关于高锰钢的若干问题

作者：信息来源:模具 2008-6-6

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摘要:讨论了常用的Mn13高锰钢一些易被混淆的概念，诸如：加Cr的作用、大断面的问题、余热淬火的合理性、中锰钢应谨慎选用等问题。又介绍了超高锰钢Mn18和Mn25的研制使用情况以及解释了为何采用超高锰钢的原因。关键词:高锰钢。超高锰钢。...

摘要:讨论了常用的Mn13高锰钢一些易被混淆的概念，诸如：加Cr的作用、大断面的问题、余热淬火的合理性、中锰钢应谨慎选用等问题。又介绍了超高锰钢Mn18和Mn25的研制使用情况以及解释了为何采用超高锰钢的原因。
关键词:高锰钢；超高锰钢；哈德菲尔德钢
文献标识码： A　　文章编号：1000-8365(1999)04-0034-03

About High Manganese Steels

ZHAO Si-yong ，TU Xiao-hui,ZHENG Kai-hong，CHEN He-xing,SU Zhi-hui,ZHOU Qing-de
(WRMC Guangzhou Research Institute for Non-ferrous Metals,Guangzhou 510651,China)

Abstract: Concerning the traditional high manganese steel Mn13, some concepts which are likely to be confused are discussed and clarified. These concepts are: the effect of Cr addition; heavy section castings; the rationality of quenching by residual heat;Careful use of medium manganese steels, etc. The situation of superhigh manganese steel Mn18 and Mn25 is described and the reasons of their application are explained.
Key words: High manganese steel; Superhigh manganese steels; Hadfied steel

　　通常高锰钢含13%Mn，已有百余年历史，至今尚有一些问题在里讨论一下，可能对读者有所裨益。

1　常用高锰钢

1.1　内近20年来，由于过去滥用高锰钢，在一些原不该用高锰钢的场合也用了。后来们用其它材料代替了高锰钢，取得了很大成绩。但这并不说高锰钢的用途越来越小，不值得重视了。其实不然，高锰钢仍拥有巨大市场，其中绝大多数是Mn13，其次则是含铬的Mn13Cr2。此外，还有加入其它合金元素的高锰钢(见表1)^［1］。

表1　高锰钢的典型成分
Tab.1　Typical composition of high manganese steel　　%

高锰钢CMnCrMo其它标准级1.00～
1.40

12.00
～14.00

　　　　含铬的1.00～
1.4012.00～
14.00

1.50～
2.50

　　　1%Mo的0.80～
1.3012.00～
15.00　0.80～
1.20　　1%Mo
中锰1.10～
1.405.00～
7.00　0.80～
1.20　　2%Mo的1.00～
1.5012.00～
15.00　1.80～
2.20　　高屈服
点的0.40～
0.7012.00～
15.002.00～
4.001.80～
2.202.00～
4.00Ni0.50～
1.00V可机加
工的0.30～
0.6018.00～
20.00　　2.00～
4.00Ni0.20～
0.40Bi
1.2　加入各种合金元素后的力学性能，如图1至图4^［1］所示，从中可以看到几个问题：
　　(1) 薄断面(25 mm)的性能均优于厚断面(150 mm)，这是由于厚断面中碳的偏析比较严重所致^［2］，这也是在对待厚断面高锰钢件时应该十分注意的一个问题。
　　(2) 通常高锰钢的σ_s只有350 MPa左右，使高锰钢件在服役中易于产生流变，流变使生产操作十分不便，而且甚至会产生严重的后果。加入Cr、Mo、Ni等元素可以提高σ_b，但主要的着眼点却在于提高σ_s(图1、2)，其中含Cr或Mo的高锰钢可达σ_s 410 MPa，那种高屈服点的高锰钢σ_s可达660 MPa。有人以为加Cr可以提高耐磨寿命，但实践并未观察到这一现象。
　　(3) 加Mo可以提高σ_s，而不牺牲韧性，这点优于加铬。加Mo可提高铸态高锰钢的力学性能(δ＞20%，α_K(夏氏)＞53 J/cm²），因此有些铸件若不适宜进行热处理，可以采用这种措施。由于Mo与C易于结合，使C在钢中的溶解减慢，推迟碳化物的析出^［3］，并指出加入10%Mo可基本上消除铸态碳化物，韧性得以提高。Mo的这一特点就赋予高锰钢一些方便之处，也就是在铸造、切割、焊补时不易产生裂纹(指碳低时)。Mo既然能抑制淬火时碳化物的析出，因此适用于厚壁铸件及高碳铸件。经弥散硬化处理的含Mo Mn13可以提高寿命。
　　(4) 由图3和图4中的韧性指标可以看出中锰钢的δ和α_K最低。这种合金在国外开始于60年代初，本来认为它容易加工硬化，能提高使用寿命，但实际上几十年来却得不到推广应用，问题是生产中或使用中均易发生开裂之故^［2］。国内也有报道^［4］，为提高中、低冲击工况下的耐磨性，人们开发了中、低锰钢，但常出现韧性较低、安全性不好等问题。因此，对中锰钢的使用该取谨慎的态度。

图1　抗拉强度σ_b/MPa
Fig.1　Tensile strength图2　屈服强度σ_s/MPa
Fig.2　Yield strength

图3　延伸率δ/%
Fig.3　Elongation图4　α_K/J^.cm^-2(Izod)冲击韧性
Fig.4　Impact toughness

　　(5) 对高锰钢的余热淬火，有人认为这是一种节能措施，也似乎认为余热淬火的温度高一些可以消除碳化物。这是一个错误的举措。高锰钢中碳化物究竟是何时形成的?余热淬火究竟能否消除它?有些人对此是不清楚的。应该理解的是高锰钢中晶界上的粗大碳化物是液固转变时生成的。由于凝固时碳的偏析，最后凝固的地方应该是晶界，晶界上的碳量大为升高，致使该处凝固时产生碳化物。液固转变结束时碳化物已经形成，接下去无论以何种速度冷却，这种已经形成的碳化物是不会消失的。其消失只有2种可能：(1)余热能保持铸件于1 000 ℃左右若干小时，晶界上碳化物得以有时间溶解，碳量扩散到奥氏体中去，也即碳量得以均匀化，碳化物即行消失，随之以快冷，碳化物则不再出现，但余热淬火不会有足够的时间；(2)如通常所做的那样，铸件在冷却后，经重新加热到1 000 ℃左右，保温若干小时也同样可以发生上述过程，碳化物得以消除。因此，余热淬火是不可能消除碳化物的。
　　话又说回来，高锰钢件是不是可以允许有一些碳化物?在铸件尺寸小、冲击不是太大的情况下，有一些碳化物虽然会使韧性有些伤害，但仍能保持较高的水平(高锰钢的韧性储备极大)，使用中仍可保证安全，因此，有一些碳化物应该是可以的。在这种情况下，余热淬火是多余的，因为铸态高锰钢中晶界上本来就有碳化物。
　　因此，要消除碳化物，余热淬火无能为力；允许有碳化物时，余热淬火也是不必要的。
　　总之，余热淬火就变得没有用处了。
　　(6) 硅在高锰钢中的有害作用，不像磷那样受人注意。在厚断面铸件中，硅对韧性的危害可能会是灾难性的。硅能加强碳的偏析，使晶界上碳化物增多，恶化韧性。因此，硅量不宜太高，甚至可以看作杂质。所需的一点硅量，也只是为了脱氧和提高流动性。
　　(7) 至于磷，它会生成磷共晶，造成热裂。国标规定磷=0.07%时，在金相分析中可以发现磷共晶，超过0.07%时，高温塑性大大降低，对热裂十分敏感。当磷＜0.07%时，金相分析上虽看不到磷共晶，但仍有影响热裂的倾向。对大的复杂的铸件，磷量应＜0.04%。在焊接时，焊成的金属(基材和焊条一起)的磷量最好不超过0.03%，以免开裂。
　　有报道说，磷量与耐磨性也有关系，磷高会降低耐磨性。
　　当然降低磷量是有相当困难的，但对于降低磷量的必要性应该有充分认识，向着低磷的方向去努力。

2　超高锰钢

　　标准高锰钢含13%Mn，但近年来，国内外有一种倾向，就是发展了更高含锰量的超高锰钢。关于含锰量的级别，目前可以区分为18%Mn和25%Mn 2种。
2.1　Mn18
　　表1中，可以机加工的高锰钢中含18%Mn。
　　西安电力机械厂^［5］用Mn18制作风扇磨冲击板。在运行后的冲击板亚表层测得加工硬化的程度大于Mn13。最高硬度接近HV800。所用成分为：1.1%～1.6% C; 16%～22% Mn; 0.30%～1.00% Si; 1.50%～4.0% Cr; 0.1%～0.6% Ti; ≤0.1% P; ≤0.05% S。冲击板寿命比原来提高50%以上。
　　文献［4］研究了低碳低锰(1.35% C,14%Mn)、中碳中锰(1.68% C,17%Mn)、高碳高锰(1.98% C,20% Mn)钢的组织和性能。其中发现，在用MLD-10做不同冲击能量下的试验，考核加工硬化能力，高碳高锰的加工硬化能力优于中碳中锰的。这说明了，同时提高碳和锰量可以提高加工硬化能力。
　　国内又有报道，安徽电力修造厂曾用下列成分的超高锰钢：1.53% C; 0.55% Si; 18.2% Mn; 2.65% Cr;0.22% Ti; 0.35% RE; ＜0.06% P; ＜0.05% S。制作风扇磨冲击板，寿命比原来提高近一倍。文章又介绍了，M.C.Uuxalel研制了在寒冷条件下用的含17%～20%Mn的超高锰钢，能提高冷脆抗力。也提到了原苏联北方用的铁路辙岔改用Mn18以后，其寿命比原用的Mn13提高20%～25%。又说，挪威某公司开发了一种含15%～23%Mn的超高锰钢，其初始硬度提高了HB80～150，加工硬化能力明显增强。
　　文献［6］报道，该厂接受外商订购的轧臼壁、衬套等部件，所用材料的成分为：1.05%～1.35% C; 17%～19% Mn; ≤1.0% Si; ≤0.055% P; ≤0.050% S; ≥0.50% Cr。该文认为，C、Mn均用得高，其中碳量高有利于钢的耐磨性；锰量高则有利于提高冲击韧性。
　　文献［7］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，σ_b、δ、α_K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。
2.2　Mn25
　　最近看到国外有一专利：一种含25%Mn的超高锰钢，其性能为：σ_b840 MPa,σ_s510 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。
　　基于目前看到的这些文献资料，采用超高锰钢的原因可能是：(1)提高加工硬化能力。其中碳能起这个作用，但此时需要增加锰量以保持韧性；(2)在低温地区使用。
　　本文讨论了常用高锰钢中的一些易被混淆的概念，同时也介绍了超高锰钢目前研究使用的情况以及解释为了何采用超高锰量的原因。

作者简介：赵四勇(1963-　)，男，湖北石首人，高工、硕士.

作者单位：(广州有色金属研究院，广东广州 510651）

考文献

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［3］郁　飞，孙善泉.实用铸态高锰钢研制［J］.铸造技术，1998(3)：17～20
［4］吕宇鹏，朱瑞富，朝志强，李士同.超高锰耐磨钢的组织与性能研究［J］.矿山机械，1998(6)： 69～71
［5］程必国，张云朝，苏云彪.超高锰合金钢的试验研究及应用［C］.第八届全国耐磨材料学术会议论文集，1997.51～56
［6］方英照.ZGMn18钢铸件的研制［J］.金属热处理，1998(9)：36～37
［7］朴东学，齐笑冰，李慧玉，高　杰，李志江，王彦宾，李忠文.改进材质提高高锰钢高铬铸铁件的使用性能［J］.铸造，1998(6)：43～45

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