高锰钢书11

§1. 高锰钢特性

§1.1.高锰钢铸件技术条件

§1.2 高锰钢的化学成分和铸态组织 §1.3.高锰钢的铸造性能特点 §1.4.高锰钢的加工硬化 §1.5.提高高锰钢质量的主要途径 §2. 高锰钢的熔炼 一 高锰钢的熔炼 碱性电弧炉熔炼 二）碱性感应电炉熔炼 §3.高锰钢的热处理

§3.1. 铸造高锰钢的水韧处理

§3.2.高锰钢水韧处理工艺对低温韧性的影响 §3.3.高锰钢水韧处理规范及实例 §3.4.高锰钢水韧处理金相组织 §3高锰钢铸造工艺 §4. 高锰钢铸件无冒口浇注 1.高锰钢铸件冒口补缩距离 2、高锰钢铸件无冒口铸造 二.高锰钢铸件无冒口浇注铸型 三、V法铸造开冒口落注高锰钢铸件 第2章 铸钢的电弧炉熔炼技术

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§2.1 电弧炉结构及工作原理

高锰钢熔铸生产实例

（优质钢高锰钢铸件生产技术及应用实例）

邓宏运 胡祖尧 章舟 编著

前言

第一章 高锰钢特性 1.1高锰钢铸件技术条件 1.2高锰钢的化学成份和铸态组织 1.2.1高锰钢的化学成份

1.2.2化学成份对高锰钢性能的影响 1.2.3铸态组织

1.3高锰钢的铸造性能特点 1.3.1流动性好 1.3.2热裂倾向大 1.3.3热应力大 1.3.4易产生粘砂 1.4高锰钢的加工硬化 1.5提高高锰钢质量的途径 1.5.1细化晶粒 1.5.2消除碳化物 1.5.3改进高锰钢的耐磨性 第2章 铸钢的电弧炉熔炼 2.1电弧炉结构及工作原理

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2.1.1电弧炉结构 2.1.2 电弧炉工作原理

2.2 铸钢的电弧炉熔炼工艺特点与碱性电弧炉特钢的冶炼技术 2.2.1铸钢的电弧炉熔炼工艺特点 2.2.2碱性电弧炉特钢的冶炼技术 2.2.2.1氧化法冶炼特点 2.2.2.2不氧化法冶炼特点 2.2.2.3返回吹氧法冶炼特点 2.3电弧炉冶炼铸钢熔化期的质量控制 2.3.1熔化期的作业程序及质量控制 2.3.1.1熔化期快速熔化炉料 2.3.1.2熔化期准备工作 2.3.2熔化期的作业技巧 2.3.2.1吹氧时氧压的控制 2.3.2.2吹氧助熔的方法 2.3.2.3缩短熔化期的措施

2.3.3熔化期各种异常情况的分析处理方法 2.3.3.1熔化期不导电原因及处理方法 2.3.3.2炉料的“搭棚”塌料现象及处理方法 2.3.3.3熔化末期炉底粘冷钢原因及检查处理方法 2.3.3.4吹氧助熔塌料会造成大沸腾现象及预防处理的方法 2.4电弧炉冶炼铸钢氧化期的质量控制

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2.4.1氧化期的作业程序及关键 2.4.1.1氧化前的测温 2.4.1.2氧化期造渣 2.4.1.3氧化方法 2.4.1.4氧化技术控制 2.4.1.5净沸腾 2.4.1.6扒渣 2.4.2氧化期的作业 2.4.2.1氧化期吹氧方法 2.4.2.2氧化期使用矿石的方法

2.4.2.3氧化期要做到高温氧化均匀沸腾，保证脱碳量 2.4.2.4符合规定要求、顺利进行冶炼 2.4.2.5氧化期造泡沫渣的技术 2.4.2.6快速去磷技术措施 2.4.2.7合理控制脱磷与脱碳操作 2.4.2.8影响炉渣的流动性的因素

2.5电弧炉冶炼铸钢氧化期作业异常情况的原因及处理技术 2.5.1脱碳快、去磷慢 2.5.2取磷快、脱碳慢

2.5.3碳、磷下降慢，甚至不发生氧化反应 2.5.4碳已经氧化到终点，熔池温度已升，而磷还高 2.5.5炉壁剥落

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2.5.6氧化后期炉渣有时会变得粘稠 2.5.7加矿石氧化时会引起爆发性大沸腾 2.6电弧炉冶炼铸钢还原期的质量控制 2.6.1还原期白渣作业关键程序 2.6.1.1造稀薄渣 2.6.1.2予脱氧操作 2.6.1.3变渣操作 2.6.1.4搅拌分析 2.6.1.5调整化学成份 2.6.1.6出钢

2.6.2还原期作业技巧 2.6.3还原期脱碳操作方法 2.6.4还原期薄壁吹氧操作

2.6.5除渣后加入烤红石灰用大功率供电造渣 2.6.6还原期采用大渣量造渣 2.6.7还原期要封闭好炉子进行冶炼

2.6.8还原期为保证还原气氛要不断加入碳粉和硅粉 2.6.9还原期白渣脱氧应保持一定时间做到白渣下出钢 2.6.10还原期避免停电后期升温 2.6.11还原期冶炼温度控制的重要性 2.6.12还原期降低钢中夹杂物的途径 2.6.13还原期钢的合金化方法

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2.6.14还原期冶炼操作对合金元素回收率的影响 2.6.15还原期控制化学成份的经验方法

2.7电弧炉冶炼铸钢还原期异常情况分析判断及处理方法 2.7.1炉渣增碳因素分析

2.7.2出炉内冒出的烟尘气氛来判断渣况 2.7.3从渣子颜色判断渣况 2.7.4石渣火焰分析及变渣方法 2.7.5熔池温度判断

2.8电弧炉冶炼铸钢还原期质量事故分析与预防处理方法 2.8.1元素出格原因及防止措施 2.8.2预防化学成份不合格的几种规定 2.8.3还原期质量事故的处理规定

第3章 高锰钢的电弧炉冶炼技术

3.1高锰钢电弧炉冶炼的基本原理及过程控制 3.1.1炉渣的作用 3.1.2炉渣的性质 3.1.3炉渣的粘度

3.2高锰钢电弧炉冶炼的基本原理 3.2.1硅和锰的氧化 3.2.2脱磷 3.2.3脱碳 3.2.4脱氧

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3.2.5脱硫

3.3冶炼高锰钢工艺操作规程

3.3.1碱性电弧炉氧化法冶炼高锰钢工艺操作规程 3.3.2碱性电弧炉不氧化法冶炼高锰钢工艺操作规程 3.4高锰钢铸造性能和高锰钢浇注温度的控制 3.4.1高锰钢铸造性能 3.4.2高锰钢浇注温度的控制

第4章 高锰钢的碱性感应电炉熔炼

4.1熔炼用中频感应炉

§4.1.1 中频电磁感应熔炼炉的工作原理及组成 §4.1.2感应熔炼电炉成型炉衬的应用

§4.1.3中频感应电炉的试炉及熔炼操作注意的问题 §4.1.4中频感应电炉的维护保养与安全操作及事故处理 §4.1.5中频感应熔炼炉启动时6种故障分析及处理 §4.1.6中频感应熔炼炉运行中14种故障处理 4.2.碱性感应电炉的熔炼

第5章 高锰钢的热处理

5.1铸件的清理 5.2铸件的热处理工艺 5.2.1加热处理

5.2.2加热温度和保温时间 5.2.3淬火

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5.3高锰钢水韧处理工艺对低温韧性的影响 5.4规范及实例 5.5金相组织

第6章 优质钢高锰钢铸件的生产技术及应用实例 6.1优质钢高锰钢铸件的生产技术

6.1.1高锰钢的化学成份对组织和性能的影响 6.1.2高锰钢的冶炼技术

6.1.3浇注前钢液的静量及温度的控制 6.1.4高锰钢的热处理

6.2延长高锰钢铸件使用寿命的途径 6.3提高挖掘机斗齿寿命的途径 6.4提高高锰钢在湿磨条件下的耐磨性 6.5含铬高锰钢

6.6高锰钢履带板铸件添加稀土 6.7加稀土熔炼高锰钢改善性能

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§1. 高锰钢特性

§1.1.高锰钢铸件技术条件

高锰钢是1种抗磨钢.所谓抗磨钢是指在没有润滑的条件下经受磨粒的摩擦而具有高抗磨性的钢种。冶金矿山机器上、履带式拖拉机和军用坦克上都装有用抗磨钢制成的机器零件。这些零件的工作条件往往是很恶劣的。他们或是在受重力冲击或挤压的条件下经受摩擦，或是受到高速运动的磨粒的冲刷和磨削。为了满足这样的工作条件的要求，所使用的钢应该有高的硬度，同时还要有足够的韧性和强度。

高锰钢是历史悠久的，是世界通用的一种抗磨钢。自从R.A.Hadfield(英)于1885年发明这种钢以来到已有百年多的历史。这种钢适用于在重力冲击或挤压的工作条件下经受摩擦的零件。近年来，国内外研究了一些马氏体抗磨钢，适用于经受高速运动的磨料的磨擦。这些新钢种今后将在生产上推广应用，有广泛的发展前途的。

高锰钢中锰的公称含量为13%，牌号为ZGMn13。这种钢具有奥氏体组织，钢的韧性很好（常温下ακ≥15×105 J/m2）。这种钢本身的硬度并不高，仅为HB200左右，但这种奥氏体钢具有加工硬化性质，铸件在经受强烈的冲击或重力的挤压情况下，其表面层发生加工硬化现象，硬度比原来大为提高，达到HB450-550左右，而冲击韧性则相应有所降低。这种具有高硬度的表面层使铸件具有良好的抗磨性。至于铸件的内部，则由于没有受到加工硬化，仍旧保持其原有的硬度和良好的韧性。当铸件的工作表面被磨掉一层后，显露出来的新的一层又被加工硬化，而同样获得了高的硬度。由于表面层具有高硬度而内部具有良好韧性这两方面很好的结合，所以这种钢适用于制造在受冲击或挤压条件下的抗磨零件，如球磨机的衬板，颚式破碎机的颚板，圆锥式破碎机的轧臼壁，挖掘机的抓斗前壁和抓斗齿，铁路的钢轨道叉，拖拉机和坦克的履带板等零件。

高锰钢具有高的抗磨性是由于加工硬化。如果高锰钢不是在受冲击或挤压的条件下经受摩擦，就不会发生加工硬化现象，就显得不耐磨。例如在用这种钢制造用压缩空气作动力的喷砂清理装置的喷嘴时，其抗磨性远远比不上用一般高碳钢制造的喷嘴。这就是因为喷嘴不受冲击或挤压，没有经过加工硬化过程的缘故。

高锰钢铸件国家标准（GB/T 5680-1998）见附录。

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§1.2 高锰钢的化学成分和铸态组织

一. 高锰钢的化学成分

高锰钢的化学成分中最重要的是锰和碳。适当选择这两种元素的含量，能够使钢既具有高的韧性，而又能具有加工硬化性。

锰是扩大奥氏体区的元素。为了获得单一的奥氏体组织，须有一定的含锰量。在高锰钢中，锰的公称含量为13%，含锰量范围为11%-14%。应该指出，高锰钢中存在的其它元素对形成奥氏体区也是有影响的，特别是碳的影响较大。

在高锰钢中，碳有两方面作用，一是碳具有扩大奥氏体区，促使钢形成奥氏体组织的作用。二是在高锰奥氏体钢中，碳促使钢加工硬化。高锰钢中必须具有相当的含碳量，才能起到有效的加工硬化作用。实际上高锰钢就是靠着这种加工硬化作用才具有高的抗磨性的。在高锰钢中含碳量范围为0.9%-1.3%。

高锰钢中其他几种基本元素的含量规定如下：Si为0.3%-0.8%；P≤0.10%；S≤0.05%。 二.化学成分对高锰钢性能的影响

化学成分对高锰钢的性能有重要的影响，因此在生产中应当严格控制。 1.含碳量和含锰量

高锰钢中含碳量过低时，不足以生产有效的加工硬化效果。当含碳量过高时，又会在铸态组织中出现大量的碳化物，特别是出现粗大的碳化物。即使是经过水韧处理能使这些碳化无溶解于奥氏体内，会在原来碳化物所在的位置留下空洞，造成显微裂纹，使钢发脆。同时，含碳过高，促使碳化物容易析出。由于高锰钢的导热性能差，铸件中心部分的冷却速度低。如果高锰钢的含碳量过高，则在固溶处理后的淬火过程中仍不免会有碳化物析出。因此，为了避免析出碳化物，须控制含碳量不使过高。为了保证高锰钢的性能，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，过高的含锰量也是不必要的。生产中一般规定：Mn 11.0%-14.0%,C 0.9%-1.3%。应该指出，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（Mn/C）。当高锰钢的含碳量较高时，其含锰量也应较高，保持适宜的锰碳比。适宜的锰碳比为8-10。选用锰碳比时还应该考虑到铸件的结构。铸件壁厚愈厚，其中心部分愈容易析出碳化物，所采取的锰碳比也应适当大些。当含锰量是在规格范围内时，增加含碳量会使钢的抗磨性能提高，但会降低其冲击韧性（图2-1和图2-2）。

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图2-1.工作 778h后钢的磨损量与含碳量的关系 图2-2. 含碳量对高锰钢冲击韧性的影响 2.含硅量

高锰钢中硅的规格含量为0.3%-0.8%。硅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性降低（图2-3和图2-4）。因此应将含硅量控制在规格下限。

图2-3. 含硅量对高锰钢的抗磨性的影响 图2-4. 含硅量对高锰钢冲击韧性的影响 曲线1，C 1.23%，Mn 11.4%, Si1.02%。曲线1，C 1.23%，Mn 12%, Si0.46% 3.含磷量

高锰钢的规格含磷量为P≤0.10%。冶炼高锰钢时，由于锰铁的含磷量较高，因此在一般情况下钢中的含磷量也比较高。磷降低钢的冲击韧性（图2-5），并使高锰钢铸件容易开裂，因此应尽量降低高锰钢的含磷量。生产中应尽量降低含磷量。

图2-5. 含磷量对高锰钢冲击韧性的影响

4.含硫量

高锰钢的规格含硫量为≤0.05%。高锰钢因为含锰量高，使得钢中大部分的硫与锰在炼钢过程中互相化合形成硫化锰（NnS）而进入炉渣中，因而钢的含硫量经常是比较低的（一般不超过0.03%）。因此，在高锰钢中硫的有害作用比磷的有害作用明显小。

除了钢中的化学元素的影响以外，非金属夹杂物的含量对高锰钢的性能也有显著的影响。高锰钢由于含有大量的锰，因而在高锰钢液中含有大量的氧化锰（Mn0）。氧化锰在钢液中的溶解度很大，但在固态高锰钢中的溶解度极小。因此在高锰钢凝固时，大量的氧化锰以非金属夹杂物的形式析出在钢的晶粒周界上，降低高锰钢的冲击韧性，并使高锰铸件的热裂倾向增大。因此，在冶炼高锰钢时，要求钢液脱氧良好，尽量降低钢液中氧化锰的含量。 三. 高锰钢的铸态组织

高锰钢的铸态组织是由奥氏体和碳化物所构成。高锰钢的化学成分和铸态组织的关系，可参看Fe-Mn-C三元合金状态图中含Mn13%的截面图（图2-6）。

图2-6. Fe-Mn-C三元合金状态图中含Mn13%的垂直截面图

由图可见，含Mn11%-14%；C0.9%-1.3%的高锰钢在900℃以上的温度时，具有单一的奥氏体组织。当温度降低到大约900℃以下时，则会有碳化物（Fe、Mn）3C析出。当温度继续下降到大约620℃时开始发生共析转变，此转变一直保持到约300℃时进行完了（三元合金中共析转变是在一个温度区间中进行的）。按照平衡条件得到的金相组织应该是铁素体和碳

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化物。但是，在铸造条件下由于高锰钢的结晶过程不是非常缓慢的，因此，结晶过程不能全部按照平衡状态进行。在铸造条件下，由于高锰钢的结晶过程不是非常缓慢的，因此，结晶过程不能全部按照平衡状态进行。在铸造条件下，共析转变来不急发生，因而，实际上得到的金相组织是由奥氏体和碳化物所构成（图2-7）。

图2-7. 高锰钢的铸态组织（奥氏体+晶界及晶内碳化物）×100

§1.3.高锰钢的铸造性能特点

高锰钢铸造性能有4个特点。 一 高锰钢流动性

由于高锰钢的导热性差，钢液凝固慢，所以，高锰钢流动性好，适于浇注薄壁铸件和结构复杂的铸件。

高锰钢的浇注温度比碳钢低得多。这一方面是由于钢液凝固慢，在浇注过程中保持液态的时间长。另一方面也是因为高锰钢的熔点比碳钢低得多。例如ZG25碳钢的熔点（液相线温度）约为1525℃，而Mn13%，C1.3%的高锰钢熔点（液相线温度）仅为1370℃。钢的浇注温度一般是熔点再加上50-100℃的过热度。因此，高锰钢的浇注温度一般规定为1420-1470℃。对于大铸件、厚壁铸件、形状简单的铸件和容易产生热裂的铸件应采取较低的浇注温度；而对于小铸件、薄壁铸件和形状复杂、不易浇满的铸件则应采取较高的浇注温度。

二 高锰钢热裂倾向大

由于高锰钢的线收缩大（自由线收缩率为2.5%-3.0%），而且在高温下高锰钢的强度较低，高锰钢铸件容易产生热裂。高锰钢铸件在凝固和冷却的过程中，常因收缩受到铸型或型芯的阻碍而产生热裂。因此要注意加强铸型和型芯的溃散性，并在高锰钢浇注后采取及早松开箱卡和捣松冒口附近的砂子等工艺措施，以防止铸件收缩受到阻碍。 三.高锰钢铸件热应力大

与碳钢相比，高锰钢的导热性差，故在高锰钢铸件中产生的热应力较大。特别是对于铸态的高锰钢，由于强度较低，容易导致开裂。例如当用氧一乙焕焰切割冒口时，由于局部突然受到高温的作用，产生很大的应力，往往在冒口根部产生裂纹。因此高锰钢铸件应尽量不用冒口或少用冒口。根据某些工厂的生产经验，对于壁厚在60mm以下的高锰钢铸件应尽量采用同时凝固的方案。为促使高锰钢铸件同时凝固常采用多道内浇口从高锰钢铸件的各部位同时引入钢液，以使温度分布均匀，铸件各部位的温差较小。对于铸件上局部热节处可用冷铁激冷。高锰钢必须用冒口补缩时，应尽量采用易割冒口，小铸件的易割冒口可在水韧处理以前用锤敲掉。 四 高锰钢容易生产粘砂

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由于高猛钢钢液中含有较多的碱性氧化物Mn0,因此，采用石英砂作造型材料时，容易产生化学粘砂（Si02与Mn0化合而生成Mn0·Si02，是一种熔点较低的化合物）。为了避免粘砂，最好采用碱性的或中性的耐火材料作铸型或型芯的表面涂料，例如镁砂粉涂料或铬矿粉涂料等。生产实践证明，当采用湿砂型铸造小铸件时，使用石英砂作造型材料而且铸型表面不刷涂料，也不会产生粘砂，而且能获得光洁的铸件表面。这是因为钢液量少，铸型表面还没有被加热到很高的温度时，高锰钢铸件的表面层就已经凝固了的缘故。

§1.4.高锰钢的加工硬化

高锰钢经过水韧处理所得到的奥氏体高锰钢在经受外力的冲击或挤压下，其表面层的晶粒内部产生滑移现象称高锰钢的加工硬化（图5-1）。滑移使钢强化，即使钢的强度和硬度提高，而使塑性和冲击韧性降低。

晶粒内部产生滑移的过程及其效果。奥氏体晶粒受压缩时，在其滑移面上的应力情况可用图5-2表示。作用在滑移面上单位面积的应力P可分解为正应力分量σ和切应力分量τ。

图5-1. 高锰钢晶粒内部的滑移线

图5-2. 滑移面上的应力情况示意图 （a）外力情况.(b) 滑移面上的σ和τ

图5-3.正应力的作用下晶体变形。

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（a）变形前.(b) 弹性变形

图5-3和图5-4表示正应力σ和切应力τ对晶体变形的作用。从图5-3看出，在正应力σ的作用下，奥氏体的晶格被压缩。由于原子之间的距离减小，在原子与原子之间产生一个附加的排斥力。这个排斥力与正应力σ相平衡。如果卸去外力，则被压缩的晶格将恢复原状。这时，每个原子又回到原来的位置。因此，这种变形是弹性的。

图5-4.切应力作用下晶体变形 （a）变形前.(b) 弹性变形.（c）滑移后

图5-4表示晶体在切应力作用下变形的情况。当切应力较小时，晶格在切应力作用下将产生弹性的剪切变形，如图5-4b。如果切应力继续增大，超过了晶面对滑移的抵抗能力，则晶面两侧的两部分晶粒将产生相对的滑移，如图5-4c。在滑移运动中两部分晶粒之间互相摩擦，产生加工硬化作用，使晶面对滑移的抗力增大，直到滑移的抗力增大到能抵抗住切应力的作用事，滑移才告终止。这样经过许多互相平行的晶面上发生滑移之后，就形成了如图5-5的情况。

奥氏体中的碳对加工硬化起了加强的作用。碳溶解于奥氏体中使它的晶格发生畸变，造成晶格内部的高应力状态，因而提高了奥氏体的强度和对塑性变形的抗力。在高锰钢中，当含碳量在规定范围（C 0.9%-1.3%）以内变化时，增加含碳量能提高加工硬化的效果。

应该指出：高锰钢不适宜于在高温（t>500℃）下工作，因为在高温下会从奥氏体中重新析出碳化物（图5-6），钢又会变脆。而且，由于再结晶的作用，使得加工硬化的现象消失。

图5-5. 晶面滑移示意图. 图5-6.水韧处理的高锰钢经550℃回火后沿晶界和

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在晶粒内部析出的针状碳化物×100

§1.5.提高高锰钢质量的主要途径

高锰钢的晶粒粗大和组织中存在碳化物是降低高锰钢质量的2个重要因素，解决这2个问题对提高高锰钢的质量起重要作用。 一.细化晶粒

高锰钢的导热率比碳钢低得多（高锰钢的导热率仅为中碳钢的导热率的1/3-1/2）。由于导热率低，使得钢凝固缓慢。在钢的凝固过程中，树状晶长得粗大，容易长成长条状的柱状晶。

在厚大断面的情况下、特别是在铸型导热性不良时，可能出现穿晶（粗大的柱状晶料贯穿整个断面）。晶粒粗大使高锰钢的塑性及冲击韧性大幅度下降。当出现穿晶时，甚至使钢变得很脆。由于高锰钢在凝固以后的降温过程中没有二次结晶，即在固态下没有相变，因而不可能通过热处理的方法来细化晶粒。因此解决高锰钢的晶粒粗大只能从钢的一次结晶过程中解决，即要求在铸态下没有相变，因而不可能通过热处理的方法来细化晶粒。即要在铸态下得到细晶粒组织。以下例举一些细化高锰钢晶粒的途径。 1. 高锰钢的变质（孕育）处理

往钢中加入钛、锆、铌和钒等元素作变质（孕育）剂。这些元素与钢中的碳和氮化合生成这些元素的碳化物和氮化物。这些碳化物和氮化物在钢的结晶过程中能起到外来核心的作用，因而能使钢的晶粒细化。应该指出，能够起到外来核心作用的化合物必须具备的3个条件：

① 化合物的熔点必须高于钢液温度，他们在钢液中应能保持长时间不被熔化； ② 化合物的颗粒细小，成弥散状态悬浮在钢液中，长时间不会上浮；

③ 化合物应该与钢的结晶相具有相同的晶格类型，而且二者的晶格常数应该相近。

钛、锆、铌和钒等元素正式符合这些条件的。几种孕育剂的适宜加入量资料介绍：单项加入时，Ti0.10%-0.15%或Zr0.1%-0.2%。复合加入时，V0.20%-0.35%和Ti0.06%-0.12%。

为了能有效地在钢液中生成钛、锆、铌和钒等元素的氮化物，可在加入这些合金元素的同时，往钢液中吹入一些氮气，或加入一些含氮的合金，如氮化锰等。

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为了保护使孕育剂能起到有效的晶粒细化作用，最好采取炉前加入的方式，即在出钢时采用冲入法（将孕育剂预先包好放在盛钢包底部，用钢液流冲化）的方式加入。如果不是采用这种方法，而是将孕育剂投入炉中，则其中起核心作用的化合物容易上浮而进入到炉渣中而失去其作用。

2控制高锰钢的浇注温度

浇注温度对高锰钢的晶粒大小有显著的影响。浇注温度高时，高锰钢钢液积累的热量多，高锰钢的凝固速度慢，钢的晶粒粗大，因而力学性能低。表1-1中的数据表明了高锰钢浇注温度对高锰钢的晶粒度及力学性能的影响。在保证充满铸型的条件下，采用较低的浇注温度，有利于得到比较细的晶粒和较高的力学性能。

表1-1. 高锰钢浇注温度对高锰钢的晶粒度及力学性能的影响 浇注温度（℃） 1450 1400 晶粒度等级 σb(MN/m) δ(%) 2 1380 4 511 18.0 1350 5 567 21.2 1330 6 608 23.4 1 393 4.3 2 484 11.0 3采用金属型或冷铁激冷

用金属型铸造或用冷铁激冷高锰钢铸件的局部，有助于在高锰钢铸件的表面层得到较细的晶粒。但对于厚大高锰钢铸件的中心部分的作用则并不显著。 4.悬浮浇注

悬浮浇注是在往铸型中浇入钢液的过程中，利用液流带入一些锰铁的微细颗粒。适宜的颗粒尺寸自1-2mm至4-5mm，根据钢液量的多少而定。钢液量大时则颗粒也应大些。颗粒的加入量相当于钢液重量的1%-2%。这些锰铁颗粒随钢液进入铸型以后在钢液中呈悬浮状态。在钢的凝固过程中，这些锰铁颗粒起到两方面的作用。一是降低钢液温度，增大结晶过冷度，促使形成大量的自身结晶核心。二是锰铁本身也起到外来核心的作用。目前国内外在这方面进行了一些试验研究，得出了比较肯定的结果，要用到生产上还需要解决一些具体的工艺问题。

二.消除碳化物

高锰钢中的碳化物对钢的性能是有害的，它降低塑性和冲击韧性，甚至使钢变脆。消除碳化物的措施包括两个方面：尽量使铸态组织中少出现碳化物以及通过热处理消除铸态组织中已经形成的碳化物。在这两方面中，前者是最重要的。

（1）尽量使铸态组织中少出现碳化物 特别是应避免在铸态组织中出现粗大的碳化物。为了消除粗大的碳化物需要提高淬火温度和延长保温时间，这样作不但造成成本加大，还会使高锰钢的质量降低。过高的淬火温度促使高锰钢的晶粒长大，而且即使经过水韧处理能使碳化物溶解于奥氏体内，也会在碳化物原来所占的位置处留下空洞，造成显微裂纹。消除铸态组织中碳化物的主要途径是控制适宜的锰碳比。此外，设法提高铸件的冷却速度，例如采用金属型铸造或是采用冷铁激冷，对防止碳化物的析出也有一定的效果。

（2）消除铸态组织中已形成的碳化物 途径是制定正确的热处理规范。如果铸态组织中出现较多的碳化物或粗大的碳化物时，则应适当提高淬火温度（一般应不超过1000℃）并适当延长保温时间，以使碳化物完全溶解。此外，改进淬火操作工艺，设法保证铸件在入水时有足够的温度（不低于1000℃）是十分重要的。 三.改性高锰钢的耐磨性

高锰钢在高冲击、高负荷条件下能产生足够的加工硬化，因而有较高耐磨性。但在中等以下冲击条件下就难以发挥它的优势而表现出耐磨性差的弱点。而改性的高锰钢的韧性比

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高铬铸铁、低合金钢都好，当冲击力较大时，或者ZGMn13在不能充分硬化的条件下，改性高锰钢也能有较好的耐磨性。在不同工况条件下该性高锰钢显出了很好耐磨性能。 1.水泥厂球磨机衬板：合肥水泥研究院试制高碳高锰钢衬板在

Ф2.2×6.5水泥磨中应用，一仓CTMn:C:1.62%,Si:0.70%,Mn:10.98%,Cr:2.29%,Ti:0.17%,S:0.0098%,P:0.046%,Re:0.016%,HRC:32,

2

αk:19.60J/cm奥氏体十二次碳化物。使用寿命比ZGMn13高67%；二仓CTMn：C：1.78%，

2

Si：0.62%，Mn：11.60%，S：0.0062%，P：0.05%，HRC36，αk：13.72J/cm。奥氏体+屈氏体+二次碳化物。使用寿命比ZGMn13衬板高3.8倍。而成本与ZGMn13一样。

2、矿山湿式溢流型球磨机：高碳中锰钢球磨机端衬板研磨硬矿石，使用寿命比ZGMn13衬板提高1.36倍。因为此种衬板受高应力磨料磨损，不仅有机械的磨损，还有疲劳磨损和腐蚀性磨损、转速低，对工件的抗冲击性要求不高。该种衬板是马氏体基体硬度高能支撑碳化物使之不易剥落或裂碎。奥氏体经加工硬化能抑制表面裂纹的发生和扩展。高硬度的碳化物能减弱磨料对基体的犁削铲刮作用。其化学成分：C1.50%-1.80%;Si:1.20%-1.60%,Mn4.0%-6.0%, Cr:1.80%-2.30%,

Ti:0.25%-0.35%,V:0.25%-0.35%,S:<0.045%,P<0.045%。奥氏体+马氏体+25%粒状碳化物。 3锤式破碎机锤头：锤头工作线速度40M/S。受冲击力大，要求韧性高。当承受撞击磨损到一定程度时，锤头又受物料冲刷研擦作用。其化学成分（%）：C：1.0-1.4，Si:0.3-0.5,Mn：5.5-8.0，P：〈0.06，S：〈0.03，Cr:1.5-2.0,Ti:0.05-0.10,RE:0.02-0.05.σb=608.6-690.9MP

2

α，δ=1.0%-8.3%，￠=2.8%-12%，HB=210-228，σK=65.7-112.7J/cm。运行实验结果表明：上述成分中锰钢锤头比ZGMn13锤头的耐磨性提高一倍以上，成本下降5%-10%。

4.圆锥破碎机衬板：一般用来破碎各种矿石，矿石中高硬相硬度达HM1130-1402,高硬相含量除钼矿之外均在80%以上，耐压强度大、难破碎，易使衬板发生凿削压铲变形，衬板要能承受巨大的冲击负荷，必备足够的强韧性。

ZGMn13衬板破碎铁矿石（f=16-19），表面硬度Hv600，表面变形达95%；破碎钼矿石（f=12-14），表面硬度Hv500。由于冲击力大，ZGMn13能充分硬化。而在ZGMn13中加入Cr、Ti使之加工硬化更强，表面硬度提高Hv100左右，最高Hv700。ZGMn13CrMoTi比ZGMn13破碎钼矿石衬板寿命提高100.3%，破碎铁矿石提高50%。ZGMn13的磨损以凿和辗为住；ZGMn13CrMoTi以犁和凿为主、因为其基体上有大量TiC硬质点，使矿石棱角压入衬板的深度浅，阻碍了衬板表面塑性变形和金属移动。从而使凿、辗磨损变成滑动磨损，减少了金属剥落，提高了衬板寿命。

5.ZGMn13中加稀土。加入RE0.03%-0.05%左右，能不同程度地提高铸件力学性能同时因Re具有脱氧（脱O2 36%-44%）脱硫（脱S 20%-30%），可提高成品率50%以上，如果ZGMn13用于履带板，寿命可以提高14%-81%。基本消除了使用中的断裂现象。

总之，改性高、中锰钢在各种冲蚀磨损，凿消磨损以及高应力磨损等工况条件下，均表现出了比较一般ZGMn13耐磨性好优点，研究发展更加耐磨的多种改性奥氏体锰钢，以适合各种工况条件的辗磨破碎各不同物料的系列耐磨钢种。 四.提高高锰钢的使用性能和寿命 （一）提高挖掘机斗齿寿命的途径 1、调整高锰钢的化学成份

为了保证高锰钢完全是奥氏体组织，Mn与C之比一般为9-11。国内外有些厂家已将C降低到0.7%，含Mn量下限却上升到12%，这样Mn与C比达到17。同时限制P≤0.05%，避免沿晶界析出共晶磷化物，这样高锰钢的塑性、韧性及耐磨性均有不用程度的增加，从而减少了斗齿使用过程中脆断的可能性。提高Mn量是为了增加奥氏体的硬度和强度，弥补含C量降低的不足。生产ZGMn13斗齿时，把适当降低C含量作为改善斗齿脆性的重要手段。 2.提高钢液纯洁度

钢液的纯洁度关键在于炼钢用的原材料是否精选。解剖国外进口斗齿其杂质很少，日本

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的为一级，美国的还不到一级，说明钢液纯度很高。而我国斗齿夹杂物均较多，并分布在晶界处，从而降低了斗齿的力学性能和耐磨性。 3.合适的水韧处理温度

水韧处理温度一般为1030-1100℃，一般应取上限或略高些，以保证碳化物的充分溶解，因为不论是未溶解的还是在冷却中析出的碳化物都影响斗齿的力学性能和耐磨性。 （二）提高高锰钢在湿磨条件下的耐磨性

由于腐蚀介质的影响，ZGMn13耐磨铸件在干态和湿态碾磨的磨损机理是不同的，表现的耐磨性也不一样，因此，传统上用于提高高锰钢使用寿命的工艺措施，对使用于PH9-12碱性介质湿磨条件下的衬板、蓖板、提升斗和斗齿等没有明显效果。

为了提高ZGMn13湿磨的耐磨性，试验使用硼和铌孕育ZGMn13，结果表明增加硼加入量没有体现出对ZGMn13耐磨性有显著影响。硼含量增多，由于在晶界形成共晶碳化硼的脆性作用，ZGMn13耐磨性还略有下降。

铌对ZGMn13耐磨性具有良好作用，在最佳含量0.06%-0.12%范围内，湿磨的耐磨性最高。再增加铌含量，湿磨耐磨性下降。加入铌的主要作用是能促使钢中膜片状夹杂物（铝和铌的复式氮化铌变得粗大，降低湿磨的耐磨性。提高ZGMn13湿磨的耐磨性另一措施是改变热处理规范。预先575℃回火，随后980℃淬火的工艺比单纯1050℃淬火，奥氏体晶粒更加细化，湿磨的耐磨性提高。进一步降低淬火温度至950℃和880℃，能使奥氏体中均匀分布的细弥散碳化物增多，明显提高干磨时的ZGMn13的耐磨性，但对湿磨耐磨性反而不利，这显然是碳化物周围的显微应力增加了腐蚀损率。

用0.05%-0.15%Nb孕育处理和预先575℃回火，随后980℃淬火热处理，能显著提高ZGMn13在碱性介质中湿磨的耐磨性。 （三）含铬高锰钢

成品ZGMn13铸件的组织是奥氏体，其硬度只有HB170-240。但在使用过程中，通过磨粒反复冲击和挤压，铸件表面发生“冷加工硬化”，组织由奥氏体转变为马氏体，硬度急剧提高达HRC56，耐磨性显著提高。ZGMn13因“越磨越硬”的特性受到用户欢迎。但ZGMn13在某些场合的使用结果却不尽令人满意。如铸造1000×700型反击破碎机板锤，用于破碎生产磷肥用硬度HRC50-54的硫铁矿，其寿命不超过48h；铸造颚式破碎机颚板用于破碎花岗岩，寿命仅13-15天；铸造辊十破碎机辊子用于破碎钢丸，寿命不足3个月，而且辊面出现大量麻坑，使破碎率显著降低，这主要是破碎材料硬度高，而ZGMn13的原始硬度又过低，表面尚未“冷加工硬化”就被磨耗了，引起磨耗率剧烈增高。

用高铬铸铁耐磨性无可非议，但由于这些配件承受冲击力大，高铬铸铁因韧性不足而发生断裂。选择在ZGMn13中加Cr，取得较好效果。加Cr量2.0%-3.0%，其余成分不变，熔炼工艺也不变，以含55%-60%Cr的中碳铬铁在熔炼后期加入，脱氧后出钢，浇注。铸件水韧处理工艺也与原ZGMn13一样，含Cr的ZGMn13的金相组织为；奥氏体基体中有一些孤立分散的Cr7C3硬质点，表面硬度HB300-320。经使用后硬度可达HRC60。

含Cr的ZGMn13铸件使用寿命提高20%-30%。尤其是生产辊式破碎机辊子轧压钢丸，寿命由3个月延长到4.5个月，表面不再出现麻坑，总破碎量要比ZGMn13辊子提高一倍。 （四）高锰钢履带板铸件添加稀土

我国富有稀土资源，把稀土加入高锰钢来达到这个目的，是一项值得探索的课题。某厂有多年生产拖拉机履带板的历史，普通ZGMn13履带板的使用寿命并不高（旱田作业为3000h，水田作业为500h）。后来，在高锰钢中添加了微量稀土，效果较好，履带板寿命有明显提高（旱田作业为7500h，水田作业为1300h）。 1.加稀土高锰钢与高锰钢的对比试验结果

表1-2列举的是两组加稀土高锰钢与普通高锰钢的化学成分及气体含量对比结果。从表中数据可以看出，加稀土后，高锰钢中的S含量下降20%-30%，钢中O含量也有明显降低。

表1-3为铸态加稀土高锰钢与普通高锰钢的力学性能对比。表1-4为热处理后的加稀土

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高锰钢与普通高锰钢的力学性能对比。总的来看，加稀土的比未加稀土的均有不同的程度的提高。

表1-2.加稀土高锰钢与普通高锰钢的化学成分及气体含量对比

组别 RE — 1 0.0409 0.035 1.08 0.52 13.05 0.095 0.007 0.0460 0.0592 _ 2 0.0332 0.0315 1.22 0.56 11.10 0.090 0.008 0.0268 表1-3.铸态加稀土高锰钢与普通高锰钢的力学性能对比

σb 组别 钢种 (MPa) Mn13 1 加RE，Mn13 Mn13 2 加RE，Mn13 Mn13 3 加RE，Mn13 Mn13 4 加RE，Mn13 447.6 9.20 12.77

试样未按Mn13传统工艺处理，故表中数据总体上低于Mn13钢种应有的性能，但是，同组试样的所有其他条件均相同，只是加与未加稀土的差别，故可以看出稀土的作用。表1-4亦然。

表1-4. 热处理后加稀土高锰钢与普通高锰钢的力学性能对比

组别 钢种 σb (MPa)

C 1.18 Si 0.48 Mn P S 0.01. [O] 0.0643 [N] 0.038 13.57 0.095 0.0723 0.038 1.18 0.44 11.65 0.094 0.010 0.0473 0.035 0.021 δ (%) 5.40 Ф (%) 9.2 аk (J/cm) 25 45 31.3 57.5 27.5 35.0 26.7 48.7 2HB 351.3 82 90 92 94 82 91 73 90 404.4 10.40 11.53 445.4 2.47 4.03 6.97 10.80 453.4 5.39 419.5 10.80 631.6 13.32 13.38 425.7 8.40 10.80 δ (%) 19

Ф （%） аk (J/cm) 2HB 1 Mn13 加RE，Mn13 397.5 5.60 10.46 81.9 113.0 98.5 133.7 38.8 95.0 98.6 137.5 80 90 83 90 76 91 80 85 483.9 13.40 16.13 490.5 6.20 8.16 2 Mn13 加RE，Mn13 583.7 9.00 17.70 518.2 11.0 11.64 3 Mn13 加RE，Mn13 656.2 11.2 17.87 462.6 12.6 12.4 14.5 4 Mn13 加RE，Mn13 528.5 15.4

表1-5为铸件质量检查结果的对比举例。从表中数据可见，加稀土的铸件废品率比不加的降低50%以上，而铸件缺陷中，尤其是气孔和裂纹的减少最为显著。

表1-5.铸件质量检查结果的对比

钢种 Mn13 加RE，Mn13 Mn13 加RE，Mn13 铸件合格废品率 率（%） （%） 84.54 92.5 83.36 93.8 15.46 7.5 16.64 6.2 铸件缺陷及比率（%） 砂眼 2.65 1.44 2.6 0.72 气孔 4.85 0.72 4.25 0.36 偏箱 1.48 2.35 4.03 1.44 裂纹 1.36 0.31 2.1 0 涨箱 2.36 1.64 1.36 0.72 其它缺陷 2.76 1.34 2.3 2.96 表1-6为磨粒磨损试验结果。加稀土的试样耐磨性比不加的5%左右。

表6-6加稀土高锰钢与普通高锰钢磨粒磨损试验结果

组别 1 2 3 4 钢种 Mn13 加RE，Mn13 Mn13 加RE，Mn13 试样平均 失重（mg） 223.4 214.0 484.0 454.0 加载 （kg） 1 1 9.5 9.5 相对 磨损比 1 0.96 1 0.94 备 注 实验条件同上 实验条件同上 2.加稀土高锰钢与高锰钢的装机试验结果

试验分别在广东，黑龙江，河北等地进行。装机试验结果列于表1-7。表中数据表明，添加稀土的高锰钢履带板寿命比未加稀土的均有不同程度的提高（14%-81%），并且基本上消灭了使用中的断裂现象。获得了较满意的效果。

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表1-7 加稀土Mn13履带板与Mn13履带板的装机试验结果

实验地点 广东高要 广东中山 黑龙江 河北 芦台 履带板材质 Mn13 Mn13加RE Mn13 Mn13加RE Mn13 Mn13加RE Mn13 Mn13加RE7.1， Mn13 Mn13加RE7.0

3.结论

3.1高锰钢中添加稀土0.03%左右有较明显的脱硫、脱氧效果（脱S20-30%，脱O36-44%）。 3.2高锰钢中添加微量稀土能不同程度地提高试件的主要力学性能。 3.3添加稀土的高锰钢铸件比普通高锰钢铸件，可降低50%以上的废品率。 3.4添加稀土的高锰钢履带板寿命可提高14%-81%。基本消除了使用中的断裂现象。 （五）、加稀土熔炼ZGMn13改善性能

生产ZGMn13由于产量需要骤增，但废钢、废铁原材料来得杂：为增产开酸性感应炉，在熔炼ZGMn13时，因为钢液中存在着大量锰的氧化物MnO，它会与酸性炉衬中的二氧化硅作用生成低熔点的锰硅酸盐：

MnO+SiO2→MnSiO3

使SiO2不断地消耗，炉衬逐斩受浸蚀变薄，ZGMn13钢液表面形成的MnSiO3渣也越来越多，且钢液中Mn不断氧化成MnO，不断与酸性炉衬中SiO2作用。因此，有造不完的渣，所以熔炼ZGMn13不能用SiO2的酸性炉衬，而应用MgO的碱性炉衬。

熔炼ZGMn13时，由于碳含量较宽C：0.9%-1.4%。因此，对投炉原材料要求尤其含C量控制比ZG20-55来得宽，但不等于氧化锈蚀，污染厉害的废钢，废铁投进都行。因此，浇成ZGMn13铸件后，减少使用寿命，使用过程中出现易断裂，这显然是采用了这些废烂钢铁甚至铁屑末，在熔炼过程中虽进行了造渣、脱S、P、终脱氧处理，但最终反映到ZGMn13铸件上来使用时易断裂。

在熔炼ZGMn13工艺过程中（因为采用同样熔炼工艺过程，最近用了废烂钢铁为炉料而

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销孔平均履带板百时平使用寿命 相对寿磨损（mm） 均磨损（mm） （h） 命比 10.15 1.23 826 1.0 8.26 0.64 1395 1.68 9.2 10.6 6.9 6.6 4.7 0.09 7.7 1.26 0.77 0.27 0.25 0.12 7512 0.09 0.17 1126 1373 2479 2826 4155 1.81 7512 4551 1.0 1.22 1.0 1.14 1.0 1.81 1.0 0.11 6200 1.36 出现了铸件易断）添加稀土RE（GB4137-84），0.03%-0.05%左右，便有较明显的脱硫（脱S 20%-30%），脱氧36%-44%），脱P、去杂质作用，尤其是脱S、脱O、净化了ZGMn13钢液，改善了结晶组织从而提高了力学性能，易断缺陷得到改善和消除，可提高铸件使用寿命，且改善铸造性能，降低铸件废品率。 （六）延长高锰钢铸件使用寿命的途经

由于高锰钢具有韧化相奥氏体及其使用过程中表层加工硬化的特点，广泛应用于许多严酷冲击磨损场合；但如果在冲击不严重场合，由于其工作表面得不到充分的加工硬化，因而耐磨性不能发挥作用，而显得非常不耐磨：其另一缺点是屈服强度太低（350MPa左右）。在使用过程中极易产生塑性变性。尤其是用作球磨机衬板，在运转过程中尺寸变形变大，造成挠曲，而隔仑板上的槽孔则变小，在磨料如升温时，则抗磨能力减小，变形增大，我国高锰钢化学成分及基本性能（GB/T5680-1998）如表1

为了提高ZGMn13的屈服强度，和在冲击不严重场合下使用的抗磨性，许多中小高锰钢铸造厂。由于采用的原材料ZGMn13以及不锈钢、轴承铜等，原材料广杂，但又有利于在ZGMn13条件下加入合金元素如：铬、镍、钼、钒、钛、稀土等来改善性能。

1.加铬：1.5%-2.5%Cr经水韧处理后Cr大部份溶入奥氏体中，促使在冷却时其碳化物加快析出，Cr固溶在奥氏体后，可使屈服强度提高；

2.加镍：0.8%-1.0%Ni，利用不锈钢1Cr18Ni9废料加入，在Cr加入同时伴入Ni，起着细化晶粒的作用；

CrNi的同时加入，在生产水泥磨机（中小磨机）衬板时，实践证明提高了抗磨性（延长了使用寿命）使槽空变形减小和降低。

3.加钼：0.5%-1.5%Mo，加钼ZGMn13水韧处理后，Mo固溶于奥氏体中。延缓奥氏体分解；用沉淀强化处理方法。在奥氏体中析出弥散的碳化物，而改善其碳化物形状、大小、分布从而提高ZGMn13的耐磨性。以含Mo轴承钢废料，废钼丝料等加入为宜；如果用GB3649-87钼铁加入则提高成本。

4.加钒：0.4%-1.0%V钒是强烈的碳化物形成元素，其碳化物硬度高达HV2000溶点2830℃，钒也易生或VN，溶点也达2300℃，在钢液结晶时能做为核心，细化组织是一种有效的变质剂。在固态加热时，钒的化合物可以阻止晶界移动，抑制晶体；也可用沉淀强化的方法析出弥散的碳化物，以提高耐磨性。加V以后的ZGMn13，在低冲击磨料磨损条件下或高冲击磨料磨损条件下，其性能均比ZGMn13优良。以含钒的生铁及含钒轴承钢废料加入为宜。 5.加钛：0.4%-1.0%Ti。钛也是强碳化物形成元素，碳化钛熔点3140℃，可作为结晶核心来

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细化晶粒，又可消除高锰钢中柱状晶，从而提高机器性能和耐磨性。但钛的夹杂物呈多角形，有尖锐的棱角，在反复载荷作用下，出现应力集中成为裂纹源，故Ti不能过多加入。

实验证明，钒、钛同时加入或钼钛同时加入可达到综合改善ZGMn13性能良好作用。尤其适宜轧臼壁、铲齿等ZGMn13铸件。

6.加稀土RE:加入稀土RE（GB4137-84）0.03%-0.05%RE，便于较明显脱S、脱氧、脱P、除氧去杂质的作用，净化钢液作用，可减少铸态组织中碳化物数量，使晶界碳化物成为不连续的团块状，减少针片状碳化物，RE生成碳化物溶点高，可成结晶中心而使组织细化，改善提高力学性能和抗磨性。RE加入提高钢液加入量必须控制，否则适得其反。

目前市场上改进型高锰钢化学成分如表2

表2 改性型高锰钢化学成分

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

C 0.9～1.3 1.0～1.35 1.10～1.30 1.10～1.30 1.10～1.25 1.0～2.0 1.05～1.20 0.6～0.75 0.30 Mn 11.0～14.0 11.0～14.0 12.0～14.0 12.0～14.0 12.5～13.5 13.0～14.0 11.7～15.4 14.5 Cr Mo V 0.4～0.70 23

Ni 3.5～4.0 3.5 Bi Ti ＜0.1 0.2～RE 0.035 0.01～备注 超高锰钢可达＞25%Hn,用于低温球化作用快 1.5～ 2.5 2.3～ 3.0 1.4～0.45～1.7 0.55 1.4～ 1.7 1.8～ 2.1 0.9～1.2 4.0 0.1～0.6 ＞0.5. ＞0.5 1.8～1.3 18.0～20.0 1.10～16.0～1.60 22.0 0.5～17.0～1.35 19.0 1.05～17.0～1.35 19.0 1.5～8.0～2.0～0.2～4.0 0.4 1.9 12.0 2.2

0.4 0.02 为了满足用户对锤式破碎机（反击式破碎机）锤头的性能要求，锤头工作线速度40-50M/S，受冲击力很大，对韧性要求很高，既承受撞击磨损又承受物料的冲刷作用，因此我们在ZGMn13的基础上进行合金化变质处理热处理而获得奥贝体高锰钢锤头，利用废旧ZGMn13铸件，轴承钢切屑废料，不锈钢边角废料，熔炼获得化学成份0.45%-1.20%C，0.3%-0.8%Si，8.0%-13.0%Mn，P《0.06%，S〈0.03%和含1.5%-3.0%Cr，0.5%-1.0%Mo，0.05%-0.01%Ti，0.02%-0.05%RE或1.5%-3.5%Cr，0.5%-1.0%Ni，0.05%-0.10%Ti, 0.02%-0.05%RE等。

利用废钢铁和锰铁为原料，配料时将Mn/C控制在8-10，用1#稀土硅铁使RE量为0.05-0.10RE，和以1%-2uMnFe粉粒（过20目筛下来粉末粒屑）包中处理，获得铸态锤头基体为细化奥氏体。经铸态950-1000℃或加热固溶960-980℃投入250-380℃介质中可获得细化奥氏体伴有分散孤立碳化物（Cr7O3），和贝氏体〈下过上〉及小量马氏体，经用户性能比ZGMn13的锤头优良且寿命比原来1-3月延长至半年以上。

含微量Cr、Ni、Mo、Cu、V、Ti等按GBMn13-1—Mn13-3要求配方，水韧处理，生产高锰钢铸件，使用后其寿命均延长半倍至一倍。如小中型锤头金相为奥氏体加碳化物加小量珠光体。实践中使其寿命延长、除奥氏体、碳化物的大小、形貌、分布外、基体中有小量珠光体。它的形貌、多少是否决定着铸件使用寿命等，在探索实践中；不同场合使用的高锰钢件除按GB/T5680-1998外，也探索以改性为手段，延长使用寿命。

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§2. 高锰钢的熔炼

一 高锰钢的熔炼

碱性电弧炉熔炼

1.氧化法熔炼ZGMn13 （1）化学成分见表7-1

表7-1 高锰钢的化学成分 元素名称 C 规格成分% 控制成分% Mn Si P S ≤0.06 ≤0.05 Cr ≤0.5 ≤0.5 Ni ≤0.5 ≤0.5 0.9～1.3 11.0～14.0 0.9～1.1 12.0～14.0 0.3～0.8 ≤0.10 0.3～0.5 ≤0.06 ZGMn13属于奥氏体耐磨钢，为保证钢的耐磨性和避免裂纹，熔炼中应严格控制C%与P%。C%应控制在下限，含P%愈低愈好，由于Si降低C奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，因此应将含Si量控制在下限。 （2）配料

1）炉料主要由碳素废钢组成，炉料熔清后含C%>0.5%，以保证氧化脱C量在0.3%以上。

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2）炉料平均P≤0.04%

3）锰铁在还原期加入。由于钢的规格含C量较高，可以采取将高碳锰铁、中碳、低碳锰铁配合使用。 （3）装料

1）装料前应先检查炉体、炉盖、冷却系统、电器设备和机械装置是否正常。如有故障，排除后再装。

2）为保护炉底，减轻炉底在加料冲击并提前造渣脱P，在炉底和炉坡处先铺占炉料重的2%左右的石灰（当炉料含P较高时可适当加些矿石），然后再装料。

3）装料的方式应有利于迅速熔化炉料，在机械化加工用的开底式装料缸中，炉料的装法应符合合理布料原则。

（4）ZGMn13冶炼工艺要求。

1）脱P：氧化法冶炼ZGMn13中，锰铁是在还原期加入。由于锰铁含P较多，因此要求在熔化期和氧化期尽量降低钢液中P%，其措施： A、尽量采用低P炉料。

B、在熔化期脱P：装料时应在炉底坡处加入2%-3%的石灰和1%的氧化铁皮（或矿石）。 C、炉料熔清前，应随时补加石灰和氧化铁皮（或矿石），以造成高碱度和强氧化性的炉渣，以利于脱P。熔化末期可采取自动流渣。炉渣溶清后，根据钢液含P%的多少扒除全部或大部分炉渣。

D、如果P%过高，可以在氧化期继续脱P。可分2-3批加入氧化铁皮（或矿石）调整炉渣，不断进行流渣，直至含P%量达到要求。

E、氧化期末钢液P≤0.015%时，才可以扒除氧化渣，开始还原。

2）还原：ZGMn13的C%较高，可采用电石渣还原。造电石渣还原的方法如下：

A、假如全部（或大部分）锰铁后，加第一批渣料，渣料组成为：石灰5-6Kg/t；萤石1-1.5Kg/t，碳粉2-3Kg/t，硅铁粉1.5-2Kg/t。钢液在良好的电石渣下还原的时间应少于15min。 3）加锰铁方法

A、锰铁在还原期加入，可以在稀薄渣条件下加入，也可以在电石渣形成后加入。通常多采用在稀薄渣下加入的方法，用这种方法时，锰铁溶化较快，但锰的收得率稍低。 B、由于锰铁加入量多，当一次全部加入时，往往造成钢液大幅度降温，延长锰铁的熔化时间，在炉温较低的情况下，甚至造成锰铁的“冻结”（大量末熔化的锰铁在炉膛里堆积成小山丘）。为避免这种现象，可采取分批加锰铁的方法，锰铁的批量应根据炉温而定。

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C、锰铁的块度最好是50-100mm左右，须事先加热至发红，且应趁热加入，加速其熔化。 D、锰铁的比重较大，易沉淀在炉底。为避免沉淀现象在每加入一批锰铁后，应充分搅拌熔池。

4）脱氧质量的检查

ZGMn13的韧性与其中的氧化夹杂物（MnO、FeO）的多少有很大的关系。为保证钢具有高韧性，要求对钢进行充分的脱氧。在炼ZGMn13时，除了用一般的原杯试样外，还可以用弯折角法来判断脱氧情况。 5）高锰钢冶炼质量的鉴别与调整

由于含锰高，经淬火的高锰钢是容易得到韧性好、硬度低的单一奥氏体组织的。只有在冲击载荷服役的条件下，使其较软的表面发生晶格歪扭而获得加工硬化，其硬度由原来的HBS200左右急骤增高到HBS500以上而耐磨。这种由临场加工硬化形成的表层硬度高（磨损一层，硬化一层）中心韧性好的既耐磨又难裂；还因它是既易得又价廉的耐磨材料，故仍是当今应用广泛的抗磨材料。

冶炼高锰钢无论是采用氧化法还是返回法，都要进行炉前的质量鉴别，采用现代的测试手段可直接测得其基体组织和力学性能数据，但要费时而且亦菲所有工厂有此条件。若采用炉前弯曲试样，则3-5min内便可判别其是否合格，从而可对症下药，及时地调整成分。 1.试样尺寸及弯样工具

试样尺寸分本体、浇口和起模把3部分。考虑造型拨模，本体做成锥度1：150，见图7-1。弯曲试样供检验用，见图7-2。弯样工具供弯曲试样用，见图7-3

图7-1. 试样尺寸图

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图7-2. 弯曲后的试样图 图7-3. 弯曲后试样的工具图 2.试样制备

用水玻璃七0砂制作两头通的铸型，在250℃温度下烘干。按立浇顶注配模：将铸型底端放置在从钢包上拆下来的残砖（也充分烘干）上，借耐火砖与底端的按缝，使开浇时型腔中的空气顺利挤出。一浇完便可落砂清出试样，在黄红色（800℃±25℃）下，钳持浇口部位迅速插入水中并来回游动进行淬火。半分钟后便可取出试样，在弯样工具上作弯曲试验。 3.试样鉴别与冶炼调整

弯曲角度达到要求时，取下试样观察弯曲角度处，见下表7-2。 表7-2 弯曲处情况 无裂缝 锤断处理 鉴别 冶炼质量优良 调整 可以出钢 ① 此时磁性强，应补加中碳或低碳锰钢。 ②此时磁性弱，进行仔细搅拌带出气体。电磁搅拌最好。 ① 加强造电石渣操作。 ② 钢液温度高了。改小功率或停电操作。 基本合格，仔细搅拌带出杂物。可以出钢。 要做报废处理，。查清其它合金元素决定重炼方案。 有裂缝 弯断 4.其他说明

① 没有形成单一奥氏体组织。如果下水温度符合要求，说明锰量低，含碳高，碳化物高。 一锤即断 ② 可能含气量高，如果脱氧良好，说明含氧含氮量高。多见于炉料锈蚀严重时返回料。 说明能形成碳化物低的奥氏体组较难锤断 织。问题在于：①含气量高，主要是脱氧不良。②晶粒粗大。 说明金相组织，含气量、晶粒度很难锤断 都基本合格，主要夹杂物少了。 试样直接弯断是较少出现的现象。如果是无铸造缺陷，多出于返回法冶炼时，由于炉料中混入高铬铸铁之类的返回料，碳超过1.5%。 取样应充分脱氧，调整化学成分，基本达到出钢要求时，先充分搅拌后进行。配合取样，炉前应作碳、锰、磷三大元素的快速分析，脱氧情况和钢液温度等项目的检查，并快、准地鉴别和调整。淬火用炉前冷却扒渣棍、取样勺等工具，淬火水温不要超过50℃。返回法冶炼高锰钢时，较难保证弯曲试样无裂纹出现。此时一定要低温出钢，以求获得细小的晶粒。

（1） ZGMn13冶炼工艺 ZGMn13氧化法冶炼工艺见表7-2 时期 熔 化

序号 1 2 工序 通电 助熔 操作摘要 用允许的最大功率供电 推料助熔。熔化后期，加入适量渣料及矿石。炉料熔化28

期 3 取样、扒渣 氧 化 期 4 5 6 7 氧化脱碳 估碳、取样 扒渣、预脱氧 加锰铁、还原 取样 调整成分 作弯曲试验 测温 出钢 还 原 期 8 9 10 11 12 出 钢 13 浇注 60～80%，吹氧助熔。熔化末期换用较低电压供电。 炉料全熔后，充分搅拌钢液，取钢样①，分析C、P。根据含磷量的高低，决定扒除大部分或全部炉渣，并重新造渣。 钢液温度在1560℃以上，炉渣流动性良好，即可吹氧2脱碳，吹氧压力6～8kg/cm 估计含碳量降至0.22%左右时，停止吹氧。充分搅拌钢液，取钢样②，分析C、P（要求P≤0.015%才可扒渣） 扒除全部氧化渣，加入预脱氧剂锰铁5～10kg/t，加入稀薄渣料 稀薄渣化好后，加入烤红的锰铁，随后造电石渣还原，钢液在电石渣下还原15min后，将渣变白 锰铁熔渣后，经过充分搅拌钢液，取钢样③，做全分析，并继续还原。并取渣样分析，要求（FeO）≤0.5% 根据钢样③的分析结果，调整化学成分（含硅量在出钢前10min调整） 取钢样浇注弯曲试样，进行检验。如不合格，须继续还原一段时间，重做试验，直至合格为止 测量钢液温度，要求出钢温度1470～1490℃。并作圆杯试样，检察钢液脱氧情况 钢液温度符合要求，圆杯试样收缩良好时，停电，升高电极，插铝0.7kg/t，出钢。要求大口出钢，钢渣同流 钢液在盛钢桶内镇静5min以上浇注。开浇温度1370～1390℃。浇注过程中间从盛钢桶中取洋，作成品钢化学分析 （1） 化学成分见表7-1 （2） 配料

1) 炉料主要由ZGMn13返回料（配入量可达70-100张）和低磷碳素废钢组成，不足的含Mn量用锰铁补足。

2) 含碳量按规格成分下限配入；含Mn量按规格中限配入；含P≤0.08%。 (3)炉衬：炉衬条件要求良好。 (4)装料

1)装料前先往炉底、炉坡处加1%左右的石灰，再加入1-2%的石灰石，然后再装料。 2) 按照合理布料原则装料（见氧化法） (5)冶炼工艺

ZGMn13不氧化法冶炼工艺，见表7-4。 时期 序号 工序 1 通电 2 熔 化 期 推料助熔 操作摘要 用允许的最大功率供电 推料助熔。熔化后期加入适量渣料，并调整炉渣，使炉渣流动性良好。熔化末期换用较低电压供电 炉料熔清后，充分搅拌钢液，取钢样①，分析C、P、Mn，钢液温度达到1500℃以上时，扒除大部分炉渣，加入1%的萤石，造稀薄渣 稀薄渣形成后，分批加入2%的石灰石，使钢液沸腾。必要时可23进行低压吹氧沸腾，吹氧压力≤4 kg/cm, 耗氧量约6m/t 29

3 取样 4 沸腾

加碳粉造电石渣还原，造渣材料为石灰5～10kg/t，萤石2～3kg/t，碳粉4～5kg/t。钢液在电石渣下还原15min后，变白 5 还原 渣。取渣样分析，要求（FeO）≤0.5%。并作弯折角试验（见高锰钢氧化法冶炼工艺） 还 6 取样 搅拌钢液，取钢样②，分析C、Si、Mn、P、S 原 期 根据钢样②的分析结果，调整钢液化学成分（含硅量在出钢前 7 调整成分 10min以内调整） 测量钢液温度，要求出钢温度1470～1490℃。并作圆杯试样， 8 测温 检察钢液脱氧情况 钢液温度符合要求，圆杯试样收缩良好时，停电，升高电极， 9 出钢 插铝0.5kg/t，出钢。要求大口出钢，钢渣同流 出 钢 钢液在盛钢桶内镇静5min以上浇注。开浇温度1370～1390℃。 10 浇注 浇注过程中间从盛钢桶中取洋分析 3.吹气氧化重熔高锰钢废料

ZGMn13废料重熔生产铸件占ZGMn13铸件的30%，ZGMn13废料重熔工艺存在问题，在炉料中使用100%废ZGMn13件和高碳锰铁常会使钢液含碳量超过标准（达1.4%-1.5%），引起铸件报废。可生产出标准含C量的ZGMn13废料重熔工艺：试熔在5t电弧炉中进行。炉料熔清后，造渣、过热至1480-1540℃，通过炉壁上设的孔吹空气入钢液脱碳。

研究后得出：钢液中硅在吹气开始8-10min内激烈被氧化，氧化速度7.7%/min，钢液中硅量减至0.20%-0.26%。再继续吹气硅量，烧损率很少。吹气时炉膛强烈沸腾使C被氧化，吹气开始5-6min内C的氧化速度为1.0-1.2%/min，继续的氧化速度为1.7-1.8%/min，吹气15-17min碳氧化率22%-24%。吹气期间Mn的烧损率是13%-21%，这时渣中MnO含量增高至71%，绝对含量达36%。随后，Mn的氧化速度减缓。吹气结束之后。用碳粉（20%）、硅铁粉（30%）和铝屑（50%）混合剂脱氧。加入量为0.4-1.0Kg/t钢液。这时渣中MnO量减少到12%-17%。钢液中Mn含量从10.0%-10.4%提高至11.3%-12.0%。包括脱氧阶段，重熔高锰钢废料Mn总的损失是5%-6%，这损失的Mn是转入渣中和氧化成气相，出钢时ZGMn13钢液中S 0.012%-0.02%和P 0.05%-0.08%在规定范围内。 二）碱性感应电炉熔炼

碱性感应电炉炼钢过程能脱P、S，因此对炉料限制较宽。一般是用不氧化法炼钢，但也可用氧化法，采用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的方法来进行对钢液脱氧，扩散脱氧用材料有碳粉、硅铁粉、硅钙粉和铝粉。 1.配料和装料

ZGMn13化学成分见表7-1

C：用不氧化法时，炉料平均C%按规格成分的下限配入；用氧化法时，炉料平均C%应比规格成分的下限高0.2%-0.3%（氧化脱碳量为0.2%-0.3%）。 P、S：含P≤0.04%-0.065%；S≤0.05% Mn：其烧损率5%-10%

2.ZGMn13碱性感应炉不氧化冶炼工艺 熔化期：

通电熔化：开始通电6-8min内供给60%的功率，待电流冲击停止后，逐渐将功率增至最大值

捣料助熔：随着坩埚下部炉料熔化，随时注意捣料，防止“搭桥”，并继续添加炉料。 造渣：大部分炉料融化后，加入造渣（石灰粉：萤石粉=2：1）造渣覆盖钢液，造渣材料加

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入量为1%-1.5%。

取样扒渣：炉料熔化95%时，取试样作分析，并将其余炉料加入炉内，炉料熔清后，将功率降至40%-50%，倾炉扒渣，另造新渣。 还原期：

脱氧：渣料化清后，往渣面上加脱氧剂（石灰粉：铝粉=1：2），进行扩散脱氧。脱氧过程中可用石灰粉和萤石粉调整炉渣的粘度，使炉渣具有良好的流动性。

调整成分：根据分析结果，调整钢液化学成分，其中Si%应在出钢前5-10min内调整。 测温、作圆杯试样：测量钢液温度，并作圆杯试样，检查钢液脱氧情况。（或用弯曲折角法来判断）

插硅钙：钢液温度达到1500℃以上（测温），插入0.2%的硅钙进一步脱氧。然后往渣面上再一次脱氧剂。 插铝：钢温度达到1500℃以上后，除去全部炉渣随即加入0.07%的冰晶石粉（或造渣覆盖剂）并进行插铝。 出钢、浇注：

出钢：插铝后，搅拌钢液，停电倾炉出钢，出钢后在浇包中取样，作成品钢液化学成分。 浇注：出钢后，在钢液面上加草灰覆盖，防止钢液氧化。钢液镇静3-5min后，浇包中温度1460-1480℃，浇注温度：1340-1380℃或再低或再高些由铸件要求而顶。

§3.高锰钢的热处理

铸造高锰钢中的碳化物对钢的性能是有害的，它降低钢的强度并使钢发脆。因此必须设法消除已经形成的碳化物。为此可将钢重新加热至奥氏体区的温度并保温一段时间，使碳化物溶解在奥氏体中，然后在水中淬火以造成加速冷却的条件，使碳化物来不及析出，因而得到单一的奥氏体组织（图4-1，不同的奥氏体晶粒由于晶面方向不同时而在显微镜下显出颜色深浅不一）。这种用于高锰钢的通过水淬而得到高韧性的热处理方法称为水韧处理。

§3.1. 铸造高锰钢的水韧处理

铸造高锰钢水韧处理的规范如图4-2。处理过程包括加热、保温和淬火3个阶段。 一.加热速度高锰钢的导热性比碳钢低一倍多，而它的线收缩率约为碳钢的1.9倍，因而在

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加热过程中，铸件中的内应力较大。同时，由于铸态组织中有碳化物存在。碳化物的强度低而且是脆性的，它的存在消弱钢的强度，降低钢的塑性，使铸件容易开裂，所以加热速度不宜太快，特别是从常温加热至600℃的一段温度区间中，钢的塑性低，更易于促使铸件开裂。因此对于加热速度应予以控制。在从常温加热至600℃的温度区间的具体加热速度可按照铸件的厚度及复杂程度而定：对薄壁（壁厚<25MM）铸件，可用70℃/h的加热速度；对中等壁厚（壁厚=25-50MM）铸件，可用50℃/h的加热速度。待温度升至600℃以上，由于钢的塑性有所提高，开裂的危险性减小，可以提高加热速度，对所有的铸件可一律采用100-500℃/h的加热速度升温，直到淬火温度为止。

×500

图4-1. 高锰钢水韧处理后的金相组织 图4-2. 铸造高锰钢水韧处理的规范 二.加热温度和保温时间 加热温度（淬火温度）应保证钢中的碳化物能完全固溶到奥氏体中去。因此必须加热至SE线以上。SE线温度随含碳量的增加而升高。当含碳量从1.0%增至1.4%时，SE线温度大约是从900℃上升到1000℃。因此，当钢的含碳量较高时，加热温度也应较高。一般采用的加热温度是1050-1100℃。这样的温度能保证钢中的碳化物较快地充分溶解。过高的加热温度是有害的，它会引起钢的晶粒长大及铸件表面脱碳。

在将铸件从常温加热到淬火温度的过程中，钢中的碳化物基本上都溶解了。在淬火温度下保温一段时间有两方面的作用。一是使少量的尚未溶解的碳化物继续溶解，二是更重要的，使已经溶解在奥氏体中的碳通过扩散而均匀化，以减少在以后的过中碳化物重新析出的可能性。适宜的保温时间随铸件的壁厚，见图4-3。

图4-3. 高锰钢铸件固溶处理的保温时间

三.淬火 保温后应迅速地将铸件从炉中拉出投入水中。从开炉门到铸件入水时温度不低于

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1000℃，否则在淬火前就已经重新析出碳化物。为了迅速地进行淬火操作，有的工厂设计制造了专用的淬火机械，也有的工厂采用带有自动翻车机构的加热炉小车。为了保证在淬火过程中有足够的冷却能力，淬火池中水的温度应不高于50℃。

由于钢具有奥氏体组织，塑性很好，淬火时虽然在铸件中会产生很大的内应力，也不致开裂。

§3.2.高锰钢水韧处理工艺对低温韧性的影响

由于奥氏体高锰钢具有良好的冲击韧性，以及由于强烈加工硬化能力而产生的高耐磨性，使其作为耐磨材料得到长期应用。人们在长期研究和使用中发现，高锰钢有冷脆现象。A·Z·rynneb在1974年首先发现高锰钢冷脆现象，国内近几年也对高锰钢低温韧性进行了研究。挖掘机履带板在冬季存在明显脆断现象，在失效履带板中的比例高大40%。为此，就水韧处理质量对高锰钢冲击韧性的影响进行了实验。 1.实验材料

试验材料为现场采集的ZGMn13，其化学成分C 0.97，Si 0.497,Mn 14.0,P 0.539,S 0.056。

2.试验试样加工

冲击试样毛坯为浇注成的标准梅花试样，每个梅花试样切割成三根棒料进行水韧处理，

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然后加工成标准梅氏冲击试样。 3.水韧处理工艺

高锰钢棒料在1050℃经90 min加热后，一组在水中急冷获得单一奥氏体组织（工艺1）。另一组在水冷时适当减缓冷却速度，从而获得少量碳化物沿奥氏体晶界析出的组织（工艺2）。依此对比分析水韧处理质量对冲击韧性的影响。水韧处理工艺见图4-4

图4-4. ZGMn13水韧处理工艺

4.冲击试验

试验温度为：室温（20℃），-25℃，-45℃，-65℃，-120℃，-190℃。分别采用干冰或液氮与酒精混合作冷却介质。每一温度的过冷度为3-4℃。试样在冷却介质中保持10min左右，取出后在5秒钟内冲断。试验在JB-30冲击试验机上进行。每一温度做三个试样，取平均值。并测定每个试样缺口底部最大膨胀率。 5.金相组织观察及显微断口分析

对两种工艺处理的试样在XJL-02A型金相显微镜下观察组织，部分试样在T300型扫描电镜上观察断口形貌。 6.试验结果及分析

试验结果如图4-5、图4-6。ZGMn13钢水韧处理后为奥氏体组织，但与其它组织一样，其冲击韧性也随试验温度下降而降低，并在一定温度下有明显的降低，即有冷脆现象（图4-5）。

图4-5. 冲击韧性与试验温度的关系. 图4-6.缺口底部最大膨胀率与温度的关系 冷脆转化温度Tk（℃）有很多判定方法。由于高锰钢冲击断口形貌粗糙，不便区分纤

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维区与结晶区相对面积，所以，以能量准则法判定冷脆转化温度（采取曲线上最大与最小冲击值差的50%对应温度）。依次判断，本试验材料ZGMn13钢经水韧处理后的冷脆转化温度为-80℃。

ZGMn13件的热处理方式为加热至1050-1100℃水淬（或称水韧处理）。其目的在于消除铸态组织中的碳化物，得到单一的奥氏体组织，因ZGMn13中的碳化物降低钢的强度并使其发脆。在加热过程中，应很好掌握加热 速度，因为水淬前的ZGMn13铸件导热性差，残留应力大，而且又含有碳化物，故快速加热容易引起铸件开裂。对薄件和形状简单的。

高锰钢水韧处理时，若水韧前温度过低或冷却不充分，可以从奥氏体中析出碳化物，也可能在热处理后仍有部分铸态碳化物残留下来。特别是在生产条件下，高锰钢铸件水韧处理后，很可能获得奥氏体基体分布小量碳化物的组织。为模拟此种情况而采用工艺2，使少量碳化物析出。如图4-7。

×250

图4-7. 采用工艺2处理后的金相组织

冲击试验表明，经工艺2处理后，冲击值明显降低。与正常水韧处理获得的全奥氏体组织相比，室温冲击值由160J/cm下降到126.1J/ cm,约降低21.2%。在北方冬季气温下，如-25℃时降低20.9%，-45℃时降低14.4%。冷脆转化温度提高到-68℃（图4-5）。冲击试样断口底部（膨胀率变化规律与冲击值变化规律相吻合）（图4-6）。水韧处理时，碳化物析出越多，分布越不均匀，对冲击值的影响就越大。由此可见，对于在北方条件下使用的高锰钢铸件而言，保证水韧处理的质量，避免或减少碳化物析出是减轻高锰钢铸件在北方冬季条件下发生脆断的重要因素。 2.显微断口形貌

高锰钢水韧处理后晶粒粗大（1级），且存在各种冶金缺陷：疏松、气孔、夹杂等，严重破坏了金属连续性，因此，宏观断口并没有形成剪切唇，而且断口粗糙、灰暗（图4-8）。但室温冲击断口微观貌却清晰显示出韧窝特征。只是由于夹杂物尺寸大小不均、韧窝尺寸大小差别较大。大韧窝抗底部存在大尺寸夹杂，或由于夹杂物脱落留下光滑孔洞（图4-9）。

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2

2

小韧窝尺寸也不均匀。瑞染工艺处理后组织内有少量碳化物，冲击值有所降低，但微观断口形貌并无显著差别，亦为韧窝断口。

图4-8不同试验温度下宏观断口

试验温度降到-65℃—190℃时，断裂机制发生明显变化，即有韧窝断口转换为塑性沿晶断口。断口呈晶间断裂特征，也可以观察到二次裂纹，但断裂面为大量韧窝（图4-10）。工艺1、2处理后的低温冲击断口形貌基本相同。但工艺2处理的试样，在断口某些区域可观察到沿晶碳化物引起的局部脆性断裂形貌，显示出少量碳化物对断裂机制的影响。（图4-11）。

对比工艺1、2的宏观断口也可以看出，工艺1断口粗糙，起伏较大，工艺2断口相对较平坦、细微（图4-8）。如果碳化物析出量大，可能引起断口形貌更为显著的差别。

通过上述试验认为，碳化物允许数量应考虑工况条件。露天作业承受强烈冲击的高锰钢铸件，应严格控制碳化物数量，避免或减轻低温脆断。 7.结论

（1）ZGMn13钢水韧处理后，冲击值随试验温度下降而降低，有明显冷脆现象。奥氏体基本上分布少量碳化物可使冲击值降低，冷脆转化温度升高。

（2）高锰钢室温冲击断口形貌为韧窝断口，低温冲击断口形貌为塑性沿晶断口。 （3）低温工况条件下承受冲击的高锰钢铸件应严格控制组织内碳化物数量，以减轻低温脆断倾向。

§3.3.高锰钢水韧处理规范及实例

铸件可采取较快的加热速度，对厚件和形状复杂的铸件则应采取较慢的加热速度，并最好在650℃左右保温一段时间。热装炉时炉温不宜过高，装炉后要缓慢升温或保温均热1-2小时后再升温，以防产生裂纹。目的在于使碳化物完全地溶解于奥氏体。保温时间取决于壁厚，愈厚应愈长。水淬时，铸件入水前的温度应在950℃。为了保证淬火时铸件的温度，保温终了时可在出炉前15分钟左右，将炉温提高到上限温度再出炉。从出炉到铸件全部入水时间一般不应超过2min。为了使铸件快速冷却，水温应保持在40℃以下。由于淬火时铸

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件表面急剧冷却，因此容易产生变形和开裂，对形状复杂的铸件，这种现象更加严重。除在设计时应很好考虑铸件结构外，也可根据铸件用途和复杂程度，适当进行回火。为了避免碳化物析出，一般形状复杂的铸件回火温度不得高于250℃。对于一些特殊用途，如不受冲击又要求耐磨性高的铸件可在淬火后回火，使其硬度增高，但此时强度、塑性和韧性都往往不如淬火状态。 实例：

（一）高锰钢铸件热处理规范之一， 见图4-12

铸件壁厚 mm 入炉温 度，℃ 保温 h 升温 ℃/h 保温 h 升温 ℃/h 保温 h ＜40 ＜450 1～1.5 ＜100 1～1.5 40～80 ＜350 1.5～2 ＜30 1.5～2

（二）高锰钢铸件热处理规范之二，见图4-13。 铸件壁厚 入炉温 mm ＜100 度，℃ 升温 ℃/h 保温 h 2～3 3～4 升温 ℃/h 按炉功率 按炉功率 保温 h 2～3 3～5 水淬 水淬 冷却 按炉功率 按炉功率 0.75h～1 1～1.5 水淬 水淬 冷却 300～400 ＜50 100～200 200～300 ＜30

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§3.4.高锰钢水韧处理金相组织

ZGMn13铸件水韧处理后的金相组织，椐碳化物的溶解情况。可分为十级，见图4-14。

（1）没有碳化物的奥氏体 （2）晶粒内的小碳化物

（3）晶粒内和晶界面上的小碳化物 （4）晶粒内有个别小的和中等的碳化物，

晶界上有个别堆积的小碳化物

（5）晶粒内有个别中等的和大的碳化物 （6）晶界上和晶粒内有单独的、小的和

中等的碳化物

（7）晶界上有细小和中等碳化物 （8）界面上聚有细小的、中等的和大的

碳化物

（9）晶界上有连续的小链状碳化物 （10）界面上有小的、中等的和大的碳

化物

图4—14 高锰钢热处理后的金相组织（×300） 1. 没有碳化物的奥氏体晶粒（图4-14（1）） 2. 晶粒内部有小碳化物（图4-14（2）） 3. 晶粒内和晶界上有小碳化物（图4-14（3））

4. 晶粒内有个别小的和中等的碳化物，晶界上有个别零积的小碳化物（图4-14））

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5. 晶粒内有个别小的和中等的以及大的碳化物（图4-14（5）） 6. 晶界上和晶粒内有单独的小的和中等的碳化物（图4-14（6） 7. 晶界上有细小的和中等的碳化物（图4-14（7）） 8. 晶界上聚有细小的、中等的和大的碳化物（图4-14（8）） 9. 晶界上有连续的小的链状碳化物（图4-14（9）） 10. 晶界上聚有小的中等的和大的碳化物（图4-14（10）

§3高锰钢铸造工艺

一、 制定高锰钢铸造的铸造工艺时，应掌握其以下特点：

（1） ZGMn13铸件难于切削加工，因此应尽量少留或不留加工余量，铸件上的沟、槽和孔

应尽量铸出，而且尺寸要铸得精确。

（2） ZGMn13铸件的导热性差，在用氧化切割冒口时由于局部突然受冷，往往在冒口根部

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产生裂纹，因此ZGMn13铸件应尽量不用冒口或少用冒口，对于一般壁厚在50-60mm以下的铸件应尽量采用同时凝固的方案。为促使同时凝固常采用多到内浇口从铸件各部位同时引入，以使钢液均匀导入，温差小。对局部热节可用冷铁激冷。必须设冒口补缩时可用易割冒口，小铸件易割冒口可在水韧处理前用锤敲掉。

（3） ZGMn13铸件的线收缩值大，为2.5%-3.0%，高温强度低，铸件凝固和冷却过程中，

常因收缩时受到砂型、砂芯阻碍而产生裂纹（热裂）。因此要特别注意加强砂芯和铸型的退让性，并在浇注后及早松开箱卡和捣松冒口附近砂子等，以防阻碍铸件收缩。

（4） ZGMn13钢液中含有较多的碱性氧化物[MnO]，因此当采用一般的石英砂（SiO2，酸性

氧化物）作造型材料时，容易发生化学粘砂，为此最好采用碱性或中性的涂料，例如镁室粉涂料或铬矿粉涂料。小泥芯可完全采用镁砂配成的芯砂制成。湿型铸造时，采用石英砂不会产生粘矿，并能获得相当光洁的铸件表面。

二、 高锰钢铸件实例 1、

图8-1（一）挖掘机斗齿（工艺方案之一） 图8-1（二）挖掘机斗齿（工艺方案之二）

2、

图8-2（一）斗前壁工艺图 图8-2（二）斗前壁热处理方案

3、

图8-3（一）履带板（1）（拖拉机用） 图8-3（二）履带班（2）（拖拉机用） 图8-3（三）-1履带板（3）（挖掘机用） 图8-3（三）-2履带板（3）合箱图

4、

图8-4隔仓篦板

图8-5（一）球磨机衬板（1）

图8-5（二）球磨机衬板（2）金属型构造图

ZGMn13缀件斗齿（一）、斗齿（二），斗前壁，履带板（1）、履带板（2）、履带板（3），隔仓板，球磨机衬板（一），球磨机衬板（二）工艺实例说明表，见表8-1。

图8—1（一） 挖掘机斗齿（工艺方案之一）

图8—1（二） 挖掘机斗齿（工艺方案之二）

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