng)取高限。一般來(lái)說(shuō)生產(chǎn)較復(fù)雜的鑄件如履帶板等碳不取高限。碳可提高高錳鋼的流動(dòng)性對(duì)生產(chǎn)薄件有利。含碳低含錳高的鋼具有高韌性，但錳也不可含量太高，如錳≧14%時(shí)鋼的強(qiáng)度和韌性會(huì)下降，且對(duì)白斑的敏感性也增大。

表1 高錳鋼的牌號(hào)（GB/r5680-1998） 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

表2 高錳鋼的力學(xué)性能

2）錳

錳是高錳鋼中的關(guān)鍵元素。錳起擴(kuò)大奧氏體區(qū)、穩(wěn)定奧氏體的作用。在具體實(shí)踐中，對(duì)復(fù)雜的受沖擊大的鑄件錳可高點(diǎn)兒。一般可選碳0.9%～1.1%、錳10%～13%，錳碳比適當(dāng)提高。

3）硅

一般來(lái)講硅對(duì)高錳鋼的性能沒(méi)有明顯影響。硅可提高鋼中固溶體的硬度和強(qiáng)度，對(duì)提高鋼的冷作變形硬化率的作用強(qiáng)，故而可提高鋼的耐磨性。但在高錳鋼中由于硅降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，含硅高時(shí)容易出現(xiàn)晶界碳化物，導(dǎo)致鑄造時(shí)開(kāi)裂和加熱保溫過(guò)程中表面脫碳的傾向，因此將硅量控制在規(guī)定成分下限。

4）磷

磷對(duì)高錳鋼更是有害元素，鑄造高錳鋼ZGM13系奧氏體耐磨鋼，為強(qiáng)化鋼的耐磨性和避免鑄件產(chǎn)生裂紋，應(yīng)嚴(yán)格控制磷。磷在高錳鋼中溶解度很小，易偏析形成磷共晶，它熔點(diǎn)低分布在晶界和枝晶間，使鑄件產(chǎn)生熱裂——磷超標(biāo)時(shí)使高錳鋼的δ下降所致。

5）硫

高錳鋼中含硫較低。硫易和錳化合成硫化錳，而大部分進(jìn)入爐渣中，少量在鋼中以非金屬夾雜物存在，對(duì)鋼的性能影響很微小，可忽略不記。

6）鉻

一般加鉻1%～2%時(shí)，在強(qiáng)沖擊較硬的磨料使用時(shí)，耐磨性有明顯的提高，如破碎機(jī)的軋臼壁，明顯提高了耐磨性，延長(zhǎng)了使用壽命。

但由于鉻溶于奧氏體中在熱處理時(shí)，使含鉻的碳化物難以溶解，共析組織升溫時(shí)也難以轉(zhuǎn)變，因此得到單一的奧氏體較難，所以固溶溫度（即水韌）應(yīng)提高30℃～50℃。

7）鉬

ZGMn13-5這種牌號(hào)中加入鉬（Mo）0.9%～1.2%，鉬可以細(xì)化晶粒，可以使碳化物成彌散分布，而且鉬可以降低脆性，使鑄件在低溫地區(qū)使用有更好的韌性及耐磨性。

2 高錳鋼的鑄造性能

高錳鋼的導(dǎo)熱性差，僅為碳鋼的1/4～1/5，凝固慢收縮大，易產(chǎn)生熱裂、冷裂。線收縮大（自由收縮為2.4%～3.6%），凝固收縮約6.5%也比碳鋼大，對(duì)裂紋的敏感性大，尤其在鑄造凝固時(shí)很易開(kāi)裂。

2.1 造型材料的選用

因?yàn)楦咤i鋼的鋼水表面有較多的MnO，所以決定其不可用硅砂。如果使用硅砂，型砂中的SiO2和鋼液中的MnO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的鹽類，黏附在鑄件表面形成化學(xué)粘砂?；诖丝蛇x用中性或堿性型（芯）砂，一般可選用鎂砂、橄欖石砂、剛玉砂或高鋁礬土砂。都可取得良好效果，如果用樹(shù)脂黏結(jié)劑應(yīng)十分注意通氣。高錳鋼在凝固時(shí)收縮大、熱應(yīng)力大，所以在設(shè)計(jì)箱帶和控制吃砂量時(shí)應(yīng)十分注意。特別是型（芯）砂的退讓性要好，防止裂紋。

2.2 澆注系統(tǒng)

除遵守一般的原則外，對(duì)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取內(nèi)澆口多而分散、截面應(yīng)薄而寬易打斷為好，但不的阻礙收縮。澆注系統(tǒng)多采用開(kāi)放式的。

幀間一致性的八叉樹(shù)可視外殼三維重建……………………………………………………………………………李 霞（1.24）

2.3 冒口設(shè)計(jì)

采用易割片卡脖冒口是高錳鋼冒口的特點(diǎn)之一。

雖然高錳鋼的凝固收縮比碳鋼大，但冒口的設(shè)計(jì)不必太大，這是由于高錳鋼的流動(dòng)性很好，可采用低溫澆注，其液態(tài)收縮小，所以鋼水利用率一般和碳鋼相當(dāng)，甚至更高。

對(duì)壁厚均勻的鑄件可采用同時(shí)凝固，截面不均勻的鑄件可采用順序凝固。冒口一般采用帶割片的保溫冒口易于打掉。

高錳鋼一般不用內(nèi)冷鐵，對(duì)局部的熱節(jié)可采用貼砂外冷鐵，以造成同時(shí)或順時(shí)凝固。

2.4 造型（芯）

應(yīng)盡量減少披縫，外皮應(yīng)修平整、芯子應(yīng)把披縫堵死，防止披縫的產(chǎn)生，阻礙收縮造成裂紋。

2.5 高錳鋼的澆注

一般都應(yīng)遵循低溫快澆的原則。

高錳鋼流動(dòng)性好，充型能力強(qiáng)，推薦澆注溫度為1420℃～1440℃，澆注應(yīng)采用 慢—快—慢的操作，特別到分型面處應(yīng)小流；上冒口2/3時(shí)改由冒口澆滿，有條件時(shí)點(diǎn)注2～3次，冒口上方加復(fù)蓋劑。目的是加強(qiáng)補(bǔ)縮效果。

2.6 高錳鋼鑄件的清理

澆注完的鑄件經(jīng)保溫，鑄件溫度在≤200℃時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鑄件可以在400℃，從砂箱中取出，打箱后的鑄件禁止碰撞，動(dòng)用割刀及焊補(bǔ)。鑄件清理凈砂子，把小、薄的飛邊、毛刺用錘子打掉，進(jìn)行熱處理。

3 高錳鋼的熱處理

高錳鋼件在鑄態(tài)時(shí)為兩相組織，碳化物分布在奧氏體的晶界上，十分脆弱。鑄態(tài)不經(jīng)熱處理的高錳鋼件沒(méi)有使用價(jià)值。高錳鋼件只有經(jīng)過(guò)正確的熱處理，使碳化物全部溶解在奧氏體中，才能在使用時(shí)發(fā)揮其優(yōu)良性能。

高錳鋼的熱處理稱為淬火，也稱為奧氏體化熱處理或固溶處理，一般高錳鋼的淬火在水中進(jìn)行，所以也叫水韌處理。

高錳鋼的熱處理工藝見(jiàn)表3（僅供參考）：

表3 高錳鋼淬火溫度

經(jīng)過(guò)水韌處理后的高錳鋼件重新加熱到350℃以上，碳化物會(huì)重新析出，并形成屈氏體或回火馬氏體，使鋼的塑性和韌性急劇下降，故此水韌后的高錳鋼件應(yīng)避免重新加熱到350℃以上，也不宜在350℃以上的環(huán)境中使用。

高錳鋼淬火一般要求水重與件重之比為10∶1，水溫在淬火后不應(yīng)≦50℃，一般水應(yīng)攪動(dòng)、循環(huán)。

4 高錳鋼的焊補(bǔ)

高錳鋼的可焊性差，一般不提倡焊補(bǔ)，凡不影響強(qiáng)度和使用的缺陷可以不焊補(bǔ)。對(duì)必須焊補(bǔ)的，只能用高錳鋼焊條或不銹鋼奧氏體焊條，焊接時(shí)用小電流細(xì)焊條，不必預(yù)熱，防止碳化物析出，焊補(bǔ)應(yīng)間斷進(jìn)行，不應(yīng)連續(xù)施焊，應(yīng)嚴(yán)格控制焊肉的層間溫度，盡量減小熱影響區(qū)，必要的時(shí)候，在焊接時(shí)對(duì)非焊接區(qū)進(jìn)行水冷。

對(duì)使用過(guò)的高錳鋼件如斗齒一類的鑄件，堆焊前應(yīng)把使用后的硬化層磨去再行焊補(bǔ)。

5 結(jié) 論

高錳鋼發(fā)明100多年來(lái)，由于它優(yōu)良的性能一直是工程應(yīng)用廣泛的耐磨材料，而且隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，又研究出新的品種如超高錳鋼等。

1）高錳鋼在熔煉和鑄造上有不少特點(diǎn)，生產(chǎn)時(shí)必須注意。

2）高錳鋼的應(yīng)用必須了解使用環(huán)境，高錳鋼經(jīng)水韌才具后天的性能。只有使用在有較大沖擊力和接觸應(yīng)力的條件下，才有良好的耐磨性。

3）高錳鋼的起始硬度、屈服強(qiáng)度較低，在非強(qiáng)烈沖擊磨損工況耐磨性不足。

4）高錳鋼的使用溫度不得超過(guò)350℃。

5）高錳鋼焊接性不良，這是今后研究的課題。

［1］機(jī)械工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)（材料部分）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］太重集團(tuán).高錳鋼的熱處理［G］.太重集團(tuán).

［3］鑄造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)編委會(huì)。鑄造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)物資出版社，2004.