高锰钢的耐磨性 \\耐磨材料概述 用于制造耐磨零件的金属耐磨材料包括钢、复合钢材和铸铁等。高锰钢是历史悠久的耐磨材料，在恶劣工况条件下，不容易产生塑性失稳，而具有相当好的耐磨性；但它只有在冲击载荷及单位压力较大的磨料磨损条件下，产生加工硬化效应，才显示出较其他材料具有更优良的耐磨性。对于冲击载荷不太大的易磨损零部件，目前较广泛选用成本较低的非合金钢（碳素钢）或中高碳合金钢，并采取一定的工艺措施以提高其耐磨性。选用表面硬化钢或复合钢材制作的零部件，在耐磨、耐冲击等性能方面都具有明显的优点，可提高使用寿命，但成本较高。耐磨铸铁的耐磨性好，成本低，包括冷硬铸铁、白口铸铁和中锰球墨铸铁，一般适用于不同工况条件下使用的耐磨零件。 耐磨钢目前尚没有系统的技术标准，但制造耐磨零件所选用的钢类及钢种较广，一部分结构钢、工具钢及合金铸铁均常用于制造各种耐磨零件。近年来还发展了一些耐磨专用钢。一般是根据工作条件、磨损类型以及材料破坏机理的不同，来合理选用钢种。 高锰钢的耐磨性 我国高锰钢的化学成分和力学性能 化学成分（%） 钢号 C ZGMnl3-1 1.10～1.50 0.30～1.00 ZGMnl3-2 1.00～1.40 11.00～14.0.90～1.30 0.30～0.80 ZGMnl3-4 0.90～1.20 ≤0.080 ≥735 ≥35 高冲击件 00 ≤0.050 ≤0.080 ≥686 ≥25 ≥147 ≤229 复杂件 ≤0.090 ≥637 ≥20 普通件 Mn Si S P b(Mpa) 5(%) AK(J) - HB 低冲击件 力学性能* 适用范围 ZGMnl3-3 注：*1060～1100°水淬处理后试样的力学性能 部分国外标准高锰钢的化学成分： 日本标准高锰钢的化学成分 JIS G5131-1991 化学成分质量分数（%） 钢号 C SCMnH1 SCMnH2 SCMnH3 SCMnH11 SCMnH21 0.9～1.3 0.9～1.2 0.9～1.2 0.9～1.3 1.0～1.35 Mn 11～4 11～4 11～4 11～4 11～4 Si - ≤0.8 0.3～0.8 ≤0.8 ≤0.8 S ≤0.05 ≤0.04 ≤0.035 ≤0.04 ≤0.04 P ≤0.10 ≤0.07 ≤0.05 ≤0.07 ≤0.07 其它 - - - Cr：1.5～2.5 Cr：2.0～3.0 Cr：0.4～0.7 美国标准高锰钢的化学成分 ANSI/ASTM A128-78a 化学成分质量分数（%） 钢号 C Ab B-1 B2 B-3 B-4 C D E1 E2 F 1.05～1.35 0.9～1.05 1.05～1.2 1.12～1.28 1.2～1.35 1.05～1.35 0.7～1.3 0.7～1.3 1.05～1.45 1.05～1.35 Mn ≥11.0 11.5～11.4 11.5～11.4 11.5～11.4 11.5～11.4 11.5～11.4 11.5～11.4 11.5～11.4 11.511.4 6.0～8.0 Si ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 S - - - - - - - - - - P ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 ≤0.07 其它 - - - - - Cr：1.5～2.5 Ni：3.0～4.0 Mo：0.9～1.20 Mo：1.8～2.10 Mo：0.9～1.20 前苏联标准高锰钢的化学成分 化学成分质量分数（%） 钢号 C 110Г13Л 0.9～1.5 Mn 11.5～15.0 Si 0.3～1.0 S ≤0.05 P ≤0.12 其它 Cr：≤1.0 Ni：≤1.0 Cr：1.0～2.0 110Г13X2БPЛ 0.9～1.5 11.5～14.5 0.3～1.0 ≤0.05 ≤0.12 Ni：≤0.5 Nb：0.08～0.12 B：0.001～0.006 110Г13ФTЛ 0.9～1.3 11.5～14.5 0.4～0.9 ≤0.05 ≤0.12 V：0.100.30 Ti：0.010.05 Cr：1.0～1.5 130Г14XMФAЛ 1.2～1.4 12.5～15.0 ≤0.6 ≤0.05 ≤0.07 Ni：≤1.0 V：0.08～0.12 N：0.025～0.05 罗马尼亚联标准高锰钢的化学成分 STAS 3718 化学成分质量分数（%） 钢号 C T100MoMn130 T100NiMn130 T105Mn120 T120CrMn130 T130Mn135 0.7A～1.3 0.7A～1.3 0.9A～1.2 1.05A～1.35 1.25A～1.40 Mn 11.5A～14.0 11.5A～14.0 11.5A～13.5 11.5A～14.0 12.5A～14.5 Si ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 S ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 P ≤0.07 ≤0.07 ≤0.11 ≤0.07 ≤0.11 其它 Mo:0.9A～1.2 Ni:3.0A～4.0 Ni:≤0.8 Cr:1.5A～2.5 Ni:≤0.8 波兰标准高锰钢的化学成分 PN 83160 化学成分质量分数（%） 钢号 C L120G13 1.0～1.4 Mn 12.0～14.0 Si 0.3～1.0 S ≤0.03 P ≤0.10 其它 Cr：≤1.0 Ni：≤1.0 Cr：0.6～1.3 Ni：≤0.5 Cr：≤1.0 L120G13T 1.0～1.4 12.0～14.0 0.3～1.0 ≤0.03 ≤0.10 Ni：≤1.0 Ti：0.1～0.3 L120G13H 1.0～1.4 12.0～14.0 0.3～1.0 ≤0.03 ≤0.10 高锰钢铸件在受到冲击截荷和压应力时，金属表面发生塑性变形，迅速产生加工硬化并诱发产生马氏体及ε相，从而形成硬而耐磨的表面层，耐心部仍是奥氏体组织。表面层硬度由原来的200HB左右提高到500HB以上，硬化层浓度可达到10～20mm，甚至更多。在表面逐渐被磨损掉的同时，在冲击载荷的作用下硬化层不断地向内发展。在低冲击载荷和低应力磨损情况下，由于不能在表面产生足够的加工硬化，这时高锰钢的耐磨性往往不一定比相当硬度的其他钢种好。奥氏体高锰钢是非磁性的，也可用于既要求耐磨又抗磁化的零件，如吸料器的电磁铁罩。 为适应不同工况的要求，调整基本成分和加入其他合金元素，以提高钢的耐磨性，发展了一些改进型高锰钢。国内外一部分改进型高锰钢的化学成分和用途见下表。 改进型高锰钢的化学成分和用途 化学成分质量分数(%) 国别 钢 种 C 中国 Mn6Mo 1.2～1.4 Si 0.4～0.7 Mn 5.5～7.0 Mo 0.8～1.2 1.5 Climax 6Mn-1Mo Grade A 1.05～1.35 0.40～0.70 5.75～6.75 0.90～1.20 Grade B 0.80～1.00 0.40～0.70 6.00～7.00 0.90～1.20 0.54 0.58 - - - - 8.86 11.0 - - - - Cr (小截面件) (大截面件) 残余 残余 4.94 4.7 - 其他 适用于冲击- - - - - - 不很大的粉煤设备和工程机械的耐磨件 破碎机的轧臼壁、破碎壁，电铲铲齿 承受高应力45Mn17Al3 中国 0.34～0.42 0.27～0.57 17.2～18.0 - - Al：2.97～3.20 Ti：0.078～0.098 冲击的工件，如落锤及其底座 铸态下使用。大型挖掘机7Mn13 0.7～0.8 ≤0.5 12.5～14.5 - - Ti：≤0.1 铲斗、复杂结构的格子板、衬板等 用途举例 美国 5Cr5Mn9 60Cr5Mn11 Mn9Cr2 锰钢(high manganese steel)
含锰量在10％以上的合金钢。1882年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。高锰钢依其用途的不同可分为两大类：
(1)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
Si0．30～1.0 S≤0.05 P≤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。
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：σb615～1275MPa σ 0.2340～470MPa ζ15％～85％ ψ15％～45％ aKl96～294J／cm2 HBl80～225
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(C 1.10％～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14()()℃)，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。
(2)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)。
高锰钢的耐磨性
