高锰钢

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同义词 high manganese steel一般指高锰钢
高锰钢(high manganese steel)是指含锰量在10%以上的合金钢
中文名
高锰钢
外文名
high manganese steel
应用领域
采石、采矿、挖掘、煤炭工业等
来    源
1882年第一次获得

高锰钢简介

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高锰钢高锰钢的来源

1882年第一次获得奥氏体组织的高锰钢,1883年英国人哈德菲尔德(R.A.Hadfield)取得了高锰钢专利。高锰钢依其用途的不同可分为两大类:

高锰钢耐磨钢

这类钢含锰10%~15%,碳含量较高,一般为0.90%~1.50%,大部分在1.0%以上。其化学成分为(%):
C0.90~1.50Mn10.0~15.0
Si0.30~1.0 S≤0.05 P≤0.10这类高锰钢的用量最多,常用来制作挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板、铁路辙岔、板锤、锤头等。
上述成分的高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成,有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时,常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆,无法使用,需要进行固溶处理。通常使用的热处理方法是固溶处理,即将钢加热到1050~1100℃,保温消除铸态组织,得到单相奥氏体组织,然后水淬,使此种组织保持到常温。热处理后钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高,所以此种热处理方法也常称为水韧处理。热处理后力学性能为:σb615~1275MPa σs340~470MPa ζ15%~85% ψ15%~45% aKl96~294J/cm2 HBl80~225
高锰钢经过固溶处理后还会有少量的碳化物未溶解,当其数量较少符合检验标准时,仍可使用。
奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时,金属表面发生塑性变形。形变强化的结果,在变形层内有明显的加工硬化现象,表层硬度大幅度提高。低冲击载荷时,可以达到HB300~400,高冲击载荷时,可以达到HB500~800。随冲击载荷的不同,表面硬化层深度可达10~20mm。高硬度的硬化层可以抵抗冲击磨料磨损。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下,有优异的抗磨性能,故常用于矿山、建材、火电等机械设备中,制作耐磨件。在低冲击工况条件下,因加工硬化效果不明显,高锰钢不能发挥材料的特性。
中国常用的高锰钢的牌号及其适用范围是:ZGMn13—1(C 1.10%~1.50%)用于低冲击件,ZGMn13—2(C1.00%~1.40%)用于普通件,ZGMn13—3(C0.90%~1.30%)用于复杂件,ZGMn13-4(C0.90%~1.20%)用于高冲击件。以上4种牌号钢的锰含量均为11.0%~14.0%。
在冲击载荷作用的冷变形过程中,由于位错密度大量增加,位错的交割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使钢得到强化。这是加工硬化的重要原因。另一个重要原因则是高锰奥氏体的层错能低,形变时容易出现堆垛层错,从而为ε马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。常规成分的高锰钢的形变硬化层中常可以看到高密度位错、位错塞积和缠结。ε马氏体和形变孪晶的出现使钢难以变形,尤其是后者的作用更大。上述各种因素都使高锰钢的硬化层得到很高程度的强化,硬度大幅度提高。
高锰钢极易加工硬化,因而很难加工,绝大多数是铸件,极少量用锻压方法加工。高锰钢的铸造性能较好。钢的熔点低(约为1400℃),钢的液、固相线温度间隔较小,(约为50℃),钢的导热性低,因此钢水流动性好,易于浇注成型。高锰钢的线膨胀系数为纯铁的1.5倍,为碳素钢的2倍,故铸造时体积收缩和线收缩率均较大,容易出现应力和裂纹。
为提高高锰钢的性能进行过很多合金化、微合金化、碳锰含量调整和沉淀强化处理等方面的研究,并在生产实践中得到应用。介稳奥氏体锰钢的出现则可较局gao大幅度降低钢中碳、锰含量并使钢的形变强化速度提高,可适用于高和中低冲击载荷的工况条件,这是高锰钢的新发展。

高锰钢无磁钢

这类钢含锰大于17%,碳含量一般均在1.0%以下,常在电机工业中用于制作护环等。这类钢的密度为7.87~7.98g/cm3。由于碳、锰含量均高,钢的导热能力差。导热系数为12.979W/(m·℃),约为碳素钢的1/3。由于钢是奥氏体组织,无磁性,其磁导率μ为1.003~1.03(H/m)。

高锰钢铸造工艺

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在高能量冲击的工作条件下,高锰钢与超高锰钢铸件的应用范围是广阔的。许多铸造厂,对生产此类钢种铸件缺乏必要的认识。现对具体操作做简要的说明,供生产者参考。

高锰钢化学成分

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。

高锰钢炉料

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。这个认识是有害的。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。

高锰钢熔炼

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。

高锰钢炉料与造型材料

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。

高锰钢铸造工艺设计

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。

高锰钢热处理

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。

高锰钢切割与焊接

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。

高锰钢生产的注意事项

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。

高锰钢用途

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高锰钢 高锰钢
高锰钢是专为重工业提供使用的一种防磨钢材,应用领域包括采石、采矿、挖掘、煤炭工业、铸造和钢铁行业等。

高锰钢性能特点

经防磨技术处理后,材料表面可达到500--550 布氏硬度,继续保持内部柔韧度,表面摩擦力最小化,可用高锰钢或类似材料进行焊接,可被乙炔氧炬切割,无磁性等。

高锰钢技术参数

物理参数
化学成分(%)
屈服强度
60,000--85,000 psi
Mn
12.0--14.0
抗拉强度
120,000--130,000 psi
C
1.00--1.25
延伸率
35%--50%
Si
≤0.60
轧制硬度
230--255 bhn
P
≤0.05
最大硬度
550bhn
S
≤0.04
磁性
Fe
85.0—88.0

高锰钢力学性能

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1.碳化物对高锰钢性能的影响
降低冲击韧性及抗拉强度
2.非金属夹杂物对高锰钢性能的影响
在钢液凝固时,大量的氧化锰以非金属夹杂物的形式析出在钢的周界上,降低钢的冲击韧度,并使铸件的热裂纹倾向增大。
3.化学成分的选择及对高锰钢性能的影响
(1)含碳量和含锰量 钢中含碳量过低时,不足以产生有效的加工硬化效果;而当碳含量过高时,又会在铸态中出现大量的碳化物,特别是出现粗大的碳化物,因此为了避免析出碳化物,必须控制含碳量不得过高。
为了保证高锰钢的性能,必须有足够的含锰量。含锰量过低时不能形成单一的奥氏体组织;而过高的含锰量也是不必要的,生产中一般规定,WMn控制在11.0%~14.0%,WC控制在0.9%~1.3%。应该指出的是,含锰量与含碳量之间应有适当的搭配,即应有适宜的锰碳比,一般控制在Mn/C=10。
(2)含硅量 高锰钢中Wsi的规格含量为0.3%~0.8%,硅会降低碳在奥氏体中的溶解度,促使碳化物析出,使钢的耐磨性和冲击韧度降低,因此硅量应控制在规格下限。
(3)含磷量 高锰钢的规格含量为Wp≤0.7%,熔炼高锰钢时,由于锰铁的含磷量较高,因此一般情况下钢中的含磷量也比较高。因为磷会降低钢的冲击韧度并使铸件容易开裂,所以应尽量降低钢的含磷量。
(4)含硫量 高锰钢的规格要求Ws≤0.05%,高锰钢因为含锰量高,使钢中大部分的硫与锰在熔炼过程中相互化合而形成硫化锰(MnS)而进入炉渣中,因而钢中的硫含量经常是较低的(一般不超过0.03%),因此,在高锰钢中硫的有害作用比磷高。
4.晶粒度对高锰钢力学性能的影响
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