高锰钢

高锰钢（highmanganesesteel）是指含锰量在10％以上的合金钢。1882年人类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。高锰钢加热到淡橙色时，变得十分柔软，很易进行各种加工。

1、简介

高锰钢（highmanganesesteel）是指含锰量在10%以上的合金钢。

高锰钢齿轮

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。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。

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。

2、分类

高锰钢依其用途的不同可分为两大类：

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

Si0.30~1.0S≤0.05P≤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。

高锰钢

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：σb615~1275MPaσs340~470MPaζ15%~85%ψ15%~45%aKl96~294J/cm2HBl80~225

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（C1.10%~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。

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）。

3、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%。超高锰钢尚无国标标准，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。

4、铸造工艺

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%。

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。

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。

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。

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

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。

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。

5、相关书籍

《高锰钢铸造生产及应用实例》在介绍高锰钢铸件生产基本知识（高锰钢特性、技术条件等）的基础上，重点介绍了高锰钢熔炼、热处理、浇注工艺以及操作注意事项，同时列举了典型高锰钢铸件铸造生产工艺，内容紧密结合高锰钢生产实践，有助于高锰钢方面的产品开发人员、生产人员全面学习其生产工艺知识。

《高锰钢铸造生产及应用实例》可供高锰钢铸件及铸造领域的技术人员、研发人员阅读，也可供铸造专业的师生参考。

6、相关新闻

2016年3月，关于高锰钢烧水壶会析出锰，让人变傻、变痴呆、致癌的说法在微信朋友圈里被广泛传播，甚至掀起了一波“换水壶”潮。

高锰钢热水壶

中国工程院院士、冶金专家、东北大学教授王国栋表示：“大家对高锰钢电水壶有害健康的担忧，主要表现为对锰中毒的误解。锰中毒主要发生在通过呼吸系统摄入过量锰的氧化物。用高锰钢电水壶烧水时，无含锰的氧化物发出，并且通过煮水析出的锰含量非常微小，还不如食品和自来水等物品中的含量高，因此不会产生对人体有害的情况。”

据王国栋介绍，为了防止腐蚀，一般电水壶所用的材料应为不锈钢。最常用的不锈钢是奥氏体不锈钢，即常说的300系列不锈钢，304就是最常用的奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，色泽光亮如玉，用途极为广泛。由于镍是有利于形成奥氏体的元素，所以奥氏体不锈钢中主要提供耐腐蚀性能的元素是镍，另外还添加一定量的铬。

关于锰与人体健康的关系，王国栋表示，适量的锰对人体有益，但是过量摄入锰对人体有害，有害的情况主要发生在通过呼吸系统摄入过量的锰的氧化物。这种氧化物吸入人体后，急性期损害人的呼吸系统；长期摄入，会损害人的神经系统。通过消化系统摄入锰的数量很少，而且只要不超量，并无害处。摄入过量，会造成锰中毒。长期吸入含有锰的氧化物的矿物粉尘和气体，会发生锰中毒。例如，电焊时产生的烟雾，含有锰的氧化物，不能长期吸入，应戴口罩加以防护。但是，用符合标准要求的200系不锈钢烧开水，无含锰的氧化物气体发出，对人体没有害处。