高锰钢

高锰钢（High manganese steel^[2]），是指含锰量在10%以上的合金钢。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。^[4]其分类有耐磨钢、介稳奥氏体中锰钢、无磁钢、超高锰钢。^[3]高锰钢在铸态组织中包含四种组织形式，即奥氏体、碳化物、珠光体和低熔点共晶物。^[5]其具有很高的耐磨性、极强的韧性，可抵抗剧烈冲击负荷。^[6]

1882年，哈特菲尔德第一次获得奥氏体组织的高锰钢。1883年，哈特菲尔德获得了高锰钢专利。^[3]高锰钢的热处理工艺仍以固溶处理或时效处理为主。但实际生产中因工艺特殊要求或生产条件限制，开发了多种新型的高锰钢热处理工艺，如高压热处理、高温形变热处理等。^[4]

高锰钢在建筑、交通、船舶、机械、电机、电气等领域均可应用。高锰钢在铁路轨道材料方面的应用获得2020年度国家科学技术发明奖二等奖。^[1]中国高锰钢铸件标准（GB/T5680-1998），规定高锰钢铸件必须在不低于1040℃下进行水韧处理。^[2]其国际标准有《ISO13521：2015 奥氏体锰钢铸件》以及中国行业标准《JB/T 6404-2017 大型高锰钢铸件技术条件》。^[4]

1878年，英国人哈特菲尔德（Hadfield）开始进行锰钢的研究。1882年，哈特菲尔德第一次获得奥氏体组织的高锰钢，^[3]且发现当其被加热到1000℃保温后进行水冷处理，能够提高高锰钢的韧性。^[4]1883年，哈特菲尔德获得了高锰钢专利。^[3]

2023年，中国鞍钢历经十年的研究，突破了高锰钢的材料体系设计、高合金钢的转炉冶炼、均质化连铸、基于强韧化匹配的高锰钢轧制-热处理-加工成形等一体化关键技术，实现5%-25%全系列高锰钢的高均质化、无缺陷、高性能制造，并实现相关材料的工程化应用。^[1]

高锰钢常指含Mn量10%（质量分数）以上的合金钢，经过多年的发展，其化学成分已基本趋于稳定。中国最新行业标准《JB/T6404-2017大型高锰钢铸件技术条件》规定高锰钢铸件的化学成分大致为：W（C）=0.9%~1.35%、W（Mn）=11%~19%、W（Si）=0.3%~0.9%、W（P）燮0.06%、W（S）燮0.04%。与国际标准《ISO13521：2015奥氏体锰钢铸件》所规定的成分基本相同，大致为：W（C）=0.75%~1.35%、W（Mn）=11%~19%、W（Si）=0.3%~0.9%、W（P）燮0.06%、W（S）燮0.045%，此国际标准高锰钢铸件的化学成分获得了世界的广泛认同。^[4]

高锰钢在铸态组织中包含四种组织形式，即奥氏体、碳化物、珠光体和低熔点共晶物。^[5]这种钢材在具有很高的耐磨性的同时，具有极强的韧性，可以抵抗剧烈冲击负荷，其在承受剧烈的冲击或接触应力下，金属表面会迅速硬化，而金属内部仍然保持极强的韧性。^[6]

高锰钢这种金属材料在1000℃~1100℃之间为单一奥氏体组织，随着温度降低，会有碳化物析出，脆性增加，为保持此奥氏体组织，在材料生产过程中，需在高温立即淬火处理，即在1050℃~1100℃温度内立即水淬至常温，避免在250℃~950℃高温停留时间过长，析出碳化物，增大脆性。高锰钢材料的线胀系数大，受热膨胀时，易出现较大内应力，冷却后检查焊缝与母材间容易开裂。而焊接过程中必定会有热输入，且焊接瞬间升温很快，短时间内就会超过250℃，导致碳化物析出。要解决此问题，就需根据此材料生产过程中的特殊性质，采取非常规焊接工艺，即采取间断焊接减少焊接时的热量输入、焊后立即浇水冷却至室温，即水韧的处理方法，使焊缝避开那段温度区，减少碳化物析出，避免产生裂纹。^[6]

高锰钢液呈碱性，用石英砂生产易粘砂，要采取相应措施解决。^[7]

1.水玻璃石英砂：石英砂：40/70目100％；水玻璃5％-7％；膨润土4％-5％；碳酸钠0.2％-0.4％。^[7]

2.柴油：2.0％（提高砂的流动性，防止粘砂）。采用二氧化碳或液化气烘干硬化；刷镁砂粉快干涂料，防止高锰钢粘砂。^[7]

3.镁橄榄石砂：镁橄榄石耐火度1910℃，莫氏硬度6-7级，膨胀系数比石英砂小，且均匀膨胀，无相变，不含游离SiO2，不与Fe、Mn的氧化物反应，有较强的抗金属氧化物的侵蚀能力，是高锰钢理想的面砂。^[7]

4.石灰石砂：石灰石砂1970年问世，也叫70砂，优点是馈散性好，落砂清理容易，铸件表面光洁，消除职业性矽肺病；缺点是发气量大，型砂强度低。因此要求造型和制芯作到“硬、光、通、净”四原则，即：①砂型、芯应紧实，用A型表面硬度计测定，硬度值大于50：②造型时要修光刮平，使边角情晰；③多开出气道，并要贯穿畅通；④铸型要硬化良好，如有松、掉砂必须报废；⑤铸型浇注合箱前，型腔要光洁干净。^[7]

5.对于中小型壁厚小于40mm的薄壁件，也可采用粘土砂。^[7]

6.有的中小型工厂仅采用2％～3％的水玻璃砂，用二氧化碳气硬化，背砂用4号河砂，生产200公斤以下的破碎机颚板，也不粘砂。^[7]

1.快干涂料：先将松香溶于无水酒精中，形成松香酒精溶液，再将镁砂粉陶土混入，建议用200～320目细镁砂粉。^[7]

2.水基镁砂涂料：将镁砂粉、陶土按比例配好，在混砂机中干混10分钟，加水柏油混4小时20分钟，再分批加入清水混碾1小时30分钟，碾成膏状，装入铁桶内加少量清水复盖，如室温超过24度，涂料超过24小时，易发生水化，将重新回混碾3小时。^[7]

高锰钢的热处理工艺仍以固溶处理或时效处理为主。但实际生产中因工艺特殊要求或生产条件限制，常规热处理不能获得特殊工况要求的高锰钢性能，所以对热处理工艺进行不断改进和完善，并开发了多种新型的高锰钢热处理工艺，如高压热处理、高温形变热处理等。^[4]

固溶处理又称水韧处理，是高锰钢最常规的热处理方式，即将工件加热到完全奥氏体化温度保温，然后快速入水冷却以获得单一相奥氏体组织。保温温度大于900℃即可获得单一的奥氏体组织。实际生产中一般为1000℃~1100℃，温度过低不利于碳化物溶解，过高容易导致过烧，对于合金化高锰钢，该温度可适当提高。高锰钢经过固溶处理后，其力学性能得到明显改善。由于高锰钢的导热系数较小，热膨胀系数较大，在加热过程中容易产生热应力，加之铸件本身存在较大的铸造应力，使得高锰钢铸件在热处理过程中极易开裂，尤其对于结构复杂，壁厚悬殊较大的铸件更是如此。因此，对不同结构、尺寸的工件往往会制定不同热处理工艺参数。^[4]

时效处理也是高锰钢常用的热处理工艺，通常与固溶处理结合使用。高锰钢在水韧处理后韧性获得提高的同时其表面硬度有所降低，在一些低、中应力载荷下工作时，不能充分表现出高锰钢的加工硬化性能，即韧性有余而耐磨性不足。故在固溶处理之后对高锰钢进行时效处理，促使碳化物重新析出并以沉淀相的形式弥散分布于奥氏体基体中，提高固溶处理后高锰钢的硬度，改善其综合力学性能。^[4]

余热热处理是利用高锰钢铸件的铸造余热直接进行保温后水淬的一种热处理工艺。该工艺省略了固溶处理重新加热升温的过程，不但简化了热处理流程，缩短了生产周期，还节约了能耗，降低了生产成本，具有很好的经济效益，有学者研究比较了常规固溶处理和余热热处理下高锰钢的性能，发现两种处理方式下其力学性能差别并不大，且余热热处理能够降低30%左右的生产成本。^[4]

高温形变热处理是将传统热处理工艺与塑性变形工艺相结合的一种复合处理技术，它将固溶强化与形变强化相结合，从而改善金属材料的组织形貌以提高力学性能，是金属材料强韧化的一种重要手段。有学者对高锰钢的高温形变热处理进行了研究。结果发现，当高锰钢在1050℃温度下压缩变形25%后再进行固溶处理，与直接固溶处理的高锰钢相比，其组织更致密、细小，孔洞类缺陷也明显减少，且抗拉强度、断后伸长率、冲击韧性分别提高了近32%、60%、46%。但由于铸造高锰钢热变形温度范围窄，变形能力较差，在实际生产中难以控制变形温度与变形量。^[4]

高压技术对于材料工程研究具有十分重要的意义，高压技术主要应用于超硬、超导、光电等功能新材料的研发和制备，以及高压下的非晶转变、金属相变等研究。近年来，高压技术逐渐被应用于金属材料的热处理中。研究表明，在高压条件下进行热处理，能有效提高金属材料的致密性，细化材料组织，改善其性能。有关高压热处理在高锰钢应用上的研究还鲜有报道，有学者在高锰钢水韧处理之后，又进行了4GPa压力下500℃×15min的高压热处理，结果显示固溶态高锰钢在高压热处理后仍然保持单一奥氏体组织，且奥氏体晶粒内出现了大量的孪晶和位错滑移带，强化了奥氏体基体，使其硬度较固溶状态下提高了1.5倍。可见高压热处理对改善高锰钢性能起到了一定作用。^[4]

碳是最为重要的硬化元素之一，在高锰钢中，碳的作用主要体现在扩大奥氏体区以及强化固溶作用，可促进单相奥氏体组织的形成，并且使材料具有较强的塑性以及韧性，也可保证材料具有较好的力学性能。高锰钢中若碳的含量过低则不能顺利形成单一奥氏体组织，力学性能弱化，加工中硬化效果也不甚理想。若碳含量较高，则在铸态组织中会形成大量的碳化物，尤其是会出现较多粗大的碳化物。经过水韧处理可以保证碳化物能够溶解于奥氏体中。若持续增加碳含量，则可以优化高锰钢性能，但是塑性以及韧性会劣化。若碳含量增加，则高锰钢处于铸态组织状态，则析出碳化物的难度较低。为了避免碳化物析出，需要对碳含量进行严格控制。碳化物与奥氏体的差异主要体现在经过水韧处理后高锰钢存在微小缺陷，造成材料的密度降低，材料性能也变差。^[8]

锰的添加可以增加高锰钢的强度，弱化硫对于材料性能的不利影响。锰是高锰钢的主要组成元素，且多固溶于奥氏体中，可提升材料性能的稳定性。锰含量的增加可以优化材料的强度以及冲击韧性。但是若含量过高则会造成奥氏体枝晶体不断生长，使得金属的导热性弱化，也会破坏晶体组织，出现裂纹。对于材料碳含量的选择，需对施工条件以及材料结构、尺寸等进行考量，才能有效保证在加热时不会析出碳化物，也能够在一定程度上保证材料性能符合要求。通常情况下，高锰钢的锰含量较高，在强冲击条件下铸件对于锰含量要求也较高。如，高锰钢辙叉中要求需将锰含量控制在11．0～14．0%左右。需要注意的是，含锰量与含碳量之间应有适当的搭配，即需控制适宜的锰碳比（一般控制在Mn/C=10），其与高锰钢的化学成分有着密切的关联，不同工况要求有所差异，如为非强冲击磨料，则可以将锰碳比设置得较低，若为强冲击磨料，则可将锰碳比设置得较高。^[8]

硅在高锰钢中的作用为脱氧剂，其具有强化固溶提以及提升材料屈服强度的功能。但是因为相区相对封闭，所以可促进石墨化。当硅的含量高于0.6%，则会造成高锰钢出现粗晶，碳在奥氏体中的溶解度也会有所降低，尤其是钢的耐磨性和韧性劣化。所以一般情况下，将硅含量控制在0.3～0.6％内。基于某种特殊条件，钢水的流动性较好，则需要适当增加硅含量。^[8]

高锰钢中因为有硫与锰元素，则会产生硫化锰，其有利于溶渣。^[8]

在奥氏体中磷的溶解难度较高，一般与铁、锰结合会生成共晶磷化物，且在晶界析出。磷会降低钢的冲击韧度，还会引发铸件热裂问题，对铸件的性能优化不利。若磷含量为0.12%，则可以用于制造圆锥式破碎机的衬板，寿命是磷含量为0.038%高锰钢的50%。因此一般生产中将磷含量控制在0.07～0.09％左右，特殊构件控制在0.06％以下。^[8]

这类钢的化学成分为：ω（C）=0.90～1.50%（大部分在1.0%以上）、ω（Mn）=10.0～15.0%、ω（Si）=0.30～1.0%、ω（S）≤0.05%、ω（P）≤0.10%。为了某种特定的目的，还可加入Cr、Ni、Mo、V、Ti等元素。高锰钢具有很高的强度和冲击韧性。高锰钢的使用组织为奥氏体，在工件经受强烈冲击或高压力的条件下，其表面发生塑性变形，奥氏体产生加工硬化，外加的驱动力促使奥氏体向马氏体转变，使硬度可以从HB180~225提高到HB500~800，而心部依旧保持原有的硬度和良好的韧性。由于高锰钢的这一卓越性能，因而广泛用于制作挖掘机的铲齿、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。此外，高锰钢具备较好的铸造性能。高锰钢的铸态组织为奥氏体、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，由于碳化物沿晶界析出降低钢的强度和韧性。因此铸态组织的高锰钢很脆，无法使用，铸造零件必须进行热处理，使高锰钢获得完全奥氏体组织。方法是将铸件加热至1000~1100℃，保温一段时间，使碳化物完全溶解于奥氏体中，然后迅速水冷淬火，使高温奥氏体固定到室温。这一热处理过程称为“水韧处理”。^[3]

如果没有外加压力或冲击力，或压力和冲击力较小，不会产生充分的加工硬化现象，工件的耐磨性就大为降低。对于厚大断面工件，心部常常出现碳化物，而降低其使用性能。寒冷条件下使用高锰钢时常出现脆断现象，而在湿磨条件下又面临腐蚀磨损问题。这些实际应用过程中经常出现的问题，又促使人们在高锰钢的基础上寻求新的解决方法。后来，人们研制了中锰奥氏体钢，开辟了一条发挥奥氏体锰钢潜力的新途径。介稳奥氏体中锰钢是在Mn13的基础上，适当降低碳锰含量，并加入一定含量的铬，从而降低奥氏体稳定性所获得的一种耐磨材料。水韧处理后获得单相不稳定的奥氏体组织，在压缩或冲击磨损条件下塑性变形形成大量的孪晶，诱发产生形变马氏体，从而迅速硬化。用中锰钢代替高锰钢生产破碎机鄂板，理论和实践均证明是可行的，既提高了非强烈冲击条件下工件的耐磨性，又降低了锰合金的消耗，具有良好的经济效益。但是，在实际生产中，由于其韧性不足，易发生开裂，因此在实际使用中应持谨慎态度。在冲击力不大，又要求耐磨的条件下，提高工件耐磨性的另一途径是高锰钢低合金化。在其组织中除奥氏体外，还出现碳化物，提高硬度，强化基体并提高了加工硬化能力。^[3]

高锰钢还具有无磁性等独特的性能。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。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）。因此，在工业上的应用非常广泛，如在冶金、矿山、建筑材料、电器工程、铁道、军工及拖拉机等制造业中，均常被用来作为结构材料。^[3]

在发生汽车撞击事故时，车身钢铁必须同时拥有两种性能：一方面，必须有良好的延展性，以吸收大部分的撞击能量；另一方面，还必须能保持足够的形状以保护乘客的安全。来自MaxPlanck和德国钢铁协会的科学家发明了一种能同时满足以上要求的未来钢铁。该种钢通过调整成分，锰含量为15％~30％，抗拉强度为600~1100MPa，断后伸长率高达80％。通过适当的热处理，该种钢在室温下具有孪晶诱导塑性效应，因而称为TWIP钢。在发生撞击时，这种被称为TWIP钢的材料会发生变形，钢铁的每一个部分都会发生延长，然后将剩余的能量传递到周围部分中，这些部分也会发生变形。因此，通过将能量分散到整个表面，撞击的动能可以更有效地被吸收，从而保证乘客安全。在以后的数年内，这种TWIP钢铁将被应用到汽车的缓冲器和侧门上，这是撞击过程中汽车上最脆弱的部分。TWIP钢的发明，充分证明了钢铁仍然有很大的发展空间。^[3]

为了优化材料性能，提升低冲击磨损条件下的耐磨性，研制出GTMn-A与GTMn-B钢，经测试和使用发现材料的寿名提高了40～100℃。^[8]

可用于厚度较大且结构组成十分复杂但是生产过程中容易产生裂缝的铸件，研制出15Mn13钢。为了减少碳化物的含量以及硅含量，需要在铸态情况下保持单相奥氏体，即使强度较低，但是满足加工要求，在某些特定的情况下其耐磨性较高，符合使用需求。另外，也可促进马氏体转变的亚稳奥氏体锰钢，如50Cr2Mn14、60Cr5Mn12、55Cr5Mn9等。^[8]

一般高锰钢的塑性和韧性较高，但是已远远超出了实际使用需要，为此，需要适当地降低。经过反复试验发现将锰含量降低至6～9％，在低冲击磨损的情况下耐磨性能更加突出。如Mn6Mo、MnCr2。^[8]

随着社会经济发展和基础设施建设的不断推进，高锰钢应用前景十分广阔。首先，建筑、交通行业是高锰钢应用的重要领域之一，城市化及建筑结构安全舒适性要求不断提高，对高层建筑、桥梁、隧道、公路铁路地基等对钢材的高安全性、隔音等特性需求提升，而高锰钢所具有的高强韧性、抗断性和阻尼降噪性则可以良好的实现建造设施的安全性，抑制共振、降低噪音，保证结构在动态下的稳定性。其次，高锰钢以其良好的强韧性、抗撞击、耐磨蚀性，在船舶、机械行业也将得到更广泛的应用，可用于制造挖掘机械、泥浆矿石输送管道、矿砂运输船内舱等结构。此外，高锰钢的无磁或低磁性，可应用于电机和电气等行业，包括大中型变压器油箱内磁屏蔽、铁芯拉板、线圈夹件等漏磁场的结构件；起重电磁铁吸盘、磁选设备简体等。特别是近年来，高锰钢优异的超低温韧性和低成本等特性，使其正在成为新一代LNG储罐用钢的关键材料，高锰钢的大批量应用，将替代现有的高镍型LNG储罐用钢，显著降低储罐的建造成本，实现资源的节约配置和绿色化生产。^[1]

高锰钢是一种高强度钢材，可承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工作条件，其在铁路轨道材料方面的应用获得2020年度国家科学技术发明奖二等奖。^[1]

1.中国高锰钢铸件标准（GB/T5680-1998），规定高锰钢铸件必须在不低于1040℃下进行水韧处理。^[2]

2.国际标准《ISO13521：2015 奥氏体锰钢铸件》。^[4]

3.中国行业标准《JB/T 6404-2017 大型高锰钢铸件技术条件》。^[4]