高锰钢热处理工艺研究现状

陈席国 张恩铭 李东方

摘要： 高锰钢是铁基耐磨材料中的代表产品，经过适当热处理后能获得优异的耐磨性能，在耐磨材料领域占有重要地位。本文简要介绍了高锰钢的基本知识，重点综述了高锰钢的热处理工艺，除了传统的热处理工艺以外，高压热处理、高温形变热处理等新型热处理工艺也越来越受到人们的重视。

Abstract： High manganese steel is the representative product of iron-based wear-resistant materials. After proper heat treatment， it can obtain excellent wear-resistant properties， which plays an important role in the field of wear-resistant materials. In this paper， the basic knowledge of high manganese steel is briefly introduced， and the heat treatment process of high manganese steel is mainly summarized. In addition to the traditional heat treatment process， new heat treatment processes such as high pressure heat treatment and high temperature deformation heat treatment are paid more and more attention.

关键词： 高锰钢;热处理工艺;高压热处理

Key words： high manganese steel;heat treatment process;high pressure heat treatment

中图分类号：TG156                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0035-03

0  引言

高锰钢是铁基耐磨材料中的典型产品，在耐磨材料中占有重要地位。因其在高应力、高冲击载荷的工作环境下表现出极优异的抗磨性能，同时兼具优良的韧性及形变硬化能力，被广泛应用于采矿、破碎、挖掘及轨道行业[1，2]。高锰钢需要经过适当的热处理处理后方能具备理想的机械性能，达到耐磨材料使用标准。1882年，英国R.A. Hadfield发明了奥氏体高锰钢，且发现当其被加热到1000℃保温后进行水冷处理，能够提高高錳钢的韧性，这一处理方法经过人们的不断研究和改进，一直沿用至今[3，4]。近年来，随着高锰钢产品的不断发展及多样化，高锰钢热处理工艺的改进也备受各行研究者的重视。本文首先简述了高锰钢的基本知识，随后重点综述了高锰钢的几种热处理工艺，为耐磨高锰钢行业提供一定参考。

1  高锰钢基本认识

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。国内最新行业标准《JB/T 6404-2017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%，目前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。

铸态高锰钢的组织主要为奥氏体基体及沿奥氏体晶界分布的碳化物构成的多相组织，另外还存在少量珠光体，此状态下的高锰钢脆性大，不宜直接使用。经过适当热处理工艺消除铸态组织并获得单一奥氏体组织，高锰钢的耐磨性能即是建立在奥氏体组织加工硬化能力之上的。当高锰钢件受到较大冲击载荷时，工件磨损层发生加工硬化，使其表面硬度大幅提高，可达到HB500以上[5，6]。至于高锰钢奥氏体组织加工硬化机理，多年来一直受到国内外学者的广泛关注，并先后提出了多种硬化机制，如形变诱发马氏体相变硬化、位错硬化、孪晶硬化、动态应变时效硬化、Fe-Mn-C原子团硬化等机制，但没有一种机制能够准确、完善地解释高锰钢的加工硬化现象[7～9]。这一问题目前乃至将来仍是高锰钢研究的热点问题之一。

2  高锰钢的热处理

目前，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，所以人们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。

2.1 常规热处理

2.1.1 固溶处理

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。如图1Fe-Mn-C三元相图所示，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[10]。高锰钢经过固溶处理后，其力学性能得到明显改善[11]。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[12]。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。

固溶处理一般工艺曲线如图2所示。对于结构简单的小型件，为保证其生产效率及节约能源一般可省略低温预等温过程，直接在较高温度下（<750℃）入炉，并快速升温到奥氏体化温度1000℃～1050℃保温。对于中等结构复杂或简单大型件，如壁厚超过40mm的履带，入炉温度不宜过高（<400℃），升温速率也应放缓到50～70℃/h，且加热到600℃～700℃时，可按1.5min/mm均温一段时间以消除铸造应力，防止工件产生微裂纹。由于高温下高锰钢的导热性能有所改善，故预等温后可重新以较快速率升温至固溶温度[14，15]。

对于结构复杂、特殊或壁厚悬殊较大的大型件，没有固定的固溶处理工艺，需要根据实际生产条件来制定适当的热处理工艺，如太原钢铁集团有限公司峨口铁矿用颚式破碎机齿板，重3～5t，厚210～390mm，是典型的重、大复杂件，热处理时需在<400℃入炉并均温，再以65℃/h升温至650℃～680℃时再次均温，最后以100℃/h升至固溶温度，并以1.5～1.8min/mm进行保温，水淬后获得单一相奥氏体组织[15]。

为保证碳化物充分溶解，固溶处理过程中必须保温合适的时间。根据生产经验，保温时间一般可按经验公式τ=0.016δ[1.27×（C+Si）]进行确定[13]，式中：τ为保温时间，单位h;δ为铸件的最大壁厚;C、Si分别为钢中C、Si的质量分数。

2.1.2 时效处理

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[16]。时效处理工艺曲线如图3所示。

时效温度是影响高锰钢时效处理的关键因素。有研究表明[17]，时效温度过低，沉淀相析出量不足，强化不充分;温度过高，碳化物析出量过多，影响高锰钢冲击韧性。因此，需要严格控制时效温度以获得适量的沉淀相，进而得到良好的综合性能。李威[18]等对合金化高锰钢的时效处理工艺作了系统研究，结果表明：合金化高锰钢经时效处理后，有大量的碳化物沉淀相弥散分布在奥氏体晶粒内，且时效温度为350℃时，高锰钢的抗拉强度、屈服强度、耐磨性及冲击韧性均得到提高，表现出理想的综合性能。但随着时效温度继续升高，其使用性能反而降低。

2.1.3 余热热处理

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，如图4所示。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，马壮[19]等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。

余热热处理工藝早在上世纪八九十年代就已出现，但由于生产设备落后，高温下操作困难，难以控制铸件水韧后质量等因素，并未得到大范围推广[20]。随着机械化、自动化、智能化生产的不断进步，余热热处理工艺如今得到了较好的推广应用。江西德兴铜矿机械铸造公司利用余热热处理方法生产1500吨高锰钢，每年因降低生产成本带来的综合经济效益可达到近百万元[21]。

2.2 高锰钢的新型热处理

2.2.1 高温形变热处理

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[22]。目前也在探究将此工艺应用于高锰钢的可能性，如王琳[23]等人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。故工业上要大范围应用此工艺对高锰钢进行热处理，还需要更深入的研究。

2.2.2 高压热处理

高压技术对于材料工程研究具有十分重要的意义，目前，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[24]。近年来，高压技术逐渐被应用于金属材料的热处理中，有关高压热处理技术的研究也渐渐得到关注。研究表明[25]，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，李媛媛[26]等人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，是将来高锰钢热处理工艺研究的一条新途径。

3  结语

高锰钢的使用历史悠久，经过多年的发展其热处理工艺已趋于成熟。如何创新工艺，在保证高锰钢使用性能的基础上降低成本，减少能耗是目前高锰钢热处理工艺研究的重点。目前工业上常用的高锰钢热处理工艺仍以固溶处理、时效处理、余热热处理等常规热处理方式为主。高压热处理、高温形变热处理等新型热处理工艺对改善高锰钢性能有着积极的作用，但要大范围应用于工业生产，还需更深入的研究。新型锰钢的应用是未来耐磨材料研究的主要发展趋势，随着新型合金化高锰钢以及超高锰钢研究的不断深入，改进传统高锰钢热处理方式，为新型锰钢制定合理的热处理工艺是今后高锰钢热处理工艺的重要研究方向。

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