影響高錳鋼力學(xué)性能的幾個(gè)因素

1、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

2、，可達(dá)到 450550HBW，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Mn=11 %14%、C=0.9%1.4%的鋼，在900C以上時(shí)，具有單 一奧氏體組織，當(dāng)

3、溫度降低到約900C以下時(shí)將有碳化物Fe3C析出, 當(dāng)溫度繼續(xù)下降至 620 C左右時(shí)，開始共析轉(zhuǎn)化，并一直持續(xù)到約300 C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：無(wú)論是構(gòu)成網(wǎng)狀的析出碳化物還是未 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>750MPa, ak> 147j/

4、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：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。 高錳鋼由于含 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晶界上， 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

5、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，

6、 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， Mn控制在11.0%14.0%, C控制在0.9%1.4%。應(yīng)該 指出的是， 含錳量與含碳量之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拇钆洌?即應(yīng)有適宜的錳碳 比,一般控制在 Mn/C=10。(2) 含硅量：高錳鋼中 Si 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 P< 0.05%，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)

7、降低鋼的沖擊韌度并使鑄件容易開裂,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 S< 0.05%，高錳鋼因?yàn)楹i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，在高錳鋼中磷的有害作用比硫高。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)地向減小品界

8、面積、降低界 面能的方向發(fā)展。就是說(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

9、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)程中沒有二次結(jié)晶即在固態(tài)下 沒有相變， 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)化高錳鋼晶粒的途徑一般有以下幾種：（ 1）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

10、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。（2）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。（ 3）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13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。下面通過(guò)表 3 一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)研究一下晶粒度對(duì)高錳鋼力學(xué)性 能的影響程度。通過(guò)表 3 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出， 高錳鋼的晶粒度等級(jí)對(duì)高錳鋼的性 能影響不是很大， 雖然個(gè)別值有較低的現(xiàn)象， 但