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。
5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
6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%;
7(14)钢液化学成分合格，渣样呈白色，待超过45s后准备出钢。出钢前往炉中插Al（吨钢1.5kg），然后加一号稀土合金（吨钢6kg）左右（也可加入钢包中），即可出钢。
7.2高锰钢的水韧处理
铸件入炉装炉温度＜250℃，80℃/h升温至650℃-700℃保温。加热速度100℃/h升温至1050℃保温（每25mm/1h）。出炉前15min~20min升温至1080℃。温度合格后快速淬入水中。水池容量为铸件质量的10倍以上，高锰钢件从出炉到入水时间不应超过30S，入水温度保持在30℃以下，淬火后最高水温不超过60℃。摆动吊兰加速冷却，高锰钢件入水后保证冷却到200℃以下。吊淬则冷却15min~20min以后，高锰钢件表面不烫手为原则。
保温时间按照铸件的壁厚确定，每25mm需要保温1h。
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