超高锰钢国内外产品技术发展现状分析

第一节 超高锰钢国内产品技术发展进程

高锰钢诞生至今120多年的漫长岁月里，在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损，以其独特的“愈压愈坚”性能，在一个多世纪的耐磨材料领域里处于当仁不让的主角地位。进入21世纪，信息大潮浩浩荡荡，高锰钢非但没有被其它钢种所取代，发展速度更快，已成为磁悬浮列车、新型主战坦克、矿山机器人等先进装备中的首选耐磨材料。今日广义的高锰钢含锰量已拓宽至中锰钢、超高锰钢。

第二节 超高锰钢国内主要生产技术、工艺或流程

一、国内主要生产技术

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%。

二、国内主要生产工艺或流程

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。

第三节 超高锰钢国外产品技术发展现状

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 超高锰钢国内外产品技术对比评价

超高锰钢技术作为一种先进的技术，近年来在世界上得到了迅速的发展。在西方发达国家由于机械化，自动化生产线的陆续建成投产，以及所生产的显著经济和社会效益，使这项技术呈现出强大的生命力。前几年我国超高锰钢技术应用虽然进展缓慢，但是在近五年来得到了快速发展。特别是由于超高锰钢具备各种优点，许多原有的中小铸造企业也越来越多地采用该项技术。但是，有些企业对该技术的认识不足，对出现的问题未加仔细研究分析，在操作中也未能加以重视，导致铸件质量波动，就认为超高锰钢技术不适应自己的情况而放弃。