影響高錳鋼力學(xué)性能的幾個(gè)因素

　　摘要：論述了影響高錳鋼力學(xué)性能的因素有碳化物、夾雜物、化學(xué)成分、晶粒度。經(jīng)實(shí)踐摸索，我們認(rèn)為碳化物、夾雜物是影響高錳鋼力學(xué)性能的主要因素，在檢驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制。根據(jù)我廠實(shí)際情況，對(duì)成分控制比較嚴(yán)格，一般都能達(dá)到成分要求，所以對(duì)性能影響也不會(huì)太大。當(dāng)不存在穿晶現(xiàn)象時(shí)，晶粒度對(duì)高錳鋼的力學(xué)性能影響較小，在檢驗(yàn)過(guò)程中可做為一般檢驗(yàn)項(xiàng)目。

　　高錳鋼是歷史最悠久，也是世界各國(guó)通用的一種抗磨鋼。這種鋼適用于在重力沖擊或擠壓的工作條件下經(jīng)受摩擦的零件，這種奧氏體鋼具有加工硬化性質(zhì)，在沖擊或重力擠壓下，其表層發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，硬度比原來(lái)大幅提高，可達(dá)到450～550HBW，而沖擊韌度相應(yīng)有所降低。這種具有高硬度的表層使鑄件具有良好的抗磨性，至于鑄件的內(nèi)部則由于沒(méi)有受到加工硬化，仍舊保持其原有的硬度和良好的韌性。當(dāng)鑄件的工作表面被磨掉一層后，顯露出來(lái)的新的一層又被加工硬化，而同樣獲得了高的硬度，由于表層具有高硬度而內(nèi)部具有良好的韌性這兩方面很好的結(jié)合，所以鐵路道岔中高錳鋼轍叉鑄件就是利用這一特性制造的。為了保證高錳鋼的這種力學(xué)性能，必須嚴(yán)格檢查其關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)，使產(chǎn)品保質(zhì)保量，避免生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)廢品。

　　一、高錳鋼的鑄態(tài)組織

　　含wMn=10% ～14% 、wC = 0.9 % ～1.4%的鋼，在900 以上時(shí)，具有單一奧氏體組織，當(dāng)溫度降低到約900℃以下時(shí)將有碳化物(FeM) 3C析出，當(dāng)溫度繼續(xù)下降至620℃左右時(shí)，開(kāi)始共析轉(zhuǎn)化，并一直持續(xù)到約300℃時(shí)終了，在這樣平衡條件下得到的金相組織為鐵素體和碳化物。但在鑄造條件下，高錳鋼結(jié)晶過(guò)程中的冷卻速度大于平衡條件，因此組織轉(zhuǎn)變不能按平衡條件進(jìn)行，而是共析轉(zhuǎn)化來(lái)不及發(fā)生，得到的金相組織是由奧氏體和碳化物組成的。

　　二、對(duì)影響高錳鋼力學(xué)性能的因素探討

　　1. 碳化物對(duì)高錳鋼性能的影響

　　由表1數(shù)據(jù)可看出，無(wú)論是構(gòu)成網(wǎng)狀的析出碳化物還是>3塊的未熔碳化物，對(duì)高錳鋼力學(xué)性能的影響非常大，使其沖擊值及抗拉強(qiáng)度大大降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，Rm≥750 MPa ，aK ≥147J/cm2 ，所以，碳化物會(huì)嚴(yán)重影響高錳鋼的力學(xué)性能，在檢查時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制。

　　2. 非金屬夾雜物對(duì)高錳鋼性能的影響

　　由以上數(shù)據(jù)可看出，碳化物不僅影響高錳鋼的力學(xué)性能，非金屬夾雜物的含量對(duì)鋼的性能也有顯著影響。高錳鋼由于會(huì)產(chǎn)生大量的錳，因而在鋼液中會(huì)產(chǎn)生大量的氧化錳(MnO) ，由于氧化錳在鋼液中的溶解度很大，而在固態(tài)鋼中的溶解度極小，因此在鋼液凝固時(shí)，大量的氧化錳以非金屬夾雜物的形式析出在鋼的周界上，降低鋼的沖擊韌度，并使鑄件的熱裂紋傾向增大。因?yàn)樵谝睙捀咤i鋼時(shí)，要求鋼液脫氧良好，盡量降低鋼液中氧化錳的含量。另外，由于非金屬夾雜物的強(qiáng)度和塑性都很低，它們?cè)阡撘褐械淖饔糜腥缈斩椿蛄鸭y一樣，割裂鋼的本體，降低鋼的性能。非金屬夾雜物越多，對(duì)鋼的本體割裂作用越大，顯著降低鋼的性能，且隨著鋼中夾雜物數(shù)量的增多，鋼的性能大幅降低。

　　在冶煉過(guò)程中，要盡量減少夾雜物的產(chǎn)生，只有夾雜物含量少，才能得到較高的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度。因?yàn)閷?duì)高錳鋼進(jìn)行檢查時(shí)，必須對(duì)高錳鋼的夾雜物做認(rèn)真細(xì)致的分析，把其做為檢驗(yàn)的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)，從而提高高錳鋼的性能。

　　3. 化學(xué)成分的選擇及對(duì)高錳鋼性能的影響

　　( 1) 含碳量和含錳量 鋼中含碳量過(guò)低時(shí)，不足以產(chǎn)生有效的加工硬化效果; 而當(dāng)碳含量過(guò)高時(shí)，又會(huì)在鑄態(tài)中出現(xiàn)大量的碳化物，特別是出現(xiàn)粗大的碳化物，因此為了避免析出碳化物，必須控制含碳量不得過(guò)高。為了保證高錳鋼的性能，必須有足夠的含錳量。含錳量過(guò)低時(shí)不能形成單一的奧氏體組織; 而過(guò)高的含錳量也是不必要的，生產(chǎn)中一般規(guī)定，wMn控制在11.0 %～14.0% ，wC 控制在0.9 % ～1.3% 。應(yīng)該指出的是，含錳量與含碳量之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拇钆�，即�?yīng)有適宜的錳碳比，一般控制在Mn/C≈10 。

　　( 2) 含硅量 高錳鋼中wSi 的規(guī)格含量為0.3% ～0.8% ，硅會(huì)降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，使鋼的耐磨性和沖擊韌度降低，因此硅量應(yīng)控制在規(guī)格下限。

　　( 3) 含磷量 高錳鋼的規(guī)格含量為wP≤0.7% ，熔煉高錳鋼時(shí)，由于錳鐵的含磷量較高，因此一般情況下鋼中的含磷量也比較高。因?yàn)榱讜?huì)降低鋼的沖擊韌度并使鑄件容易開(kāi)裂，所以應(yīng)盡量降低鋼的含磷量。

　　( 4) 含硫量 高錳鋼的規(guī)格要求wS≤0.05% ，高錳鋼因?yàn)楹�錳量高，使鋼中大部分的硫與錳在熔煉過(guò)程中相互化合而形成硫化錳(MnS) 而進(jìn)入爐渣中，因而鋼中的硫含量經(jīng)常是較低的(一般不超過(guò)0. 03%) ，因此，在高錳鋼中硫的有害作用比磷高。綜上所述，因化學(xué)成分對(duì)高錳鋼的性能有很大影響，所以在生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制。

　　4. 晶粒度對(duì)高錳鋼力學(xué)性能的影響

　　( 1) 晶粒長(zhǎng)大原理 奧氏體剛剛形成之后，起始晶粒一般均很細(xì)小，而且也不均勻，界面彎曲且界面積大、界面能高。從熱力學(xué)分析，界面能越高，則界面越不穩(wěn)定，必然要自發(fā)地向減小晶界面積、降低界面能的方向發(fā)展。就量說(shuō)，小晶粒合并成大晶粒，彎曲界面變成平直晶界是一種自發(fā)過(guò)程。

　　晶粒長(zhǎng)大也是一種自發(fā)過(guò)程，它是由大晶粒吞并小晶粒的不均勻長(zhǎng)大和大晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大兩個(gè)階段組成的，主要表現(xiàn)為晶界的移動(dòng)，高度彌散難熔的非金屬或金屬化合物顆粒對(duì)晶粒長(zhǎng)大起很大抑制作用，為了獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，必須要保證鋼中的有足夠數(shù)量和足夠細(xì)小難熔的第二相顆粒。

　　總而言之，晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程，就是小晶粒吞并成長(zhǎng)為大晶粒，以及彎曲界面變成平直晶界面的過(guò)程。由于高錳鋼是一種本質(zhì)粗晶粒鋼，它長(zhǎng)大的傾向較大，一般在鑄態(tài)情況下，它的晶粒都較粗大。

　　( 2) 關(guān)于高錳鋼晶粒細(xì)化的問(wèn)題 用Al 脫氧的鋼，晶粒長(zhǎng)大傾向小，屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，而用Si 、Mn 脫氧的鋼，晶粒長(zhǎng)大傾向大，一般屬于本質(zhì)粗晶粒鋼，高錳鋼就是用Si 、Mn 脫氧的鋼，因此高錳鋼屬于本質(zhì)粗晶粒鋼。

　　由于高錳鋼在凝固以后的降溫過(guò)程中沒(méi)有二次結(jié)晶即在固態(tài)下沒(méi)有相變，因此不可能通過(guò)熱處理的方式來(lái)細(xì)化晶粒，因此解決高錳鋼的晶粒粗大問(wèn)題只能從鋼的一次結(jié)晶過(guò)程中求得解決，即要求在鑄態(tài)下得到細(xì)晶粒組織。細(xì)化高錳鋼的途徑一般有以下幾種：

　　一是孕育處理。往鋼中加入鈦、鋯、鈮和釩等元素作為生核劑( 孕育劑) 。這些元素與鋼中的碳和氮化合而成碳化物和氮化物。這些碳化物和氮化物在鋼的結(jié)晶過(guò)程中能起到外來(lái)核心的作用，因而能使鋼的晶粒細(xì)化。但生產(chǎn)中使用這些元素的價(jià)格比較昂貴，且這些元素做核心起化合物作用還需具備一些條件，所以一般都不被采納。

　　二是采用金屬型或冷鐵激冷。用金屬型鑄造或用冷鐵激冷的局部，有助于在鑄件的表層得到較細(xì)的晶粒，但對(duì)于厚大鑄件的中心部分的作用則并不顯著。

　　三是控制澆注溫度。澆注溫度對(duì)高錳鋼晶粒度大小有一定的影響，但會(huì)受一定的限制，即必須保證在鋼液充滿(mǎn)鑄型的條件下，才能采用較低溫度。根據(jù)實(shí)際情況，工廠生產(chǎn)工藝都是一定的，所以一般情況下澆注溫度也是一定的，如在我廠的生產(chǎn)工藝情況下得到的高錳鋼的晶粒等級(jí)都在1 ～3 級(jí)范圍內(nèi)。

　　根據(jù)以上分析可以看出，由于高錳鋼是本質(zhì)粗晶粒鋼，采用的幾種細(xì)化晶粒的途徑對(duì)高錳鋼來(lái)說(shuō)都不是特別有效，因此細(xì)化高錳鋼的晶粒度是有一定困難的，雖然加入一些合金元素能夠細(xì)化晶粒，但價(jià)格較昂貴、成本較高。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　根據(jù)以上分析，我們可以看出, 碳化物、夾雜物對(duì)高錳鋼力學(xué)性能的影響很，檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制, 化學(xué)成分一般控制都很?chē)?yán)格， 對(duì)高錳鋼力學(xué)性能不會(huì)有太大影響。因高錳鋼晶粒度對(duì)高錳鋼力學(xué)性能的影響較小，所以高錳鋼晶粒度達(dá)到一級(jí)就可以了，在檢驗(yàn)過(guò)程中不需對(duì)晶粒度等級(jí)進(jìn)行嚴(yán)格控制。(end)

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