淺談高錳鋼的應用及新發展

英國人哈特菲爾德（Hadfield）于1878年開始進行錳鋼的研究。4年后，他第一次獲得奧氏體組織的高錳鋼。Hadfield于1883獲得了高錳鋼專利。筆者現就對高錳鋼的發展及種類做一簡要介紹。高錳鋼依其用途，可分為以下幾類。

一、耐磨鋼

這類鋼的化學成分為：ω(C)=0.90～1.50%、ω(Mn)=10.0～15.0%、ω(Si)=0.30～1.05%、ω(S) ≤0.05%、ω(P)≤0.05%。為了某種特定的目的，還可加入Cr、Ni、Mo、V、Ti等元素。

高錳鋼具有很高的強度和沖擊韌性。高錳鋼的使用組織為奧氏體，在工件經受強烈沖擊或高壓力的條件下，其表面發生塑性變形，奧氏體產生加工硬化，外加的驅動力促使奧氏體向馬氏體轉變，使硬度可以從HB170~225提高到HB500~800，而心部依舊保持原有的硬度和良好的韌性。由于高錳鋼的這一卓越性能，因而廣泛用于制作挖掘機的鏟齒、圓錐式破碎機的軋面壁和破碎壁、顎式破碎機岔板、球磨機襯板、鐵路轍岔、板錘、錘頭等。

高錳鋼極易加工硬化，因而很難加工，絕大多數是鑄件，極少量用鍛壓方法加工。高錳鋼的鑄態組織為奧氏體、碳化物和珠光體所組成，有時還含有少量的磷共晶。由于碳化物沿晶界析出降低鋼的強度和韌性。因此，鑄造零件必須進行熱處理，使高錳鋼獲得完全奧氏體組織。方法是將鑄件加熱至1000~1100℃，保溫一段時間，使碳化物完全溶解于奧氏體中，然后迅速水冷淬火，使高溫奧氏體固定到室溫。這一熱處理過程稱為“水韌處理”。

二、介穩奧氏體中錳鋼

如果沒有外加壓力或沖擊力，或壓力和沖擊力較小，不會產生充分的加工硬化現象，工件的耐磨性就大為降低。對于厚大斷面工件，心部常常出現碳化物，而降低其使用性能。寒冷條件下使用高錳鋼時常出現脆斷現象，而在濕磨條件下又面臨腐蝕磨損問題。這些實際應用過程中經常出現的問題，又促使人們在高錳鋼的基礎上尋求新的解決方法。后來，人們研制了中錳奧氏體鋼，開辟了一條發揮奧氏體錳鋼潛力的新途徑。

介穩奧氏體中錳鋼是在Mn13的基礎上，適當降低碳錳含量，并加入一定含量的鉻，從而降低奧氏體穩定性所獲得的一種耐磨材料。水韌處理后獲得單相不穩定的奧氏體組織，在壓縮或沖擊磨損條件下塑性變形形成大量的孿晶，誘發產生形變馬氏體，從而迅速硬化。用中錳鋼代替高錳鋼生產破碎機鄂板，理論和實踐均證明是可行的，既提高了非強烈沖擊條件下工件的耐磨性，又降低了錳合金的消耗，具有良好的經濟效益。但是，在實際生產中，由于其韌性不足，易發生開裂，因此在實際使用中應持謹慎態度。

在沖擊力不大，又要求耐磨的條件下，提高工件耐磨性的另一途徑是高錳鋼低合金化。在其組織中除奧氏體外，還出現碳化物，提高硬度，強化基體并提高了加工硬化能力。

三、無磁鋼

高錳鋼還具有無磁性等獨特的性能。這類鋼含錳大于17％，碳含量一般均在1.0％以下，常在電機工業中用于制作護環等。由于碳、錳含量均高，鋼的導熱能力差。導熱系數為12.979W／（m·℃），約為碳素鋼的1/3。由于鋼是奧氏體組織，無磁性，其磁導率μ為1.003~1.03(H/m)。因此，在工業上的應用非常廣泛，如在冶金、礦山、建筑材料、電器工程、鐵道、軍工及拖拉機等制造業中，均常被用來作為結構材料。

四、超高錳鋼

在發生汽車撞擊事故時，車身鋼鐵必須同時擁有兩種性能：一方面，必須有良好的延展性，以吸收大部分的撞擊能量；另一方面，還必須能保持足夠的形狀以保護乘客的安全。

來自Max Planck和德國鋼鐵協會的科學家發明了一種能同時滿足以上要求的未來鋼鐵。該種鋼通過調整成分，錳含量為15％~30％，抗拉強度為600~1100MPa，斷后伸長率高達80％。通過適當的熱處理，該種鋼在室溫下具有孿晶誘導塑性效應，因而稱為TWIP鋼。在發生撞擊時，這種被稱為TWIP鋼的材料會發生變形，鋼鐵的每一個部分都會發生延長，然后將剩余的能量傳遞到周圍部分中，這些部分也會發生變形。因此，通過將能量分散到整個表面，撞擊的動能可以更有效地被吸收，從而保證乘客安全。在以后的數年內，這種TWIP鋼鐵將被應用到汽車的緩沖器和側門上，這是撞擊過程中汽車上最脆弱的部分。TWIP鋼的發明，充分證明了鋼鐵仍然有很大的發展空間。

（作者單位：河南省開封市技師學院）