超高锰钢技术工艺发展分析

第一节 超高锰钢基本生产技术、工艺或流程

处理工艺，可以提高材料的强韧性，耐磨性和加工硬 化能力.考虑Cr含量超过2.5%会使韧性下降，将cr含的各种碳化物及共析组织全部溶解，形成单一奥氏体固溶体；随后在奥氏体从高温冷却的过程中，碳脱溶而析出含合金元素的碳化物，或者奥氏体冷却过程中 分解产生的共析组织中含合金元素的碳化物.目的是 通过热处理使奥氏体基体中析出弥散分布的第二相，强化基体，提高材料抗磨料磨损的能力。

超高锰钢的最佳热处理工艺为，加热至1100℃保温4 h，水淬，再经250℃保温4h，空冷。该热处理工艺条件下奥氏体晶粒细小，晶内颗粒状碳化物均匀、弥散分布，力学性能得到显著提高，即bσ=994.51 MPa，sσ=430.98 MPa，kα=260J/cm2，HB227，δ=55.03%。与常规水韧处理相比bσ提高了18.2%，sσ提高了7%，kα提高了22%，δ提高了30.3%，硬度提高了9.7%。

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％。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

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1580－1600℃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，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2.5－3.0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，<100℃/h，且有不同时期的保温。至>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，φ3.2mm×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。

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，实际上是快而省，这个观念不仅认识到，更重要的是要做到。

第二节 超高锰钢新技术研发、应用情况

郑州鼎盛工程技术有限公司在长期的耐磨材料研究过程中，通过大量的试验发现，提高高锰钢性能的方法，目前常用的有以下几种：

1、从高锰钢的成分入手，采用提高Mn、Ni、Mo、C等合金元素的含量，使高锰钢性能有较大提高，但由于这些合金元素的金属价格持续走高，会使高锰钢成本增加，市场竞争力下降。

2、从铸造工艺上入手，采用消失模、挤压铸造等铸造新工艺生产高锰钢铸件，有效地提高了铸件的精度和解决冒口部位的缩松问题。

3、从改进热处理工艺入手，主要有余热热处理、水韧处理工艺的改进等，有效的降低了能耗和使工件实用性能得到一定的改善。

4、提高高锰钢加工硬化性能，如采用爆炸法对产品进行与加工硬化，有效提高了产品使用的初始硬度，但这种方法的稳定性仍不够理想。

5、通过调整组成成分，重点解决高锰钢初始硬度低、奥氏体晶粒粗大、热处理淬透性差和淬火时的开裂难题，以提高高锰钢的淬透性、抗蠕性和耐磨性。

第三节 超高锰钢国外技术发展现状

国外文献中将传统的1.2C-13Mn-Cr高锰钢成分改为1.5C-18Mn-Cr。其所以如此改变成分，是基于冲击磨损试验。在不同碳量高锰钢的冲击磨损试验中，发现冲击磨损量随碳量增加而下降，在1.5%C时，冲击磨损量较小。而在不同锰量(C=1.5%）的冲击磨损试验中，看到Mn=18%时，冲击磨损量出现极小值，所以该文选择了1.5%C和18%Mn。该文还认为，当碳量增加时，σb、δ、αK均下降，特别是当碳超过1.6%时，碳已超过溶解度极限，在水韧后仍不能消除碳化物。因此，该文认为应提高锰量以消除碳量高时造成的碳化物，从而提高韧性。

国外有一专利：一种含25%Mn的超高锰钢，其性能为：σb840 MPa，σs510 MPa，δ4%，HB217。该专利认为这种钢的加工硬化速度快，在4个国家共25个单位运行考核表明，寿命增加30%左右。

第四节 超高锰钢技术开发热点、难点分析

以超高锰钢垂头为例，其生产工艺包括设计、生产工艺选择等，在生产工艺中，热处理是重要的环节，热处理工艺的好坏会直接影响产品的质量性能，因此，成为技术研发重点。

第五节 超高锰钢未来技术发展趋势

在合适的温度，合适的钢液基本成分的条件下，变质处理、孕育处理、微合金化处理除充分发挥各自的冶金处理作用外，还彼此“互融”体现了三位一体、互为作用的效果。例如：

1）随着合金元素的溶入改变了碳在奥氏体中的扩散系数，在凝固过程连续冷却条件下，扩散速度减小就意味着碳的析出量的减少；

2）由良好的孕育效果形成的一定量的异质形核质点将导致奥氏体脱溶的碳原子和因钢液中浓度起伏出现的碳原子集团优先向其扩散，从而使碳化物转向以异质形核为主的结晶方式；

3）稀土等活性元素吸附在新生碳化物表面，使其难以连结成网状；

4）在凝固过程中由于溶质元素再分配使添加的各种合金元素富集在奥氏体结晶前沿的液体中，提高了奥氏体的形核率，使奥氏体基体细化；

5）经过变质处理，微合金化和孕育处理后，增大了钢液过冷倾向，使冷却速度对结晶过冷度的影响减弱，从而表现为厚大铸件断面的组织、性能趋以一致。

变质处理、孕育处理和微合金化的共同作用细化了晶粒，消除了碳化物的网状析出，减少了夹杂数量、改变了夹杂形态、净化了晶界、净化了钢液，增大了处理效果的稳定性，延长了“衰退”时间，为获得良好的水韧处理效果提供了有利的铸态组织和性能的保证。

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