高锰钢研究进展和展望

吕仁杰 裴 伟

(1:山西中条山机电设备有限公司 山西垣曲 043700；2: 北京科技大学 北京 100083)

1 前言

1882年，英国冶金学家 Robert Abbott Hadfield 将钢中锰含量添加至12%，经水韧处理后能过得单一的奥氏体组织，在高应力、强冲击的工况下便显出良好的耐磨性能，并发现高锰钢特殊的硬度和磁学性能[1]。长期以来高碳高锰的Hadfield钢广泛应用于各种冲击磨损工况，获得良好的应用效果，甚至被认为是万能的抗磨材料。200系以锰代镍的不锈钢因其成本优势在中国和印度具有广阔的市场，低磁导率无磁钢在电力行业也有广泛的应用。近年来，对高锰钢的进一步认识和研究，第二代高强汽车用钢采用孪生诱发塑性钢(TWIP)，其抗拉强度(Rm)和延伸率(A)的乘积在 50000MPa%以上，是相变诱导塑性钢(TRIP)的两倍。TWIP钢具有高强度、高塑性、高强塑积和良好的吸能作用，别认为是现代汽车轻量化材料之一。本文综述奥氏体的高锰钢的近些年来的发展情况，并对高锰钢的应用做进一步展望。

2 耐磨高锰钢

自1882年高锰钢被发明以来，高锰钢就一直被用作耐磨钢，常被用来生产火车道轨道闸、破碎机齿板、(半)自磨机衬板等。高碳高锰的Hadfield钢应用于各种冲击磨损条件时，拥有良好的耐磨性能，一度被认为是万能的抗磨材料，但是也有许多不足：1)屈服强度不高，一般小于350MPa，使用中会易发塑性流变，导致工件失效；2)奥氏体的稳定性不高，大型铸件在铸造凝固和淬火处理时冷速不够，脆性碳化物在心部析出降低了高锰钢的韧性；3)水韧处理后硬度较低(HB180～220)，冲击应力较小的工况下使用时，无法充分加工硬化，耐磨性较差；4)在-20℃～-40℃的低温下使用时，会造成低温脆性断裂，无法在低温下发挥其强韧性。

为了克服传统高锰钢的不足，国内外学者进行了许多的研究，对高锰钢进行合金化处理可以强化其奥氏体基体，使加工硬化能力得到提高。在高锰钢中添加2%以上的Mo可以使残留在高锰钢中的碳化物分散成球状；Cr的加入可以提高高锰钢的加工硬化率，但在高冲击的使用下不仅不能提高耐磨性，反而会因析出的网状碳化物引起铸件韧性下降。V和Ti的加入可以细化高锰钢组织，且V的加入可以提高高锰钢的碳含量，并形成细小的、分散度大而稳定的碳化物[2]。

超高锰为其中突出代表。超高锰钢是在常规ZGMn13的基础上研究出来的一种新型耐磨材料，C含量在0.9%～1.5%，Mn含量在17%～25%。C、Mn含量的进一步提高，使钢的加工硬化能力明显增强，从而获得更优异的耐磨性能。Y.H.Wen等[3]对传统高锰钢和超高锰钢做了力学性能的对比，如图1所示；传统高锰钢和超高锰钢不同冲击条件下的硬度变化如图2所示。由此可见，在高锰钢中出现ε-马氏体，避免出现ɑ-马氏体，既可以提高硬度，增强耐磨性，又能保证衬板不变形，因为ε-马氏体为密排六方结构，与面心立方结构的奥氏体基体的原子密度相同。

a)真应力-真应变曲线 b)加工硬化率-真应变曲线图1 传统高锰钢(Hadfled steels)和超高锰钢(Fe18Mn5Si0.35C)力学性能对比图

a)传统高锰和超高锰钢不同冲击条件下硬度变化图 b)超高锰钢在不同拉伸条件下各个强化相含量图2 传统高锰钢和超高锰钢不同条件下的参数变化图

借鉴于轻量化在汽车方面的使用，为高锰钢在耐磨领域也注入新的理念。在超高锰钢的合金体系添加大量的铝，可以在保证高锰钢耐磨性的前提下，降低高锰钢的密度，同时提高高锰钢的初始硬度[4-5]。随着新型高硬度耐磨材料的出现，高锰钢在面对低冲击情况的优势不再明显，但高硬度材料的冲击韧性较低，在复杂环境下使用安全性较低。使用液固结合法可以使高锰钢和金属陶瓷成功的结合在一起，延长高锰钢水韧处理过程中保温时间可以减小高锰钢的产生裂纹的倾向，使用金属陶瓷对高锰钢进行强化可以提高超高锰钢的耐磨性[6]。另外在超高锰钢中镶嵌硬质合金的方法也可以提高超高锰钢的耐磨性，硬质相的存在会抵抗磨粒的磨损，使复合材料的耐磨性比高锰钢提高了2.5倍[7]。

3 先进高强汽车用钢

1997年德国马普所Grässel和Frommeye等[8-9]学者在研究Fe-25Mn-3Si-3Al时发现大量形变孪生，首先提出孪生诱发塑性效应的概念。随之TWIP钢的研究引起了学术界和工业界的极大兴趣。利用低能态共格孪晶界强化和孪生增塑效应来解决金属材料强韧引起国内外学者的广泛重视。TWIP钢被认为是第二代先进高强钢(advanced high strength steel)，具有高强度(600MPa～1100MPa)、高塑性(延伸率50%-95%)、高的应变硬化性、高的能量吸收能力和良好的低温性能，其强塑积大于50000MPa%，是普通DP钢、TRIP钢的两倍以上，是一种理想的汽车用抗冲击结构材料和吸能材料，可应用于汽车、军工、航空、石油开采等领域。

高强、高塑的TWIP钢已引起学术界和工业界的广泛重视，在汽车领域开展大量的研究，随着TWIP钢理论不断完善，成分体系和制备工艺不断成熟，已具备工业化生产条件，正在由实验室研发走向批量生产与应用。国内外大型钢铁公司和汽车厂，如安赛乐米塔尔、德国蒂森和韩国浦项以及我国宝钢、鞍钢都已经开始批量试制TWIP钢产品，展现出良好的应用前景。

表1 部分TWIP钢的成分、层错能、晶粒尺寸及制备工艺(*为文献图中读取)

图3 TWIP钢的研究历程及近况(合金编号同表1，部分数据由文献图中读取)

表1和图3是国内外公开发表文献中部分数据的汇总，研究表明层错能为20-50mJ/m2的奥氏体高锰钢可以获得TWIP效应，目前开发了多种成分体系，有学者将其分为三代，第一代是Grässel等研究的Fe-25Mn-3Si-3Al，具有很高的塑性和中等的抗拉强度，但Al、Si含量高，不利于浇铸和镀层；为此开发了Fe-Mn-C第二代TWIP钢，碳含量提高，强度明显增加，延伸率有所降低，但遇到延迟开裂问题；第三代TWIP钢是在Fe-Mn-C基础上加入Al、Nb、V、Ti、Mo、Cu、P、Pd和RE等进行合金化或微合金化，加Al和RE可以抑制TWIP钢的延迟开裂，第三代TWIP钢是重要的发展方向。TWIP钢加入大量的Mn，在室温下获得单相奥氏体，没有固态相变，因此未经过固态转变和再结晶的TWIP钢晶粒十分粗大，加入Nb、V、Ti微合金化，并与控轧控冷工艺相结合，可以显著细化奥氏体晶粒，达到几个微米(如表1)。TWIP钢的生产工艺包括热轧、冷轧和再结晶退火，热轧TWIP钢同样具有优良的综合力学性能。

德国和韩国在TWIP钢研究方面处于世界前列，国内的北京科技大学、东北大学、中科院金属所、上海交通大学、上海大学、同济大学、燕山大学、福州大学、中北大学等也开展了这方面的研究工作。

4 形状记忆合金

Fe-Mn-Si系形状记忆合金的形状记忆特性是由于FCC↔HCP相界面可逆运动所致，在晶体学上也存在可逆性。从理论上讲，在FCC↔HCP界面运动过程中应力和温度所提供的相变驱动力对γ→ε马氏体相变的作用是等效的，由此可以推断，Fe-Mn-Si形状记忆合金在外界应力作用下发生应力诱发γ→ε马氏体相变后，对之再施加于反向应力时，合金的FCC/HCP界面就会反向开动沿着正相变的反方向逆转变为母相奥氏体，即在机械力驱动下发生了ε→γ马氏体逆相变。因此，Fe-Mn-Si形状记忆合金在交变应力作用下将发生γ→ε马氏体相变及其逆相变并伴随着相变变形。

近年来，Fe-Mn-Si基形状记忆合金的研究和开发已经取得了引人注目的进展。它的可回复应变和回复应力有较大幅度的增加，综合性能有了明显的改善。对该合金系的形状记忆原理的深入研究为进一步提高该合金系的性能和降低该合金系的制造成本指明了方向。新的含NbC/VN沉淀，无需训练的形状记忆合金大大降低了加工成本，提高了性价比，应用范围日益拓展。完全可以相信，Fe-Mn-Si在不久的未来会是形状记忆合金中的佼佼者，成为廉价物美的智能材料。

新日铁经过多年研究和开发，于上世纪九十年代成功开发出Fe-32Mn-6Si和Fe-28Mn-6Si-5-Cr两种铁基形状记忆合金，价格要比常规镍钛形状记忆合金低几十倍，属于高锰钢系列合金，具有高强度[23]。

5 其他领域

除了以上几点发展方向之外，高锰钢还被用于做低温材料，浦项与韩国科学技术院联合研制出了大容量 LNG(液化天然气)贮藏罐，其材质是由浦项研发的高锰钢，贮藏量为 20000m3，与现有贮藏罐 1000m3的贮藏量相比，提高了 20 倍[24]。

被用作无磁钢的Fe-Mn-C系奥氏体钢，是由Mn、C稳定奥氏体结构，Al抑制γ→ε马氏体相变，可以代替1Cr18Ni9Ti及有色合金用于变压器、磁选机及电机等电气设备中不导磁部件的制造。广泛应用于大中型变压器、电磁铁、除铁器、磁选机、选矿设备等军民无磁结构材料。

此外，还有相关研究表明，高锰钢可有效吸收部分震动能量，2015 年 6 月，韩国浦项钢铁公司成功开发出楼层地板专用的高锰钢，可以有效减少楼层间的噪音污染，比普通钢材防震性能高 10 倍以上[25]。

6 结论和展望

近些年来，高锰钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视。作为一种存在了一百多年的古老钢种，在多数领域，尤其是耐磨领域和汽车领域，仍然拥有广阔的市场前景。同时其许多机理性的东西依然有待进一步研究，国内外有许多研究机构和科研人员在高锰钢成分设计、生产工艺、应用开发等方面做了大量工作，提高了高锰钢的加工硬化能力、耐磨性以及加工性能，同时又将高锰钢的应用领域拓展到功能材料的领域。相信不断随着理论的突破，这一古老钢种会焕发出更强的活力。