生产高锰钢要知道的知识梳理1奥氏体耐磨高锰钢的两个重要特性奥氏体耐磨高锰钢的两个重要特性是优异的加工硬化能力和高的冲击韧性，经强烈冲击变形后，其表层硬度可从HB170-230提高到HB500-800，而硬化层内侧仍保持为高韧性的奥氏体组织。
因而不仅具有良好的安全可靠性，而且具有较高的抗冲击磨料磨损的能力。
高锰钢在高冲击负荷作用下才能表现出最佳的耐磨性，在此情况下要有良好的冲击韧性。
因此被广泛应用于冶金、矿山、建材、电力和铁路等部门所使用的耐磨件上，如挖掘机铲齿、球磨机衬板、锤式破碎机锤头及衬板、拖拉机履带板和铁路道岔等。
2标准型奥氏体高锰钢标准型奥氏体高锰钢的主要化学成分是碳和锰，经水韧处理后可以获得单一的奥氏体组织。
高锰钢中锰的主要作用是稳定奥氏体组织，在钢中扩大Y相区。
钢中含锰量的选择，主要决定于工况条件、铸件的结构尺寸等几个方面的因素。
厚壁铸件为保证热处理时不致析出碳化物，一般锰的含量高些。
用于强烈冲击条件的高锰钢铸件，含锰量应该高些。
含锰量一定时，适当提高含碳量可以改善耐磨性，但是含碳量超过1.5%时，对耐磨性的影响则不明显。
而且提高含碳量在改善高锰钢耐磨性的同时，会明显降低材料的冲击韧性。
高锰钢在高冲击负荷作用下才能表现出最佳的耐磨性，在此情况下要有良好的冲击韧性。
因此，为了使高锰钢具有较好的耐磨性和冲击韧性的配合，含碳量不宜过高。
M/C=10，可得到较好的强韧性配合。
3高锰钢的不适应性高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化的基础上，需要在高应力下才能充分加工硬化，但就耐磨件工作条件而言，高应力工况不足，绝大部分都是在中低应力状态下工作，因而高锰钢不易被加工硬化，耐磨性不能充分发挥。
在固溶处理后的水淬过程中受冷却速度的限制，容易析出脆性碳化物，引入脆性相，对于厚大断面工件，心部常常出现碳化物，从而降低使用性能；寒冷条件下使用的高锰钢常出现脆断现象；在高温或湿磨的条件下腐蚀磨损；在铸造过程中，晶界出现碳化物。
因为这些原因使其在今天的许多工程机械中以表现出不适应性。
4改性高锰钢为了克服传统高锰钢的不足，提高屈服强度和耐磨性，以满足使用要求。
在原高锰钢的成分基础上，适量添加Ti，V，Nb，W，B，N 和Re 元素，形成高熔点化合物，细化晶粒来发挥作用。
通过加入Cr，Mo，Ti 和V 等碳化物形成元素，使其产生综合作用，以改变高锰钢中碳化物弥散分布的形态，获得以M 23C 6为主的粒状碳化物，使其弥散分布于奥氏体基体上，有效地提高了耐磨性，不仅在高冲击应力下具有良好的耐磨性，而且在低应力条件下仍很耐磨。
4.1提高C 含量改性高锰钢C 在ZGMnl3钢中一部分固溶在钢中，一部分与Fe ,Mn 形成碳化物，提高钢的硬度和耐磨性。
在非强烈冲击工况条件下，在含C 量超过1%时，每增加0.1%C，耐磨性提高5%～10%，高碳高锰钢的耐磨性远高于ZGMn13。
M/C＜10利于提高耐磨性。
4.2降低碳锰含量介稳奥氏体高锰钢--奥氏体中锰钢Mn 在钢中是促进奥氏体形成元素，在保证奥氏体组织的前提下，随着Mn 含量降低，奥氏体稳定性下降，但加工硬化能力增强。
4.2.1介稳奥氏体锰钢介稳奥氏体锰钢是在ZGMnl3的基础上，适当降低碳锰含量，并加入一定含量的铬，从而降低奥氏体稳定性，增强加工硬化能力。
大致成分为:Mn 8.0～9.5%，C1.00～1.20%，Cr2.0～2.5%，Si<0.8%。
介稳奥氏体锰钢在形变时形成大量孪晶，孪晶带薄，孪晶间距小，并有ε马氏体出现。
冲击载荷作用小时，其加工硬化速度快，可迅速形成高硬度的稳定的硬化层，抗冲击磨料磨损的能力大幅度提高。
4.2.2中锰钢中锰钢经水韧处理后得到不稳定的奥氏体组织，在压缩和冲击条件下塑性变形，诱发产生大量形变马氏体，从而迅速硬化。
由于形变马氏体的强化远高于普通高锰钢层错强化，故中锰钢的耐磨性远高于介稳奥氏体锰钢4.3既提高Mn含量，又提高C的含量的超高锰钢超高锰钢是在普通高锰钢成分的基础上通过提高碳锰含量发展而来的。
它既具有高的加工硬化速率，又保持了高韧性的奥氏体组织，在中低冲击工况下，也具有良好的耐磨性。
提高锰含量可以固溶较多的合金元素，再通过变质处理和沉淀强化处理，就能进一步提高韧性和加工硬化能力。
在尽可能降低P、S的基础上，提高含锰量，可以提高奥氏体的稳定性，阻止碳或碳化物析出。
提高含锰量不仅使强度、塑性提高，而且提高了低温下的抗脆性破坏能力。
可以在严寒气候下使用。
其化学成分大致为:C1.53%，Si0.55%，Mn18.2%，Cr2. 65%，Ti0.22%，Re0.35%,P<0.06%,S<0.05。
Mn/C＞10利于保证韧性。
4.4合金化高锰钢在ZGMn13钢中添加合金元素Cr，Mo，V形成合金高锰钢。
合金元素的加入主要是控制碳化物的析出和改善屈服极限。
高锰钢中合金元素的主要作用如下所述;铬:合金元素Cr是固溶强化和碳化物形成元素，一般用量1.5%～3.0%。
Cr能提高钢的淬透性和耐磨性，也能提高钢的屈服强度，但是在常温下随铬含量的增加，高锰钢的冲击韧性有所降低。
铬的加入不仅可以形成碳化物，还降低了奥氏体的稳定性，加工硬化速度快，可迅速形成高硬度的稳定硬化层。
鉬:合金元素Mo可以缓解碳的扩散速度，能抑制碳化物的析出和珠光体的形成。
含Mo钢经过强化处理后，可获得较高的屈服强度，且韧性不降低，当钢中加入0.5%～0. 6%的Mo时，钢的强度、塑性和冲击韧性提高20%-30%。
鉬能改善奥氏体沿树枝晶发展的倾向，鉬的加入还可阻止奥氏体晶粒在热处理时加热和保温过程中的长大。
鉬提高奥氏体的稳定性，提高大截面铸件心部的塑韧性。
镍：镍也提高奥氏体的稳定性，提高大截面铸件心部的塑韧性。
钒:是C，N化合物形成元素，在高锰钢中有细晶强化和弥散强化作用。
钒的加入使硬度提高，当含量较高时冲击韧性下降。
稀土元素:RE的加入可净化钢液、细化晶粒、抑止碳化物的生长和改善夹杂物形态、分布的作用。
硅:硅促使枝晶粗大及碳化物的形成。
硅含量大于0.65%,钢的裂纹倾向增加，在高锰钢中硅的含量一般控制在0.6%以下。
5高锰钢的稀土变质处理因为碳化物析出导致高锰钢韧性迅速降低的一个重要因素，这些碳化物通常趋于沿奥氏体的晶界析出，并且这些碳化物往往呈现出对材料韧性最不利的片状或针状。
利用稀土元素对晶界和相界明显的净化作用，对碳化物形核过程的影响以及对析出相的改性作用，可通过稀土元素对合金化的高锰钢进行变质处理改变析出碳化物在奥氏体基体中的分布状态和碳化物的形态，在奥氏体锰钢基体上获得颗粒状的碳化物并使之均匀分布于奥氏体晶粒内部，从而抑制由于不利的析出相分布和形态给材料韧性带来的影响。
高锰钢加入稀土后，晶粒得到细化，碳化物数量减少，其力学性能得到了显著提高，加入稀土硅合金为0.3%-0.5%的水韧态高锰钢力学性能较好。
6高锰钢的组织和性能6.1高锰钢的显微组织常用的耐磨高锰钢为ZGMn13型，其化学成分大致为C:0.9～1.4%,Mn:11～14%, Si:0.3～0.6%,S≤0.04%,P≤0.07%;在此基础上还可以添加Cr,Ni等合金元素进行合金化和变质处理，形成合金耐磨高锰钢。
图1.1为含13%Mn的Fe-Mn-C三元合金相图的截面图。
由于Mn的加入，临界点S和E明显左移。
铸件在铸造结晶的过程中，冷速缓慢，室温时组织是以奥氏体为基体，晶内和晶界存在大量块状、条状或者针状碳化物，晶界上碳化物呈网状，如图1.2(a)所示。
高锰钢的铸态组织的特点使其性能很差，需经过水韧处理后才能使用。
经过水韧处理后的组织应为单一的奥氏体组织，但由于冷速不足，固溶温度低，保温时间短，导致碳化物不能完全溶解，而在晶内或晶界残留有少量的碳化物，如图1.2(b)所示。
当高锰钢受到冲击、压力等应力作用产生加工硬化，其显微组织会出现许多滑移带，甚至出现晶粒扭曲、滑移带弯曲或滑移台阶，如图1.2(c)所示。
图1.1Fe-Mn-C三元合金相图(含13%Mn)(a)铸态组织(b)水韧组织(c)加工硬化后组织图1.2高锰钢的显微组织6.2高锰钢的性能高锰钢的物理性能高锰钢的液相线温度为1400℃，固相线温度为1350℃,随着高锰钢的含碳量增加液相线温度和固相线温度降低。
高锰钢的固态密度为7.930g/cm3，它的电阻率比铁的大将近3倍，铸态高锰钢经水韧处理后得到单相奥氏体，无磁性，其导磁率为μ=1.003～1.03。
硬度高锰钢的硬度有三种，一是铸态硬度，二是水韧处理后硬度，三是加工硬化层硬度。
铸态组织中有大量的碳化物和共析分解的珠光体组织，钢的硬度较高，约为200HB-230HB。
铸态组织的硬度高低与钢中碳含量及其它合金含量有关，碳含量增加组织中的碳化物数量增多，钢的硬度增加。
水韧处理后，钢的硬度与合金成分的关系由固溶强化的程度决定，但固溶强化的作用不及碳化物的作用。
水韧处理后奥氏体的硬度约为170～230HB。
高锰钢实际使用硬度是表层的加工硬化硬度，可高达600HB。
锰在奥氏体中为置换固溶体，锰含量增加，加工硬化速度下降，对耐磨性不利。
碳对高锰钢的加工硬化性影响很大，随着碳含量的增加，耐磨性提高。
适当的化学成分和热处理可以使碳化物的形态和数量发生改变，从而影响钢的耐磨性。
此外加工硬化和实际工矿条件对钢的耐磨性也有很大的影响。
7高锰钢的生产工艺要点7.1高锰钢的电弧炉冶炼高锰钢在电弧炉中冶炼时有氧化法和不氧化法两种工艺。
常用的氧化法冶炼工艺而言，必须做到下述几点：（1）配碳量应保证氧化期脱碳量在0.30%以上；（2）炉料熔化到60%～80%以后，扒推料并加助熔碎铁矿石为料重的1%左右；（3）熔化期总渣量为钢液质量的2%～4%,氧化期为2%～5%；（4）化清后，若熔池中磷高时可流渣或扒渣，若碳低时可先增碳后在氧化；（5）测温时间不少于20s时，加矿石氧化，每批矿为料重的1%～5%.两批间隔时间为6～7min,分2～3批加入;（6）最后一批矿石加入5min后搅拌，待碳合乎要求后，加锰铁，调整碳的成分，使钢液中锰含量达到0.20%以上；（7）清洁沸腾后3～5min搅拌，取样分析[C],[Mn],[P],并使[P]<0.02%;（8）熔池平静，用秒表测定温度，不少于45s时，可扒除全部氧化渣；（9）出渣后迅速加稀薄渣料，渣量为料重的2%。
石灰：萤石=1：1，并加0.3%Si-Fe,1%Mn-Fe;(10)稀薄渣形成后，加入烘烤过的Mn-Fe，使终[Mn]达到中下限；(11)加入Mn-Fe后搅拌，并加入还原渣料3%～4%。
石灰：萤石：碳粉：硅铁粉=4：1：1.5：1，使形成弱电石渣，并关闭炉门15min左右，搅拌取样分析[C],[Si],[Mn],[P];(12)每隔5～7min加一批碳粉和硅铁粉，保持炉内呈还原性气氛，并用石灰调渣；(13)还原后取渣样分析，要求（MnO）+（FeO）≤1.5%;(14)钢液化学成分合格，渣样呈白色，待超过45s后准备出钢。