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摘要：本文通過分析加工硬化機理、高錳鋼生產中的常見問題等方面系統論述了高錳鋼的現狀，從生產工藝方面論述了高錳鋼今后發展的情況，并進一步對高錳鋼的應用進行了闡述。

關鍵詞：加工硬化機理常見問題現狀發展應用

高錳鋼俗稱“耐磨鋼”，被廣泛的應用于各個行業的許多耐磨件上。隨著對磨損機理研究的深入發展，人們對高錳鋼的特性也了解的更透徹。

一、高錳鋼加工硬化機理

高錳鋼原始硬度很低，而加工硬化能力很強，在使用中硬度提高，形變速度越快，硬化效果顯著，硬度也越高，目前強化機理有以下幾種：

1.位錯強化機制：高錳鋼是大量Mn原子置換鐵原子，顯著降低層錯能，因而易于形變，使位錯密度增高，形成堆垛層錯和形變亞結構，呈現加工硬化現象。

2.形變孿晶機制：高錳鋼拉伸后，硬化區出現層狀孿晶，硬度達HV460。經重錘錘擊后出現層狀孿晶及位錯纏結達HV500。爆炸硬化時出現復合孿晶，硬度提高，硬化層加厚。

3.形變馬氏體機制：從熱力學角度講，合金快速冷至Ms點以下可獲得馬氏體，而在Ms點以下存在Md點，在Ms——Md之間因應力作用可產生形變馬氏體。一般Ms點低于200℃。Mn量為12％時，Ms點為-230℃以下，因此室溫下一般變形的高錳鋼不會產生形變誘發馬氏體。如果鋼中碳量降至0.8%時，在室溫下也沒能發現形變馬氏體，而在-196℃低溫下可出現δ.θ馬氏體，改變高錳鋼中的含錳量，將錳量降至4％，室溫形變后有ε.δ馬氏體產生，常規成分高錳鋼固溶后經50％的變形量形變，硬度已達到較高數值，變值量增至35％時，發現有少量(約1.4％)δ馬氏體，其間硬度變化與δ馬氏體量的增加速度不一致，這樣較大變形量的試驗，也間接證明硬化主要原因不是由于產生了δ馬氏體。以前關于發現馬氏體的報導，可能是高錳鋼在空氣爐中高溫加熱，造成表面碳、錳降低，或是加熱不足，局部貧碳，促使形變馬氏體出現。根據這個機理，現在已有將高錳鋼進行表面控制脫碳，使得在水韌處理后產生馬氏體，用以強化高錳鋼，提高耐磨性的報導。

4.析出相強化機制：在形變過程中，高錳鋼隨變形量增加，奧氏體中缺陷增加，過飽和的碳在位錯、空位、層錯、孿晶等處聚集形成柯氏氣團，阻礙滑移，形變熱量繼續積累，使偏聚的碳、錳原子重新分布，在缺陷處擇優形核、長大，形成彌散分布在基體內及晶界上的ε碳化物。根據奧羅萬機制，滑動位錯與彌散碳化物顆粒間作用，使強迫位錯通過顆粒所需的臨界分切應力增大，強化了奧氏體。

人們在碳含量高的高錳鋼中(碳為1.49％)，經過50％的壓縮變形發現有碳化物析出。對常規成份高錳鋼雖未發現碳化物析出，卻也發現了晶格常數的減小，相當于奧氏體中碳量降低0.1％。在全國齒板評比對性能較好的高錳鋼齒板分析時，發現奧氏體中出現了原始組織中未有的新相，可能就是形變誘發的ε碳化物。

二、高錳鋼生產中的一些問題

根據各地廠家的生產情況，把易忽略的問題扼要介紹一下:

1.冶煉：首先爐料要精選烘干，尤其對感應電爐更加重要，錳鐵中磷較高，在選購錳鐵時，要選擇含磷低的錳鐵合金。冶煉時，錳鐵宜后加入爐內，以減少燒損量，后加入的鐵合金要預先經過烘烤，出鋼前還可用12×20×300mm澆注后直接水韌處理的試棒，視其冷彎的角度來檢驗鋼水質量。

高錳鋼由于碳量高，導熱性低及結晶速度較快，容易產生粗大的結晶組織，當傳熱有方向性時，往往形成柱狀晶，在枝晶之間存在顯微疏松和夾雜物，影響鋼的性能，尤其是標準高錳鋼鑄態晶粒的大小通過熱處理是很難改變的。根據建材部標準規定高錳鋼鑄件晶粒度不粗于2級，有的工藝文件還規定壁厚不大于20mm的鑄件不允許有柱狀晶，大于20mm的鑄件，斷面兩邊柱狀晶厚度之和不超過該斷面厚度五分之二者為合格，否則為不合格。因此在生產中要求高溫冶煉，低溫澆注，主要嚴格控制出鋼溫度。另外，澆注溫度低還可以減少熱裂缺陷、縮孔、粘砂、含氣量和節約能源，是影響鑄件質量的重要因素。

2.鑄造:為了獲得細鑄態晶粒，減少碳化物析出量，除了控制澆注溫度，對厚大件要放置外冷件（內冷鐵一般不宜放），這樣同時也提高了高錳鋼鑄件的致密度，減少縮孔、疏松。高錳鋼體收縮大，但只要工藝控制得當，可以不出現縮孔，而以軸線疏松形式存在，由于它韌性好，基本不影響使用，這也是高硬度耐磨材料無法與之相比的。因此高錳鋼鑄件厚度小于25mm時，一般不用冒口，在大于50mm時，必須設置冒口。高錳鋼難切割，澆注系統往往分散引入，冒口采用保溫、細頸、易割三種冒口。在工藝上采用補澆，放發熱劑的辦法增強補縮效果。高錳鋼鋼水中的MnO呈堿性，和型砂中的的二氧化硅易產生化學粘砂，因此最好用鎂砂高鋁粉和鉻鐵礦粉做涂料，提高鑄件表面質量。

3.熱處理：加熱溫度在保證碳化物充分溶解的情況下，盡量選低些。入水溫度不得低于950℃。零件與水量之比應達1∶8，水溫低于30℃。人們往往認為高錳鋼淬透性很高，我們發現厚度大于80mm的高錳鋼件水韌后，心部冷速慢，析出了針狀碳化物，使性能下降。為了減少高溫下碳化物固溶的困難，降低能耗及縮短生產周期，對100mm以下厚度的簡單鑄件，可采用200℃入爐，以70～80℃/h速度升溫，不進行650℃保溫的水韌工藝。

4.清理：對鑄態不能敲掉的澆、冒口，可以水韌后進行澆水切割。

三、高錳鋼生產工藝的發展

1.精煉:為了提高鋼水質量，爐外精煉工藝被愈來愈廣泛應用，從20世紀80年代起，在高錳鋼生產上也得到使用，精煉后，夾雜物減少，分布改善，使強度提高，可由657MPa提高到834Mpa，耐磨性也能提高30％。

2.懸浮澆注:澆注溫度對高錳鋼性能的影響很大，生產廠家往往爐子容量大，澆注時間長，控溫較難，雖然采取各樣的措施，仍不能避免晶粒粗大的弊病。人們研究在澆注時，隨鋼水連續加入2％～3％（尺寸為0.15～0.3m）鐵粉或錳鐵粉與鐵粉的混合物，它起內冷鐵作用和增加結晶核心，改善高錳鋼性能還使耐磨性提高30％～50％，但要注意加入后使鋼水流動性降低。

3.表面合金化:為了既提高耐磨性又節約合金元素，采用表面加入合金的方法可以達到目的，具體措施是在鑄型表面刷含合金涂料，撒錳鐵粉或是貼上合金鑄鐵片，鋼水澆入后熔化與熔接這些材料，提高了鑄件表面性能，現在還有用含鉻焊條在高錳鋼上進行堆焊，以提高耐磨性，哈焊所高鉻粉塊堆焊效果也很好。

4.爆炸硬化:用滾壓、噴丸等方式予強化高錳鋼效果不理想。利用爆炸極短時間內產生3×107KPa高壓使高錳鋼表面形成40~50mm硬化層，硬化層硬度達到HB300~500，表層屈服強度可提高2倍，耐磨性提高50％，此種方法對標準高錳鋼最為有效。

5.鑄態水韌處理:高錳鋼凝固后，在960℃以上利用余熱進行水韌處理，可減少表層脫碳，縮短生產周期和節約能源，對壁厚的中小鑄件，能采用此法，唐山水泥機械廠曾用金屬型鑄造高錳鋼襯板時利用了此法，但必須仔細控制入水溫度。

6.沉淀強化:標準高錳鋼水韌處理后，不宜再加熱，而加入合金元素后，就可以用沉淀強化熱處理的方法，使高錳鋼基體強化，并在基體上分布彌散的粒狀碳化物，使耐磨性提高。

四、工況條件與高錳鋼的應用

在長期使用中發現，高錳鋼韌性很好，但在某些條件下，其耐磨性不盡人意，影響耐磨性因素有：鑄件原始硬度，加工硬化速度，析出第二相硬粒子的沉淀強化，鑄件工作面的硬化層深度，前面談到的各種措施就是提高高錳鋼耐磨性采用的一些方法。隨著科學研究的發展，人們開始跳出了高錳鋼的圈子，著眼于馬氏體鋼、貝氏體鋼、鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鋼（鐵）、復合材料、鑄石、橡膠等各種材料。控制實際工況條件，歸納幾點對選材的看法。

1.對弱沖擊磨料磨損工況：高錳鋼基本不能產生加工硬化，由于沖擊力很小，對材料韌性要求不高，可以選用原始硬度高的材料，如空氣運輸、水力輸送管道可用玄武巖鑄石制造。對水泥磨2中二、三倉（細磨倉），研磨介質小，沖擊力小，可以選用低鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵，甚至白口鐵等脆性耐磨材料，壽命較高錳鋼提高1～4倍。

2.對低沖擊磨料磨損工況:高錳鋼雖能產生加工硬化，但硬度很低，因沖擊力低不大，可選用高碳高錳鋼、中錳鋼、貝氏體鋼、低合金馬氏體鋼及貝氏球鐵等材料。例如，對大磨機的襯板（一倉），選中合金馬氏體鋼ZG42CrMnSi2Mo可使壽命提高2～3倍，而且不產生變形。尤其現在水泥粉磨中研磨介質逐步推廣使用高鉻鑄球，其與高錳鋼襯板硬度匹配不好，使襯板變形加速，壽命降低，更加顯示出替代高錳鋼的必要性。破碎普氏硬度f≤12物料，400×600顎式破碎機齒板如用中合金馬氏體鋼制造，壽命提高約20％～50％，還可將破碎物料中的鐵屑吸出，提高物料純度，對增加白水泥白度和減小矽磚小氧化鐵溶洞有利。另外，12kg以下的小錘頭也可用一定韌性的馬氏體鋼來制造。

3.對中等沖擊磨料磨損工況：例如沖擊功為4J時，相當于破碎f=12～14的礦石，齒板可以選用韌性較好的馬氏體鋼和改性高錳鋼，它們的耐磨性比高錳鋼提高20%～100％。我們還用高錳鋼-高鉻鑄鋼粘結復合齒板破碎花崗巖，壽命較高錳鋼提高2.5倍。

4.對強沖擊磨料磨損工況：沖擊功大于5J，礦石硬度f=16～19時，用馬氏體鋼做齒板或襯板，其安全性不夠或耐磨性不高，仍需采用高錳鋼系材料。例如φ200圓錐破碎機使用鉻、鈦改性高錳鋼，破碎f=17～19礦石，耐磨性較標準高錳鋼高50％左右，而在破碎f=12～14礦石時，耐磨性提高幅度達70%～100％，即在強沖擊磨損時，兩者耐磨性差距縮小。可能在強沖擊條件下，它們的加工硬化速率相近，改性高錳鋼的原始硬度較高，硬化后表面硬度仍保持較高，達到HV700左右，而標準高錳鋼硬化后也達HV600多，但硬度差距較中等沖擊時縮小，所以造成耐磨性差別也減小。對一些受強沖擊的大尺寸錘頭可采用超高錳鋼來保證其正常工作。礦山破碎用的濕法磨襯板，當礦石硬度f≤14時，低合金馬氏體鋼的使用壽命較標準高錳鋼約高50％，對硬度f＞14礦石，我國仍用標準高錳鋼制造，因改性高錳鋼原料成本高，生產工藝復雜，要求嚴格，影響了它的生產、使用。而國外在礦山濕式磨機時，對襯板選材首先考慮馬氏體鋼，其次大量采用橡膠襯板。其壽命可較標準高錳鋼提高1～5倍，還降低了電耗、球耗、減少磨機噪單，減輕維修時的勞動強度等。我國橡膠制品行業正在開發這種產品。

總之，耐磨材料的選用主要根據實際工況條件，對照上面的原則，并通過試驗來選擇。

參考文獻:

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