高錳鋼研究進展和展望

呂仁杰 裴 偉

(1:山西中條山機電設(shè)備有限公司 山西垣曲 043700；2: 北京科技大學(xué) 北京 100083)

1 前言

1882年，英國冶金學(xué)家 Robert Abbott Hadfield 將鋼中錳含量添加至12%，經(jīng)水韌處理后能過得單一的奧氏體組織，在高應(yīng)力、強沖擊的工況下便顯出良好的耐磨性能，并發(fā)現(xiàn)高錳鋼特殊的硬度和磁學(xué)性能[1]。長期以來高碳高錳的Hadfield鋼廣泛應(yīng)用于各種沖擊磨損工況，獲得良好的應(yīng)用效果，甚至被認為是萬能的抗磨材料。200系以錳代鎳的不銹鋼因其成本優(yōu)勢在中國和印度具有廣闊的市場，低磁導(dǎo)率無磁鋼在電力行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。近年來，對高錳鋼的進一步認識和研究，第二代高強汽車用鋼采用孿生誘發(fā)塑性鋼(TWIP)，其抗拉強度(Rm)和延伸率(A)的乘積在 50000MPa%以上，是相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)的兩倍。TWIP鋼具有高強度、高塑性、高強塑積和良好的吸能作用，別認為是現(xiàn)代汽車輕量化材料之一。本文綜述奧氏體的高錳鋼的近些年來的發(fā)展情況，并對高錳鋼的應(yīng)用做進一步展望。

2 耐磨高錳鋼

自1882年高錳鋼被發(fā)明以來，高錳鋼就一直被用作耐磨鋼，常被用來生產(chǎn)火車道軌道閘、破碎機齒板、(半)自磨機襯板等。高碳高錳的Hadfield鋼應(yīng)用于各種沖擊磨損條件時，擁有良好的耐磨性能，一度被認為是萬能的抗磨材料，但是也有許多不足：1)屈服強度不高，一般小于350MPa，使用中會易發(fā)塑性流變，導(dǎo)致工件失效；2)奧氏體的穩(wěn)定性不高，大型鑄件在鑄造凝固和淬火處理時冷速不夠，脆性碳化物在心部析出降低了高錳鋼的韌性；3)水韌處理后硬度較低(HB180～220)，沖擊應(yīng)力較小的工況下使用時，無法充分加工硬化，耐磨性較差；4)在-20℃～-40℃的低溫下使用時，會造成低溫脆性斷裂，無法在低溫下發(fā)揮其強韌性。

為了克服傳統(tǒng)高錳鋼的不足，國內(nèi)外學(xué)者進行了許多的研究，對高錳鋼進行合金化處理可以強化其奧氏體基體，使加工硬化能力得到提高。在高錳鋼中添加2%以上的Mo可以使殘留在高錳鋼中的碳化物分散成球狀；Cr的加入可以提高高錳鋼的加工硬化率，但在高沖擊的使用下不僅不能提高耐磨性，反而會因析出的網(wǎng)狀碳化物引起鑄件韌性下降。V和Ti的加入可以細化高錳鋼組織，且V的加入可以提高高錳鋼的碳含量，并形成細小的、分散度大而穩(wěn)定的碳化物[2]。

超高錳為其中突出代表。超高錳鋼是在常規(guī)ZGMn13的基礎(chǔ)上研究出來的一種新型耐磨材料，C含量在0.9%～1.5%，Mn含量在17%～25%。C、Mn含量的進一步提高，使鋼的加工硬化能力明顯增強，從而獲得更優(yōu)異的耐磨性能。Y.H.Wen等[3]對傳統(tǒng)高錳鋼和超高錳鋼做了力學(xué)性能的對比，如圖1所示；傳統(tǒng)高錳鋼和超高錳鋼不同沖擊條件下的硬度變化如圖2所示。由此可見，在高錳鋼中出現(xiàn)ε-馬氏體，避免出現(xiàn)ɑ-馬氏體，既可以提高硬度，增強耐磨性，又能保證襯板不變形，因為ε-馬氏體為密排六方結(jié)構(gòu)，與面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體基體的原子密度相同。

a)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線 b)加工硬化率-真應(yīng)變曲線圖1 傳統(tǒng)高錳鋼(Hadfled steels)和超高錳鋼(Fe18Mn5Si0.35C)力學(xué)性能對比圖

a)傳統(tǒng)高錳和超高錳鋼不同沖擊條件下硬度變化圖 b)超高錳鋼在不同拉伸條件下各個強化相含量圖2 傳統(tǒng)高錳鋼和超高錳鋼不同條件下的參數(shù)變化圖

借鑒于輕量化在汽車方面的使用，為高錳鋼在耐磨領(lǐng)域也注入新的理念。在超高錳鋼的合金體系添加大量的鋁，可以在保證高錳鋼耐磨性的前提下，降低高錳鋼的密度，同時提高高錳鋼的初始硬度[4-5]。隨著新型高硬度耐磨材料的出現(xiàn)，高錳鋼在面對低沖擊情況的優(yōu)勢不再明顯，但高硬度材料的沖擊韌性較低，在復(fù)雜環(huán)境下使用安全性較低。使用液固結(jié)合法可以使高錳鋼和金屬陶瓷成功的結(jié)合在一起，延長高錳鋼水韌處理過程中保溫時間可以減小高錳鋼的產(chǎn)生裂紋的傾向，使用金屬陶瓷對高錳鋼進行強化可以提高超高錳鋼的耐磨性[6]。另外在超高錳鋼中鑲嵌硬質(zhì)合金的方法也可以提高超高錳鋼的耐磨性，硬質(zhì)相的存在會抵抗磨粒的磨損，使復(fù)合材料的耐磨性比高錳鋼提高了2.5倍[7]。

3 先進高強汽車用鋼

1997年德國馬普所Gr?ssel和Frommeye等[8-9]學(xué)者在研究Fe-25Mn-3Si-3Al時發(fā)現(xiàn)大量形變孿生，首先提出孿生誘發(fā)塑性效應(yīng)的概念。隨之TWIP鋼的研究引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。利用低能態(tài)共格孿晶界強化和孿生增塑效應(yīng)來解決金屬材料強韌引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。TWIP鋼被認為是第二代先進高強鋼(advanced high strength steel)，具有高強度(600MPa～1100MPa)、高塑性(延伸率50%-95%)、高的應(yīng)變硬化性、高的能量吸收能力和良好的低溫性能，其強塑積大于50000MPa%，是普通DP鋼、TRIP鋼的兩倍以上，是一種理想的汽車用抗沖擊結(jié)構(gòu)材料和吸能材料，可應(yīng)用于汽車、軍工、航空、石油開采等領(lǐng)域。

高強、高塑的TWIP鋼已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視，在汽車領(lǐng)域開展大量的研究，隨著TWIP鋼理論不斷完善，成分體系和制備工藝不斷成熟，已具備工業(yè)化生產(chǎn)條件，正在由實驗室研發(fā)走向批量生產(chǎn)與應(yīng)用。國內(nèi)外大型鋼鐵公司和汽車廠，如安賽樂米塔爾、德國蒂森和韓國浦項以及我國寶鋼、鞍鋼都已經(jīng)開始批量試制TWIP鋼產(chǎn)品，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

表1 部分TWIP鋼的成分、層錯能、晶粒尺寸及制備工藝(*為文獻圖中讀取)

圖3 TWIP鋼的研究歷程及近況(合金編號同表1，部分數(shù)據(jù)由文獻圖中讀取)

表1和圖3是國內(nèi)外公開發(fā)表文獻中部分數(shù)據(jù)的匯總，研究表明層錯能為20-50mJ/m2的奧氏體高錳鋼可以獲得TWIP效應(yīng)，目前開發(fā)了多種成分體系，有學(xué)者將其分為三代，第一代是Gr?ssel等研究的Fe-25Mn-3Si-3Al，具有很高的塑性和中等的抗拉強度，但Al、Si含量高，不利于澆鑄和鍍層；為此開發(fā)了Fe-Mn-C第二代TWIP鋼，碳含量提高，強度明顯增加，延伸率有所降低，但遇到延遲開裂問題；第三代TWIP鋼是在Fe-Mn-C基礎(chǔ)上加入Al、Nb、V、Ti、Mo、Cu、P、Pd和RE等進行合金化或微合金化，加Al和RE可以抑制TWIP鋼的延遲開裂，第三代TWIP鋼是重要的發(fā)展方向。TWIP鋼加入大量的Mn，在室溫下獲得單相奧氏體，沒有固態(tài)相變，因此未經(jīng)過固態(tài)轉(zhuǎn)變和再結(jié)晶的TWIP鋼晶粒十分粗大，加入Nb、V、Ti微合金化，并與控軋控冷工藝相結(jié)合，可以顯著細化奧氏體晶粒，達到幾個微米(如表1)。TWIP鋼的生產(chǎn)工藝包括熱軋、冷軋和再結(jié)晶退火，熱軋TWIP鋼同樣具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

德國和韓國在TWIP鋼研究方面處于世界前列，國內(nèi)的北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、中科院金屬所、上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、同濟大學(xué)、燕山大學(xué)、福州大學(xué)、中北大學(xué)等也開展了這方面的研究工作。

4 形狀記憶合金

Fe-Mn-Si系形狀記憶合金的形狀記憶特性是由于FCC?HCP相界面可逆運動所致，在晶體學(xué)上也存在可逆性。從理論上講，在FCC?HCP界面運動過程中應(yīng)力和溫度所提供的相變驅(qū)動力對γ→ε馬氏體相變的作用是等效的，由此可以推斷，F(xiàn)e-Mn-Si形狀記憶合金在外界應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變后，對之再施加于反向應(yīng)力時，合金的FCC/HCP界面就會反向開動沿著正相變的反方向逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄪W氏體，即在機械力驅(qū)動下發(fā)生了ε→γ馬氏體逆相變。因此，F(xiàn)e-Mn-Si形狀記憶合金在交變應(yīng)力作用下將發(fā)生γ→ε馬氏體相變及其逆相變并伴隨著相變變形。

近年來，F(xiàn)e-Mn-Si基形狀記憶合金的研究和開發(fā)已經(jīng)取得了引人注目的進展。它的可回復(fù)應(yīng)變和回復(fù)應(yīng)力有較大幅度的增加，綜合性能有了明顯的改善。對該合金系的形狀記憶原理的深入研究為進一步提高該合金系的性能和降低該合金系的制造成本指明了方向。新的含NbC/VN沉淀，無需訓(xùn)練的形狀記憶合金大大降低了加工成本，提高了性價比，應(yīng)用范圍日益拓展。完全可以相信，F(xiàn)e-Mn-Si在不久的未來會是形狀記憶合金中的佼佼者，成為廉價物美的智能材料。

新日鐵經(jīng)過多年研究和開發(fā)，于上世紀九十年代成功開發(fā)出Fe-32Mn-6Si和Fe-28Mn-6Si-5-Cr兩種鐵基形狀記憶合金，價格要比常規(guī)鎳鈦形狀記憶合金低幾十倍，屬于高錳鋼系列合金，具有高強度[23]。

5 其他領(lǐng)域

除了以上幾點發(fā)展方向之外，高錳鋼還被用于做低溫材料，浦項與韓國科學(xué)技術(shù)院聯(lián)合研制出了大容量 LNG(液化天然氣)貯藏罐，其材質(zhì)是由浦項研發(fā)的高錳鋼，貯藏量為 20000m3，與現(xiàn)有貯藏罐 1000m3的貯藏量相比，提高了 20 倍[24]。

被用作無磁鋼的Fe-Mn-C系奧氏體鋼，是由Mn、C穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，Al抑制γ→ε馬氏體相變，可以代替1Cr18Ni9Ti及有色合金用于變壓器、磁選機及電機等電氣設(shè)備中不導(dǎo)磁部件的制造。廣泛應(yīng)用于大中型變壓器、電磁鐵、除鐵器、磁選機、選礦設(shè)備等軍民無磁結(jié)構(gòu)材料。

此外，還有相關(guān)研究表明，高錳鋼可有效吸收部分震動能量，2015 年 6 月，韓國浦項鋼鐵公司成功開發(fā)出樓層地板專用的高錳鋼，可以有效減少樓層間的噪音污染，比普通鋼材防震性能高 10 倍以上[25]。

6 結(jié)論和展望

近些年來，高錳鋼在理論研究和實際應(yīng)用方面日益得到重視。作為一種存在了一百多年的古老鋼種，在多數(shù)領(lǐng)域，尤其是耐磨領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域，仍然擁有廣闊的市場前景。同時其許多機理性的東西依然有待進一步研究，國內(nèi)外有許多研究機構(gòu)和科研人員在高錳鋼成分設(shè)計、生產(chǎn)工藝、應(yīng)用開發(fā)等方面做了大量工作，提高了高錳鋼的加工硬化能力、耐磨性以及加工性能，同時又將高錳鋼的應(yīng)用領(lǐng)域拓展到功能材料的領(lǐng)域。相信不斷隨著理論的突破，這一古老鋼種會煥發(fā)出更強的活力。