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論高錳鋼現(xiàn)狀及今后發(fā)展
摘要：本文通過分析加工硬化機(jī)理、高錳鋼生產(chǎn)中的常見問題等方面系統(tǒng)論述了高錳鋼的現(xiàn)狀，從生產(chǎn)工藝方面論述了高錳鋼今后發(fā)展的情況，并進(jìn)一步對(duì)高錳鋼的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：加工硬化機(jī)理 常見問題 現(xiàn)狀 發(fā)展 應(yīng)用
高錳鋼俗稱“耐磨鋼” ，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的許多耐磨件上。隨著對(duì)磨損機(jī)理研究的深入發(fā)展，人們對(duì)高錳鋼的特性也了解的更透徹。
一、高錳鋼加工硬化機(jī)理
高錳鋼原始硬度很低，而加工硬化能力很強(qiáng)，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(qiáng)化機(jī)理有以下幾種：
1.位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制：高錳鋼是大量Mn原子置換鐵原子，顯著降低層錯(cuò)能，因而易于形變，使位錯(cuò)密度增高，形成堆垛層錯(cuò)和形變亞結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。
2.形變孿晶機(jī)制：高錳鋼拉伸后，硬化區(qū)出現(xiàn)層狀孿晶，硬度達(dá)HV460。經(jīng)重錘錘擊后出現(xiàn)層狀孿晶及位錯(cuò)纏結(jié)達(dá)HV500。爆炸硬化時(shí)出現(xiàn)復(fù)合孿晶，硬度提高，硬化層加厚。
3.形變馬氏體機(jī)制：從熱力學(xué)角度講，合金快速冷至Ms點(diǎn)以下可獲得馬氏體，而在Ms點(diǎn)以下存在Md點(diǎn)，在Ms——Md之間因應(yīng)力作用可產(chǎn)生形變馬氏體。一般Ms點(diǎn)低于200℃。Mn量為12％時(shí)，Ms點(diǎn)為-230℃以下，因此室溫下一般變形的高錳鋼不會(huì)產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體。如果鋼中碳量降至0.8%時(shí)，在室溫下也沒能發(fā)現(xiàn)形變馬氏體，而在-196℃低溫下可出現(xiàn)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(chǎn)生，常規(guī)成分高錳鋼固溶后經(jīng)50％的變形量形變，硬度已達(dá)到較高數(shù)值，變值量增至35％時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(yàn)，也間接證明硬化主要原因不是由于產(chǎn)生了δ馬氏體。以前關(guān)于發(fā)現(xiàn)馬氏體的報(bào)導(dǎo)，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(xiàn)。根據(jù)這個(gè)機(jī)理，現(xiàn)在已有將高錳鋼進(jìn)行表面控制脫碳，使得在水韌處理后產(chǎn)生馬氏體，用以強(qiáng)化高錳鋼，提高耐磨性的報(bào)導(dǎo)。
4.析出相強(qiáng)化機(jī)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(cuò)、空位、層錯(cuò)、孿晶等處聚集形成柯氏氣團(tuán)，阻礙滑移，形變熱量繼續(xù)積累，使偏聚的碳、錳原子重新分布，在缺陷處擇優(yōu)形核、長(zhǎng)大，形成彌散分布在基體內(nèi)及晶界上的ε碳化物。根據(jù)奧羅萬機(jī)制，滑動(dòng)位錯(cuò)與彌散碳化物顆粒間作用，使強(qiáng)迫位錯(cuò)通過顆粒所需的臨界分切應(yīng)力增大，強(qiáng)化了奧氏體。
人們?cè)谔己扛叩母咤i鋼中(碳為1.49％)，經(jīng)過50％的壓縮變形發(fā)現(xiàn)有碳化物析出。對(duì)常規(guī)成份高錳鋼雖未發(fā)現(xiàn)碳化物析出，卻也發(fā)現(xiàn)了晶格常數(shù)的減小，相當(dāng)于奧氏體中碳量降低0.1％。在全國(guó)齒板評(píng)比對(duì)性能較好的高錳鋼齒板分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)奧氏體中出現(xiàn)了原始組織中未有的新相，可能就是形變誘發(fā)的ε碳化物。
二、高錳鋼生產(chǎn)中的一些問題
根據(jù)各地廠家的生產(chǎn)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(duì)感應(yīng)電爐更加重要，錳鐵中磷較高，在選購(gòu)錳鐵時(shí)，要選擇含磷低的錳鐵合金。冶煉時(shí)，錳鐵宜后加入爐內(nèi)，以減少燒損量，后加入的鐵合金要預(yù)先經(jīng)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(yàn)鋼水質(zhì)量。
高錳鋼由于碳量高，導(dǎo)熱性低及結(jié)晶速度較快，容易產(chǎn)生粗大的結(jié)晶組織，當(dāng)傳熱有方向性時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)高錳鋼鑄態(tài)晶粒的大小通過熱處理是很難改變的。根據(jù)建材部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高錳鋼鑄件晶粒度不粗于2級(jí)，有的工藝文件還規(guī)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(chǎn)中要求高溫冶煉，低溫澆注，主要嚴(yán)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(jié)約能源，是影響鑄件質(zhì)量的重要因素。
2.鑄造:為了獲得細(xì)鑄態(tài)晶粒，減少碳化物析出量，除了控制澆注溫度，對(duì)厚大件要放置外冷件（內(nèi)冷鐵一般不宜放），這樣同時(shí)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(dāng)，可以不出現(xiàn)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(shí)，一般不用冒口，在大于50mm時(shí)，必須設(shè)置冒口。高錳鋼難切割，澆注系統(tǒng)往往分散引入，冒口采用保溫、細(xì)頸、易割三種冒口。在工藝上采用補(bǔ)澆，放發(fā)熱劑的辦法增強(qiáng)補(bǔ)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(chǎn)生化學(xué)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(zhì)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(yīng)達(dá)1∶8，水溫低于30℃。人們往往認(rèn)為高錳鋼淬透性很高，我們發(fā)現(xiàn)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(chǎn)周期，對(duì)100mm以下厚度的簡(jiǎn)單鑄件，可采用200℃入爐，以70～80℃/h速度升溫，不進(jìn)行650℃保溫的水韌工藝。
4.清理：對(duì)鑄態(tài)不能敲掉的澆、冒口，可以水韌后進(jìn)行澆水切割。
三、高錳鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展
1.精煉:為了提高鋼水質(zhì)量，爐外精煉工藝被愈來愈廣泛應(yīng)用，從20世紀(jì)80年代起，在高錳鋼生產(chǎn)上也得到使用，精煉后，夾雜物減少，分布改善，使強(qiáng)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(duì)高錳鋼性能的影響很大，生產(chǎn)廠家往往爐子容量大，澆注時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)，隨鋼水連續(xù)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(nèi)冷鐵作用和增加結(jié)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(dòng)性降低。
3.表面合金化:為了既提高耐磨性又節(jié)約合金元素，采用表面加入合金的方法可以達(dá)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(xiàn)在還有用含鉻焊條在高錳鋼上進(jìn)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(qiáng)化高錳鋼效果不理想。利用爆炸極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生3×107KPa高壓使高錳鋼表面形成40~50mm硬化層，硬化層硬度達(dá)到HB300~500，表層屈服強(qiáng)度可提高2倍，耐磨性提高50％，此種方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼最為有效。
5.鑄態(tài)水韌處理:高錳鋼凝固后，在960℃以上利用余熱進(jìn)行水韌處理，可減少表層脫碳，縮短生產(chǎn)周期和節(jié)約能源，對(duì)壁厚的中小鑄件，能采用此法，唐山水泥機(jī)械廠曾用金屬型鑄造高錳鋼襯板時(shí)利用了此法，但必須仔細(xì)控制入水溫度。
6.沉
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