高锰钢分类及简介[资料]

一、高锰钢分类及简介

1、高锰钢的来源

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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：

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2、耐磨钢

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分在1．0％以上。其化学成分为(％)：

这类钢含锰10％～15％，碳含量较高，一般为0.90％～1.50％，大部

C0．90～1．50Mn10.0～15．0

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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。

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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：ζb615～1275MPa ζ 0.2340～470MPa ζ15％～

85％ ψ15％～45％ aKl96～294J／cm2 HBl80～225

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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

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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3、无磁钢

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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)。

二、高锰钢的铸造工艺

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在高能量冲击的工作条件下，高锰钢与超高锰钢铸件的应用范围是广阔

的。许多铸造厂，对生产此类钢种铸件缺乏必要的认识。现对具体操作做

简要的说明，供生产者参考。

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1 、化学成分

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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，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。

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2、 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。这个人士是有害的。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％。那么，回炉料过剩该

如何？只要把废品降到最低，回炉料就不会过剩。

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3 、熔炼

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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。

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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。

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4、 炉料与造型材料

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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。

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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。

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5、 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。

6 、热处理

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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<80℃/h，750℃以下，<100℃/h，且有不同时期的保温。至>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<30℃，淬火后，水温

<50℃，水量应不小于铸件重量的8倍。冷水从池下部进入，温水从池顶面

流出。铸件在水池中要三个方向不停地一动。

7、 切割与焊接

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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，

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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。

8、生产的注意事项

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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。

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ZGMn13牌号-化学成分

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对应产品名： 高锰铸钢

标准对照表：

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日本 JIS G5131(1991)

美国 ASTM A128/A128M—1998

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韩国 KS D4104(1995)

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标准内容：

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(1)中国GB标准高锰铸钢[GB/T 5680—1998]

表5-27 高锰铸钢的钢号与化学成分（质量分数）（%）

5.1.4 高锰铸钢

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a.高锰铸钢的钢号与化学成分，见表5-27。

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P S

钢号 C Si Mn Cr Mo

≤ ≤

ZGMn13-1 1.00～1.45 0.30～1.00 11.0～14.0 0.090 0.040 — —

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ZGMn13-2 0.90～1.35 0.30～1.00 11.0～14.0 0.070 0.040 — —

ZGMn13-3 0.95～1.35 0.30～1.00 11.0～14.0 0.070 0.035 — —

ZGMn13-4 0.90～1.30 0.30～1.00 — 11.0～14.0 0.070 0.040 1.50～2.50

ZGMn13-5 0.75～1.30 0.30～1.00 11.0～14.0 0.070 0.040 — 0.90～1.20

b.高锰铸钢的力学性能与用途，见表5-28。

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表5-28 高锰铸钢的力学性能与用途

力学性能（不小于）

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硬度

钢号 用途范围

ζζδψ

bs

HBS

/MPa / Mpa (%) (%)

ZGMn13-1 635 — 20 — — 用于低冲击铸钢件

ZGMn13-2 685 — 25 147 300 用于普通铸钢件

ZGMn13-3 735 — 30 147 300 用于复杂铸钢件

ZGMn13-4 735 390 20 — 300 用于特殊耐磨铸钢件

ZGMn13-5 — — — — — 用于特殊耐磨铸钢件

（2）中国YB标准高锰铸钢[YB/T 036.4—1992]

a.高锰铸钢的钢号与化学成分，见表5-29。

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表5-29 高锰铸钢的钢号与化学成分（质量分数）（%）

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P S

钢号 C Si Mn Cr

≤ ≤

ZGMn13-1 1.10～1.50 0.30～0.80 11.0～14.0 0.09 0.04 —

ZGMn13-2 1.10～1.40 0.30～0.80 11.0～14.0 0.09 0.04 —

ZGMn13-3 0.90～1.30 0.30～0.80 11.0～14.0 0.08 0.04 —

ZGMn13-4 0.90～1.20 0.30～0.80 11.0～14.0 0.07 0.04 —

ZGMn13-5 0.90～1.30 0.30～0.60 11.0～14.0 0.07 0.04 1.50～2.50

b.高锰铸钢的力学性能与用途，见表5-30。

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表5-30 高锰铸钢的力学性能与用途

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力学性能（不小于）

钢号 用途范围

ζζ

b5KU

A/J

硬度

HBS

/MPa / Mpa (%)

ZGMn13-1 635 20 — ≤230 用于低冲击铸钢件

ZGMn13-2 635 20 120 ≤230 用于普通铸钢件

ZGMn13-3 685 25 120 ≤230 用于复杂铸钢件

ZGMn13-4 735 35 120 ≤230 用于高冲击铸钢件

ZGMn13-5 735 15 — — 用于特殊耐磨铸钢件

（3）中国JB标准大型铸件用高锰铸钢[JB/T 6404——1992]

a.大型铸件用高锰铸钢的钢号与化学成分，见表5-31。

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表5-31 大型铸件用高锰铸钢的钢号与化学成分（质量分数）（%）

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P S

Cr Ni/Mo 钢号 C Si Mn

≤ ≤

ZGMn13-1 1.10～15.0 0.30～1.00 11.0～14.0 0.090 0.050 —

—

ZGMn13-2 1.00～1.40 0.30～1.00 11.0～14.0 0.090 0.050 — —

ZGMn13-3 0.90～1.30 0.30～0.80 11.0～14.0 0.080 0.050 — —

ZGMn13-4 0.90～1.20 0.30～0.80 11.0～14.0 0.070 0.050 — —

ZGMn13Cr 1.05～1.35 0.30～1.00 11.0～14.0 0.070 0.050 0.30～0.75 —

ZGMn13Cr2 1.05～1.35 03.0～1.00 11.0～14.0 0.070 0.050 1.50～2.50 —

ZGMn13Ni4 0.70～1.30 ≤1.00 11.5～14.0 0.070 0.050 — Ni3.00～4.00

ZGMn13Mo 0.70～1.30 ≤1.00 11.5～14.0 0.070 0.050 — Mo0.90～1.20

ZGMn13Mo2 1.05～1.45 ≤1.00 11.5～14.0 0.070 0.050 — Mo1.80～2.10

b.大型铸件用高锰铸钢的力学性能与用途，见表5-32。

表5-32 大型铸件用高锰铸钢的力学性能与用途

力学性能（不小于）

硬度

钢号 用途范围

ζζ

bs

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A（%）

KV

HBS

/MPa / Mpa

ZGMn13-1 637 20 — ≤229 用于低冲击铸钢件

ZGMn13-2 637 20 184 ≤229 用于普通铸钢件

ZGMn13-3 686 25 184 ≤229 用于复杂铸钢件

ZGMn13-4 735 35 184 ≤229 用于高冲击铸钢件

ZGMn13Cr 490 30 — — 用于特殊耐磨铸钢件

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