呂仁杰 裴 偉

(1:山西中條山機(jī)電設(shè)備有限公司 山西垣曲 043700；2: 北京科技大學(xué) 北京 100083)

1 前言

1882年，英國(guó)冶金學(xué)家 Robert Abbott Hadfield 將鋼中錳含量添加至12%，經(jīng)水韌處理后能過(guò)得單一的奧氏體組織，在高應(yīng)力、強(qiáng)沖擊的工況下便顯出良好的耐磨性能，并發(fā)現(xiàn)高錳鋼特殊的硬度和磁學(xué)性能[1]。長(zhǎng)期以來(lái)高碳高錳的Hadfield鋼廣泛應(yīng)用于各種沖擊磨損工況，獲得良好的應(yīng)用效果，甚至被認(rèn)為是萬(wàn)能的抗磨材料。200系以錳代鎳的不銹鋼因其成本優(yōu)勢(shì)在中國(guó)和印度具有廣闊的市場(chǎng)，低磁導(dǎo)率無(wú)磁鋼在電力行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，對(duì)高錳鋼的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和研究，第二代高強(qiáng)汽車用鋼采用孿生誘發(fā)塑性鋼(TWIP)，其抗拉強(qiáng)度(Rm)和延伸率(A)的乘積在 50000MPa%以上，是相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)的兩倍。TWIP鋼具有高強(qiáng)度、高塑性、高強(qiáng)塑積和良好的吸能作用，別認(rèn)為是現(xiàn)代汽車輕量化材料之一。本文綜述奧氏體的高錳鋼的近些年來(lái)的發(fā)展情況，并對(duì)高錳鋼的應(yīng)用做進(jìn)一步展望。

2 耐磨高錳鋼

自1882年高錳鋼被發(fā)明以來(lái)，高錳鋼就一直被用作耐磨鋼，常被用來(lái)生產(chǎn)火車道軌道閘、破碎機(jī)齒板、(半)自磨機(jī)襯板等。高碳高錳的Hadfield鋼應(yīng)用于各種沖擊磨損條件時(shí)，擁有良好的耐磨性能，一度被認(rèn)為是萬(wàn)能的抗磨材料，但是也有許多不足：1)屈服強(qiáng)度不高，一般小于350MPa，使用中會(huì)易發(fā)塑性流變，導(dǎo)致工件失效；2)奧氏體的穩(wěn)定性不高，大型鑄件在鑄造凝固和淬火處理時(shí)冷速不夠，脆性碳化物在心部析出降低了高錳鋼的韌性；3)水韌處理后硬度較低(HB180～220)，沖擊應(yīng)力較小的工況下使用時(shí)，無(wú)法充分加工硬化，耐磨性較差；4)在-20℃～-40℃的低溫下使用時(shí)，會(huì)造成低溫脆性斷裂，無(wú)法在低溫下發(fā)揮其強(qiáng)韌性。

為了克服傳統(tǒng)高錳鋼的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多的研究，對(duì)高錳鋼進(jìn)行合金化處理可以強(qiáng)化其奧氏體基體，使加工硬化能力得到提高。在高錳鋼中添加2%以上的Mo可以使殘留在高錳鋼中的碳化物分散成球狀；Cr的加入可以提高高錳鋼的加工硬化率，但在高沖擊的使用下不僅不能提高耐磨性，反而會(huì)因析出的網(wǎng)狀碳化物引起鑄件韌性下降。V和Ti的加入可以細(xì)化高錳鋼組織，且V的加入可以提高高錳鋼的碳含量，并形成細(xì)小的、分散度大而穩(wěn)定的碳化物[2]。

超高錳為其中突出代表。超高錳鋼是在常規(guī)ZGMn13的基礎(chǔ)上研究出來(lái)的一種新型耐磨材料，C含量在0.9%～1.5%，Mn含量在17%～25%。C、Mn含量的進(jìn)一步提高，使鋼的加工硬化能力明顯增強(qiáng)，從而獲得更優(yōu)異的耐磨性能。Y.H.Wen等[3]對(duì)傳統(tǒng)高錳鋼和超高錳鋼做了力學(xué)性能的對(duì)比，如圖1所示；傳統(tǒng)高錳鋼和超高錳鋼不同沖擊條件下的硬度變化如圖2所示。由此可見(jiàn)，在高錳鋼中出現(xiàn)ε-馬氏體，避免出現(xiàn)ɑ-馬氏體，既可以提高硬度，增強(qiáng)耐磨性，又能保證襯板不變形，因?yàn)棣?馬氏體為密排六方結(jié)構(gòu)，與面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體基體的原子密度相同。

a)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線 b)加工硬化率-真應(yīng)變曲線圖1 傳統(tǒng)高錳鋼(Hadfled steels)和超高錳鋼(Fe18Mn5Si0.35C)力學(xué)性能對(duì)比圖

a)傳統(tǒng)高錳和超高錳鋼不同沖擊條件下硬度變化圖 b)超高錳鋼在不同拉伸條件下各個(gè)強(qiáng)化相含量圖2 傳統(tǒng)高錳鋼和超高錳鋼不同條件下的參數(shù)變化圖

借鑒于輕量化在汽車方面的使用，為高錳鋼在耐磨領(lǐng)域也注入新的理念。在超高錳鋼的合金體系添加大量的鋁，可以在保證高錳鋼耐磨性的前提下，降低高錳鋼的密度，同時(shí)提高高錳鋼的初始硬度[4-5]。隨著新型高硬度耐磨材料的出現(xiàn)，高錳鋼在面對(duì)低沖擊情況的優(yōu)勢(shì)不再明顯，但高硬度材料的沖擊韌性較低，在復(fù)雜環(huán)境下使用安全性較低。使用液固結(jié)合法可以使高錳鋼和金屬陶瓷成功的結(jié)合在一起，延長(zhǎng)高錳鋼水韌處理過(guò)程中保溫時(shí)間可以減小高錳鋼的產(chǎn)生裂紋的傾向，使用金屬陶瓷對(duì)高錳鋼進(jìn)行強(qiáng)化可以提高超高錳鋼的耐磨性[6]。另外在超高錳鋼中鑲嵌硬質(zhì)合金的方法也可以提高超高錳鋼的耐磨性，硬質(zhì)相的存在會(huì)抵抗磨粒的磨損，使復(fù)合材料的耐磨性比高錳鋼提高了2.5倍[7]。

3 先進(jìn)高強(qiáng)汽車用鋼

1997年德國(guó)馬普所Gr?ssel和Frommeye等[8-9]學(xué)者在研究Fe-25Mn-3Si-3Al時(shí)發(fā)現(xiàn)大量形變孿生，首先提出孿生誘發(fā)塑性效應(yīng)的概念。隨之TWIP鋼的研究引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。利用低能態(tài)共格孿晶界強(qiáng)化和孿生增塑效應(yīng)來(lái)解決金屬材料強(qiáng)韌引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。TWIP鋼被認(rèn)為是第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼(advanced high strength steel)，具有高強(qiáng)度(600MPa～1100MPa)、高塑性(延伸率50%-95%)、高的應(yīng)變硬化性、高的能量吸收能力和良好的低溫性能，其強(qiáng)塑積大于50000MPa%，是普通DP鋼、TRIP鋼的兩倍以上，是一種理想的汽車用抗沖擊結(jié)構(gòu)材料和吸能材料，可應(yīng)用于汽車、軍工、航空、石油開(kāi)采等領(lǐng)域。

高強(qiáng)、高塑的TWIP鋼已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視，在汽車領(lǐng)域開(kāi)展大量的研究，隨著TWIP鋼理論不斷完善，成分體系和制備工藝不斷成熟，已具備工業(yè)化生產(chǎn)條件，正在由實(shí)驗(yàn)室研發(fā)走向批量生產(chǎn)與應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外大型鋼鐵公司和汽車廠，如安賽樂(lè)米塔爾、德國(guó)蒂森和韓國(guó)浦項(xiàng)以及我國(guó)寶鋼、鞍鋼都已經(jīng)開(kāi)始批量試制TWIP鋼產(chǎn)品，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

表1 部分TWIP鋼的成分、層錯(cuò)能、晶粒尺寸及制備工藝(*為文獻(xiàn)圖中讀取)

圖3 TWIP鋼的研究歷程及近況(合金編號(hào)同表1，部分?jǐn)?shù)據(jù)由文獻(xiàn)圖中讀取)

表1和圖3是國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中部分?jǐn)?shù)據(jù)的匯總，研究表明層錯(cuò)能為20-50mJ/m2的奧氏體高錳鋼可以獲得TWIP效應(yīng)，目前開(kāi)發(fā)了多種成分體系，有學(xué)者將其分為三代，第一代是Gr?ssel等研究的Fe-25Mn-3Si-3Al，具有很高的塑性和中等的抗拉強(qiáng)度，但Al、Si含量高，不利于澆鑄和鍍層；為此開(kāi)發(fā)了Fe-Mn-C第二代TWIP鋼，碳含量提高，強(qiáng)度明顯增加，延伸率有所降低，但遇到延遲開(kāi)裂問(wèn)題；第三代TWIP鋼是在Fe-Mn-C基礎(chǔ)上加入Al、Nb、V、Ti、Mo、Cu、P、Pd和RE等進(jìn)行合金化或微合金化，加Al和RE可以抑制TWIP鋼的延遲開(kāi)裂，第三代TWIP鋼是重要的發(fā)展方向。TWIP鋼加入大量的Mn，在室溫下獲得單相奧氏體，沒(méi)有固態(tài)相變，因此未經(jīng)過(guò)固態(tài)轉(zhuǎn)變和再結(jié)晶的TWIP鋼晶粒十分粗大，加入Nb、V、Ti微合金化，并與控軋控冷工藝相結(jié)合，可以顯著細(xì)化奧氏體晶粒，達(dá)到幾個(gè)微米(如表1)。TWIP鋼的生產(chǎn)工藝包括熱軋、冷軋和再結(jié)晶退火，熱軋TWIP鋼同樣具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

德國(guó)和韓國(guó)在TWIP鋼研究方面處于世界前列，國(guó)內(nèi)的北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、中科院金屬所、上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、燕山大學(xué)、福州大學(xué)、中北大學(xué)等也開(kāi)展了這方面的研究工作。

4 形狀記憶合金

Fe-Mn-Si系形狀記憶合金的形狀記憶特性是由于FCC?HCP相界面可逆運(yùn)動(dòng)所致，在晶體學(xué)上也存在可逆性。從理論上講，在FCC?HCP界面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力和溫度所提供的相變驅(qū)動(dòng)力對(duì)γ→ε馬氏體相變的作用是等效的，由此可以推斷，F(xiàn)e-Mn-Si形狀記憶合金在外界應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變后，對(duì)之再施加于反向應(yīng)力時(shí)，合金的FCC/HCP界面就會(huì)反向開(kāi)動(dòng)沿著正相變的反方向逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄪W氏體，即在機(jī)械力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生了ε→γ馬氏體逆相變。因此，F(xiàn)e-Mn-Si形狀記憶合金在交變應(yīng)力作用下將發(fā)生γ→ε馬氏體相變及其逆相變并伴隨著相變變形。

近年來(lái)，F(xiàn)e-Mn-Si基形狀記憶合金的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了引人注目的進(jìn)展。它的可回復(fù)應(yīng)變和回復(fù)應(yīng)力有較大幅度的增加，綜合性能有了明顯的改善。對(duì)該合金系的形狀記憶原理的深入研究為進(jìn)一步提高該合金系的性能和降低該合金系的制造成本指明了方向。新的含NbC/VN沉淀，無(wú)需訓(xùn)練的形狀記憶合金大大降低了加工成本，提高了性價(jià)比，應(yīng)用范圍日益拓展。完全可以相信，F(xiàn)e-Mn-Si在不久的未來(lái)會(huì)是形狀記憶合金中的佼佼者，成為廉價(jià)物美的智能材料。

新日鐵經(jīng)過(guò)多年研究和開(kāi)發(fā)，于上世紀(jì)九十年代成功開(kāi)發(fā)出Fe-32Mn-6Si和Fe-28Mn-6Si-5-Cr兩種鐵基形狀記憶合金，價(jià)格要比常規(guī)鎳鈦形狀記憶合金低幾十倍，屬于高錳鋼系列合金，具有高強(qiáng)度[23]。

5 其他領(lǐng)域

除了以上幾點(diǎn)發(fā)展方向之外，高錳鋼還被用于做低溫材料，浦項(xiàng)與韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院聯(lián)合研制出了大容量 LNG(液化天然氣)貯藏罐，其材質(zhì)是由浦項(xiàng)研發(fā)的高錳鋼，貯藏量為 20000m3，與現(xiàn)有貯藏罐 1000m3的貯藏量相比，提高了 20 倍[24]。

被用作無(wú)磁鋼的Fe-Mn-C系奧氏體鋼，是由Mn、C穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，Al抑制γ→ε馬氏體相變，可以代替1Cr18Ni9Ti及有色合金用于變壓器、磁選機(jī)及電機(jī)等電氣設(shè)備中不導(dǎo)磁部件的制造。廣泛應(yīng)用于大中型變壓器、電磁鐵、除鐵器、磁選機(jī)、選礦設(shè)備等軍民無(wú)磁結(jié)構(gòu)材料。

此外，還有相關(guān)研究表明，高錳鋼可有效吸收部分震動(dòng)能量，2015 年 6 月，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司成功開(kāi)發(fā)出樓層地板專用的高錳鋼，可以有效減少樓層間的噪音污染，比普通鋼材防震性能高 10 倍以上[25]。

6 結(jié)論和展望

近些年來(lái)，高錳鋼在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面日益得到重視。作為一種存在了一百多年的古老鋼種，在多數(shù)領(lǐng)域，尤其是耐磨領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域，仍然擁有廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)其許多機(jī)理性的東西依然有待進(jìn)一步研究，國(guó)內(nèi)外有許多研究機(jī)構(gòu)和科研人員在高錳鋼成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等方面做了大量工作，提高了高錳鋼的加工硬化能力、耐磨性以及加工性能，同時(shí)又將高錳鋼的應(yīng)用領(lǐng)域拓展到功能材料的領(lǐng)域。相信不斷隨著理論的突破，這一古老鋼種會(huì)煥發(fā)出更強(qiáng)的活力。