高錳鋼既有堅(jiān)硬的表面，又有柔韌的心部可以抵抗強(qiáng)烈沖擊。在強(qiáng)大的沖擊載荷和接觸應(yīng)力作用下，其表層迅速產(chǎn)生硬化，硬度可從200HB急劇升高至500～700HB，從而產(chǎn)生高耐磨的表層，心部奧氏體卻保持著極好的韌性，耐磨性穩(wěn)定，特別適用于沖擊磨料磨損和高應(yīng)力碾碎磨料磨損工況。

高錳鋼需要在劇烈沖擊或是強(qiáng)大壓力下才能充分硬化，一般大型的高錳鋼承受沖擊載荷更大，加工硬化更充分，表現(xiàn)出來的耐磨性更加優(yōu)異。假如沖擊力太弱，高錳鋼未等表面充分硬化，便已被磨損掉了。正因如此，高錳鋼通常表現(xiàn)為大磨襯板表現(xiàn)比小磨襯板好，鄂板比襯板耐磨，大錘頭比小錘頭耐磨。所謂高錳鋼不耐磨，大多屬使用不當(dāng)形成的。

根據(jù)含錳量，現(xiàn)在廣義的高錳鋼已拓寬至超高錳鋼。在大沖擊和高應(yīng)力耐磨材料領(lǐng)域里，隨著礦山、建材、冶金、電力等行業(yè)設(shè)備大型化，高效化，高錳鋼的優(yōu)點(diǎn)更加凸顯，高錳鋼使用率更高。譬如我公司現(xiàn)每年生產(chǎn)高錳鋼鑄件3000多噸，其中大約一半為重量1噸、壁厚80mm以上大型厚壁件，而2005以前，大型厚壁件只有300～400噸。

1 高錳鋼的工藝性分析

1.1 化學(xué)成分各元素的含量及作用

高錳鋼不同牌號(hào)主要區(qū)別是碳、錳的含量。

（1）碳是基本元素，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其范圍是0.9%～1.35%。高猛鋼中的碳主要有兩個(gè)作用，一是有利于形成單相奧氏體組織，二是固镕強(qiáng)化。在規(guī)格范圍內(nèi)，含碳量的增加，鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量增加，甚至成網(wǎng)狀碳化物，降低韌、塑性。碳量控制基本原則沖擊大，碳含量低，沖擊小，碳含量高。大型厚壁高錳鋼鑄件碳量控制在中下限，即0.9～1.1%。

（2）錳是主要元素，主要作用穩(wěn)定奧氏體，并有很大強(qiáng)化作用。傳統(tǒng)上高錳鋼錳含量在11.0%～14.0%之間，一般不應(yīng)低于12%。含量大于14.0%時(shí)，普遍定義為超高錳鋼，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)牌號(hào)有Mn14、Mn17兩種，含量在14.0%～19.0%之間，錳含量大于18%的超高錳鋼尚無對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但應(yīng)用較多，設(shè)計(jì)時(shí)常見規(guī)定為16.0%～24.0%。

（3）硫、磷是有害元素，低磷低硫是最基本的要求，由于高的錳含量自然起到脫硫作用，硫危害相對(duì)較小，磷則危害很大，大幅度降低高錳鋼的力學(xué)性能和耐磨性能。因?yàn)榱自趭W氏體中的溶解度低，在結(jié)晶時(shí)易形成磷共晶，磷共晶形成脆性相，大大降低高溫塑性，降低鑄件斷裂應(yīng)變，對(duì)熱裂十分敏感。故降磷是最要緊的，磷量應(yīng)盡量低，設(shè)法使磷低于0.07%。超過0.07%時(shí)在金相分析中可以發(fā)現(xiàn)磷共晶，當(dāng)磷＜0.07%時(shí)，金相分析上雖看不到磷共晶，但仍有影響熱裂的傾向。對(duì)大的復(fù)雜的鑄件，磷量應(yīng)＜0.04%。在焊接時(shí)，金屬基材和焊條的磷量都不超過0.03%。

（4）硅在高錳鋼中主要作用是脫氧，含量的高低，對(duì)沖擊韌度影響較大。含硅量增加，促使碳化物增多，并能加強(qiáng)碳的偏析，使晶界上碳化物增多，硅還惡化碳化物形貌，惡化韌性。在厚斷面鑄件中，硅對(duì)韌性的危害可能會(huì)是災(zāi)難性的，因此，硅量太高甚至可以看作雜質(zhì)。硅在高錳鋼中的有害作用，不像磷那樣受人注意，量不宜太高，所需的一點(diǎn)硅量，也只是為了脫氧和提高流動(dòng)性，含硅量應(yīng)＜0.5%。

（5）鉻提高屈服強(qiáng)度和抗磨性，但鑄造應(yīng)力增大，塑性、沖擊韌度均降低，含量一般在1.5%～2.5%之間。

1.2 高錳鋼鑄件的凝固特點(diǎn)

高錳鋼屬中間凝固方式，通常情況下冒口的作用區(qū)比碳鋼大,而末端區(qū)比碳鋼小。高錳鋼C、Mn含量高，熱導(dǎo)率較低（僅為碳鋼的1/3）以及結(jié)晶生長(zhǎng)速度較快．易產(chǎn)生粗大的柱狀晶組織，高錳鋼冒口補(bǔ)縮效果較差，薄壁件可用無冒口，中等厚壁件可用外冷鐵激冷鑄造。鑄件最后凝固區(qū)域如厚壁處，熱節(jié)處，晶粒粗大，組織不夠致密，高溫強(qiáng)度低，碳化物、夾雜物多，并產(chǎn)生化學(xué)成分偏析，韌性極差，易產(chǎn)生熱裂。高錳鋼線收縮大，收縮應(yīng)力大，鑄件薄弱處，如筋板部分，尤其是上下兩部分連接筋板，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致冷裂。

1.3 大型厚壁高錳鋼鑄件的凝固特點(diǎn)

大型厚壁高錳鋼鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)，縮孔及縮松傾向很大，單用外冷鐵的無冒口鑄造，不能消除鑄件的縮松和縮孔，要獲得組織致密的鑄件，必須依靠冒口補(bǔ)縮。由于輪廓、壁厚尺寸大，冒口的作用區(qū)隨之變大，冒口補(bǔ)縮作用增大。但是大型厚壁高錳鋼鑄件通常熱節(jié)多而分散。全部熱節(jié)單用冒口補(bǔ)縮困難，往往需要其它工藝措施，如采用傾斜澆注、澆冒口合一工藝，降低澆注溫度，外冷鐵和蓄熱系數(shù)高的型芯砂的控制冷卻等措施增加冒口作用。傾斜澆注能顯著地增加冒口作用區(qū)長(zhǎng)度,而對(duì)末端區(qū)沒有明顯的影響；降低澆注溫度和激冷作用顯著增加末端區(qū)長(zhǎng)度,對(duì)冒口作用區(qū)沒有明顯影響。

2 大型厚壁高錳鋼鑄件生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 鑄造工藝

（1）冒口。鑄件設(shè)置冒口對(duì)熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)縮時(shí)，冒口要緊靠熱節(jié)。大型厚壁高錳鋼鑄件冒口大，需要火焰切割冒口，但切割冒口可能引起相變，加熱時(shí)間長(zhǎng)，高錳鋼熱導(dǎo)率較低，熱應(yīng)力大，加之高錳鋼鑄件冒口設(shè)置又產(chǎn)生了接觸熱節(jié)，該部位組織比熱節(jié)還差，冒口根部容易造成裂紋，所以冒口設(shè)置采用側(cè)冒口及縮頸易割頂冒口，盡量不用普通頂冒口。冒口直徑要遠(yuǎn)大于縮頸直徑，縮頸直徑等于或稍小于熱節(jié)直徑，冒口高度要大于冒口直徑的1.5～2.0倍。

（2）冷鐵。包括內(nèi)冷鐵和外冷鐵，冷鐵可以調(diào)節(jié)鑄件各部分凝固速度，可以使鑄件的缺陷發(fā)生位置遷移，同冒口配合可以擴(kuò)大冒口的補(bǔ)縮范圍，消除縮孔、縮松，同時(shí)提高工藝出品率和細(xì)化一次結(jié)晶，但是高錳鋼鑄件對(duì)冷鐵很敏感，工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意使用原則，嚴(yán)格區(qū)分內(nèi)冷鐵和外冷鐵，必須選擇適宜的用量和合理的規(guī)格。內(nèi)冷鐵慎用，以干凈和用量少為宜，要用化學(xué)成分相同的高錳鋼制作，否則容易因熔點(diǎn)和收縮系數(shù)不同造成內(nèi)裂。外冷鐵的尺寸，冷鐵之間過渡區(qū)與鑄件匹配，否則往往會(huì)造成在冷鐵作用范圍內(nèi)鑄件凝固速率梯度不均衡，產(chǎn)生過大應(yīng)力。盡量避免采用直接外冷鐵，因?yàn)闈沧⒑罄滂F區(qū)鋼液迅速激冷，接觸面形成皺皮，其較深較凹處容易形成裂紋源。

（3）澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)采取開放式。采用多個(gè)分散的內(nèi)澆道從鑄件的薄壁處引入，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，澆注時(shí)盡可能低溫快澆，防止整個(gè)鑄型內(nèi)的溫差過大。采用傾斜澆注、澆冒口合一工藝時(shí)，直澆道、冒口位于高處（砂箱有6～10℃的斜度）。

（4）造型材料和涂料。應(yīng)與金屬液屬性相一致，一般用堿性材料（如鎂砂、橄欖石砂），或者用中性材料（如鉻鐵礦砂、棕剛玉等）。若想獲得細(xì)化的一次結(jié)晶，采用蓄熱量大的造型材料和涂料（如鉻鐵礦砂），尤其是消失模生產(chǎn)廠，用它將克服高錳鋼散熱慢的缺點(diǎn)。

（5）其他。大型厚壁高錳鋼鑄件在工藝設(shè)計(jì)中鑄造收縮率取2.5%～2.7%，鑄件越長(zhǎng)大、越應(yīng)取上限。型砂與砂芯的退讓性一定要好。盡量減少飛邊，毛刺，粘砂，防止阻礙收縮，同時(shí)也減少清理量，減小瞬時(shí)應(yīng)力。

2.2 熔煉

2.2.1 電爐

高錳鋼冶煉爐主要還是電弧爐和感應(yīng)電爐，與電弧爐煉鋼相比，感應(yīng)電爐的特點(diǎn)如下：

（1）加熱較快熱，效率較高，在電弧爐煉鋼中，電弧產(chǎn)生的熱量中有很大一部分通過爐蓋和爐壁而散失。妒料熔清后，電弧的熱量須通過爐渣傳給鋼液。在感應(yīng)電爐中，熱量是在爐料〔鋼液)內(nèi)部產(chǎn)生，因而加熱速度較快，熱效率較高。

（2）元素的氧化燒損較少，感應(yīng)電爐煉鋼中，沒有電弧的超高溫作用。使得鋼中元素的燒損率較低。

（3）鋼液成分和溫度比較均勻，感應(yīng)電爐煉鋼中，由于電磁力的電磁攪拌作用。促使烙池內(nèi)鋼液的化學(xué)成分和溫度趨向均勻，并有利于鋼液中的非金屬夾雜物的上浮。電滋攪拌的有利作用在大容量電爐條件下，表現(xiàn)得待別突出。

（4）爐渣參與冶金反應(yīng)能力較差，在電弧爐煉鋼條件下，爐渣的溫度比鋼液高，故爐渣參與冶金反應(yīng)的能力強(qiáng)。而在感應(yīng)電爐條件下，爐渣靠鋼液加熱．溫度較低．故參與冶金反應(yīng)的能力較弱。因此在感應(yīng)電爐煉鋼中，脫磷、脫硫和擴(kuò)散脫氧等冶金過程的效果比電弧爐煉鋼差很多。

對(duì)高錳鋼而言，脫磷、脫氧是及其重要的，尤其是大型厚壁高錳鋼鑄件，應(yīng)盡量采用堿性電弧爐氧化法冶煉，如果不得已采用感應(yīng)電爐熔煉，須嚴(yán)格控制爐料、合金，并要進(jìn)行爐外精煉。

2.2.2 堿性電弧爐氧化法冶煉技術(shù)要點(diǎn)

氧化法煉鋼的工藝過程包括準(zhǔn)備階段(修補(bǔ)爐村、配料及裝料)、熔化期、氧化期、還原期和出鋼等幾個(gè)階段。

（1）爐料。是由化學(xué)成分決定的，主要爐料是碳素鋼（或鋼錠）、高碳錳鐵、中碳錳鐵、高碳鉻鐵及高錳鋼回爐料。特別注意的是大型厚壁高錳鋼鑄件，絕不可以過多的使用回爐料，回爐料不應(yīng)超過25%。

（2）熔化期。用允許的大功率供電熔化爐料，推料助熔。熔化后期，爐料基本熔化時(shí)，加入適量渣料及礦石，可吹氧助熔，適當(dāng)減小功率。熔清后，取樣快速化驗(yàn)，保證鋼液含碳量5.2%以上，造氧化渣。

（3）氧化期。脫碳：氧化渣流動(dòng)良好時(shí)可吹氧脫碳，吹氧壓力為0.6～0.8MPa，使鋼液沸騰既激烈而又平穩(wěn)，每分鐘脫碳0.01～0.03%，估計(jì)碳量≤2.2%左右時(shí)，充分?jǐn)嚢?，取樣分析，保證脫碳0.3%以上。適宜的脫碳量和脫碳速度可有效地清除鋼液中的氣體和夾雜物，凈化鋼液。

脫磷：氧化法冶煉高錳鋼時(shí)，錳鐵是在還原期加入的，由于錳鐵含磷量較高，因此要求在熔化期和氧化期中盡量降低鋼液的含磷量

（4）還原期。高錳鋼應(yīng)滿足對(duì)韌性的要求，而韌性與鋼中的氧化夾雜物的量有直接的關(guān)系，為保證鋼高韌性要求，鋼液要進(jìn)行充分的脫氧。高錳鋼冶煉的脫氧由鋼液的預(yù)脫氧、擴(kuò)散脫氧和最終的脫氧幾個(gè)步驟所組成。基本過程是：扒凈氧化渣后，用錳鐵、硅鐵、鋁塊進(jìn)行預(yù)脫氧，造稀薄渣，覆蓋鋼液表面，減少吸氣，稀薄渣形成后，加入錳鐵，造電石渣還原，還原一段時(shí)間約15min，隨即將電石渣變?yōu)榘自?，渣面上加入炭粉、鋁粉、硅鈣粉，控制好爐內(nèi)的溫度，控制好爐渣的堿度、渣量和流動(dòng)性，擴(kuò)大粉狀脫氧劑與爐渣的接觸面積，保持爐內(nèi)強(qiáng)還原氣氛強(qiáng)化脫氧。在此期間，及時(shí)調(diào)整成分。鋼液溫度符合要求，化學(xué)成分合格，園杯試樣收縮良好后，終脫氧后出鋼。采用鋁及其他脫氧合金終脫氧，量應(yīng)足夠。殘鋁量能反映脫氧效果，保證鋼液中有一定的殘留鋁量，達(dá)到0.06%以上。

還原期中往鋼液中加錳鐵，應(yīng)預(yù)先烤紅，并趁紅熱狀態(tài)加入以加速熔化。由于錳鐵的加入量多，當(dāng)一次全部加入時(shí)，往往造成鋼液大幅度降溫，在爐溫較低的情況下，甚至?xí)斐慑i鐵的“凍結(jié)”，建議采取分批加錳鐵的方法，錳鐵的批量應(yīng)根據(jù)爐溫條件而定。錳鐵的密度較大，易沉淀在爐底，加入每批錳鐵后，應(yīng)充分?jǐn)嚢枞鄢?。其他合金材料，要分多次，每次少量入爐。貴重元素在最后加入，以減少燒損。料塊應(yīng)盡量小些，以50～80mm為宜。

（5）出鋼。鋼液出爐前，將澆包烘烤到400℃以上。出鋼后，鋼包使用覆蓋劑把金屬液面蓋嚴(yán)，起到保溫效果，同時(shí)隔斷外界空氣與鋼水反應(yīng)引起二次氧化。鋼液出爐后還要鎮(zhèn)靜一段時(shí)間，使氧化物、夾雜物有充足時(shí)間上浮。接著在包內(nèi)吹氬，用普通方法熔煉的鋼中含有大量粗大夾雜物，在鋼包中用惰性氣體處理可以大大減少鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、減少鋼中氣體含量，從而提高鋼水的質(zhì)最。吹氬3～4分鐘，吹氬速度和壓力保證鋼液冒泡均勻沸騰適中。

（6）澆注。大型厚壁高錳鋼鑄件采用低溫快澆工藝，為減少縮松、縮孔及晶粒粗大降低澆注溫度，為充型良好，減少各部分溫差和熱應(yīng)力快速充型。

實(shí)踐證明：大型厚壁高錳鋼鑄件終澆溫度在1410～1430℃，即能澆注合格鑄件。這樣，出鋼溫度為1480～1520℃，降溫約10℃，包內(nèi)溫度為1470～1510℃，為進(jìn)一步凈化鋼液，出鋼后吹氬精煉3分鐘，降溫約20℃，吹氬后約1450～1490℃，鎮(zhèn)靜2～3分鐘，溫度為1440～1460℃開始澆注，在澆注過程中約降溫約30℃。

2.3 熱處理

大型厚壁高錳鋼鑄件必須考慮熱處理不同部位和同一部位內(nèi)外組織差異引起性能差異，高錳鋼在加熱時(shí)導(dǎo)熱性差引起大的熱應(yīng)力的特點(diǎn)，熱處理時(shí)，為減少開裂和變形，應(yīng)遵循以下步驟：預(yù)處理，加熱保溫，水淬。

（1）預(yù)處理。將鑄件緩慢加熱到較低溫度保溫一段時(shí)間，可有效減少鑄造應(yīng)力和熱應(yīng)力，同時(shí)可使部分奧氏體發(fā)生共析分解，有時(shí)共析分解量可達(dá)60%以上。分解產(chǎn)物中存在大量的鐵素體和碳化物的相界面，提高了水韌處理時(shí)奧氏體的形核機(jī)率而細(xì)化奧氏體晶粒。

（2）加熱保溫。再以較快速度加熱到1050～1080℃保溫，保溫溫度時(shí)間足夠，確保鑄態(tài)組織中的碳化物完全溶解和奧氏體的均勻化。嚴(yán)格防止加熱溫度過高和保溫時(shí)間過長(zhǎng)，溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鑄件表面嚴(yán)重脫碳，同時(shí)奧氏體晶粒和晶界上也會(huì)析出不能消除的脆性共晶碳化物。

（3）水淬。迅速水冷，水韌處理。鑄件入水溫度必須大于一定溫度，所以應(yīng)盡量縮短空中停留時(shí)間。入水后，用吊車不停擺動(dòng)鑄件，加速水冷，水韌處理過程中水溫很關(guān)鍵，一定要防止水溫太高，可用冷卻循環(huán)水。

（4）再處理。部分鑄件可在水韌處理的基礎(chǔ)上再進(jìn)行中溫再處理，使鑄件部分硬化，提高屈服強(qiáng)度和起始硬度，增加抗磨性能。但要謹(jǐn)慎使用，嚴(yán)格控制溫度和保溫時(shí)間。

2.4 清理與后處理

（1）開箱。一旦凝固，要及時(shí)松砂箱。鑄件在型內(nèi)要長(zhǎng)時(shí)間保溫，應(yīng)當(dāng)在溫度降低至200℃左右才開箱落砂?？刂崎_箱溫度也是防止高錳鋼鑄件產(chǎn)生裂紋的有效措施，大型厚壁高錳鋼件切忌在紅熱時(shí)打箱，把鑄件暴露在空氣中驟冷，產(chǎn)生過大應(yīng)力和過大組織性能差異。

（2）切割。因?yàn)殄i鋼熱傳導(dǎo)性能差，劇烈加熱會(huì)產(chǎn)生相變，高錳鋼重新加熱時(shí)，在250～800℃之間存在碳化物析出的脆性溫度區(qū)間。所以在切割澆冒口時(shí)應(yīng)十分注意。切割時(shí)將鑄件置于水中，冒口露在水外，切割部分在水面，切割留一定量的冒口茬，熱處理后磨掉。

（3）焊接和焊補(bǔ)。鑄態(tài)高錳鋼存在著碳化物和鑄造應(yīng)力，所以必須在水韌處理后進(jìn)行焊接，焊接高錳鋼鑄件應(yīng)采用電弧焊，高猛鋼焊條。焊補(bǔ)量大時(shí)，先用奧氏體不銹鋼焊條焊底層，以減少裂紋，焊后及時(shí)趁熱錘擊焊縫并水冷，以免鑄件嚴(yán)重受熱析出碳化物。

（4）檢驗(yàn)。重要鑄件必須探傷，進(jìn)行屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能檢驗(yàn)。檢驗(yàn)不合格時(shí)，允許對(duì)該批試塊及鑄件重新熱處理，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)所要求的所有力學(xué)性能檢驗(yàn)。重新熱處理后力學(xué)性能檢驗(yàn)合格，則該批試塊及鑄件仍為合格。但是，未經(jīng)需方同意，不允許對(duì)試塊及鑄件進(jìn)行多于兩次的重新熱處理。

3 結(jié)語

（1）大型厚壁高錳鋼鑄件制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過程，影響因素較多，這些因素不是獨(dú)立的，往往相互作用、相互影響。制造時(shí)，需要對(duì)鑄件化學(xué)成分特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行全面分析，以鑄件制造的難點(diǎn)、重點(diǎn)為基礎(chǔ)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求制定合理的工藝方案和操作規(guī)程，并在生產(chǎn)實(shí)踐中嚴(yán)格實(shí)施。

（2）高錳鋼在正常連續(xù)工況條件下，失效時(shí)限可以控制在工期的±5%以內(nèi)，這是其他耐磨材料難以比擬的。國(guó)外企業(yè)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的企業(yè)，定期檢修計(jì)劃，無足夠?qū)Ｂ殭z修人員，需外包專業(yè)檢修公司，這時(shí)，高錳鋼失效時(shí)限性的優(yōu)勢(shì)就很明顯了。這是耐磨新材料層出不窮，卻難以有一種替代高錳鋼的重要原因之一。

（3）高錳鋼的韌性儲(chǔ)備極大，只要按照規(guī)定的規(guī)程和工藝制作，按照標(biāo)準(zhǔn)所要求的項(xiàng)目檢驗(yàn)合格，不會(huì)發(fā)生短時(shí)失效，可保證使用安全，成為大型耐磨件材料優(yōu)先選擇。隨著企業(yè)設(shè)備大型化，高效化，國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)際接軌，國(guó)內(nèi)高錳鋼使用范圍還會(huì)擴(kuò)大。

（4）高錳鋼誕生至今已有一個(gè)多世紀(jì)，高錳鋼材料新技術(shù)和工藝新技術(shù)不斷開發(fā)，不但在傳統(tǒng)領(lǐng)域繼續(xù)使用和發(fā)展，而且已成為高鐵列車、坦克裝甲、重型機(jī)器人等高科技先進(jìn)裝備中的重要耐磨材料。

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