浅析化学成分对高锰钢性能的影响
作者 :  姬玉媛

  [摘 要] 本文通过分析,论证了高锰钢基本组成成份及合金元素对其性能的影响,为高锰钢性能的改善奠定了理论基础。
  [关键词] 高锰钢 成分 合金元素 性能
  
  近年来,尽管已研制了好多种耐磨材料,但是最古老的一种高合金耐磨材料――高锰钢,由于具有优异的耐磨性及良好的韧性,在冶金、矿山、建筑、铁道、军工等部门得到了广泛的应用。
  一、基本组成成份对高锰钢性能的影响
  1.碳:是高锰钢的主要元素之一。碳能稳定合金中的奥氏体,在快速冷却时使奥氏体保留到室温,而呈单相奥氏体组织,随着碳含量的增加,碳的固溶强化作用增加,提高了高锰钢的强度,硬度和耐磨性。碳含量继续增加,高锰钢铸态组织中碳化物量增多,虽经固溶(水韧)处理,可将大多数碳化物溶入奥氏体中,但由于碳化物和奥氏体比容的差别,使得固溶后的高锰钢中存在超显微的孔洞缺陷,致使密度下降,影响了高锰钢的性能。当水韧处理后高锰钢奥氏体中残存碳化物较多,或沿晶界分布使其韧性大大下降。
  对非强冲击磨损条件下工作的高锰钢(高锰钢使用后残体HBS<400时称为非强冲击磨损),少量残余碳化物对抵抗磨损有利,但对强冲击磨料磨损条件下工作的零件,则采用较低碳含量为宜。选择合适的碳量除与工况条件有关,还与工件的形状、大小及铸造工艺有关,例如大断面和尺寸不规则的零件含碳量应低些,砂型铸造的因冷速慢,容易造成铸态组织中出现大量碳化物,不利重新加热时的溶入奥氏体中,含碳量也应低些。一般,碳含量控制在0.9%~1.4%范围内,但在某些情况下,采用了含碳量较高的高锰钢,现在已被采用的含碳1.5%~1.9%的高碳高锰就是一个例子。
  2.锰:是高锰钢中主要成份,它扩大合金的γ相区,稳定奥氏体组织,并降低Ms点,使高锰钢奥氏体组织能保持到室温,锰在钢中除固溶于奥氏体外,另一部分存于(Fe、Mn)C型碳化物中,锰含量增加,强度、冲击韧性提高,这和锰增加晶间结合力有关。锰含量高时使钢的导热性降低容易得到穿晶组织,影响高锰钢的性能,这是我们不希望的。为了获得较好的综合机械性能,一般确定当碳在0.9%~1.5%时,锰选取在11%~14%。
  锰含量的多少,主要由工况条件、铸件结构等方面决定。大断面和结构复杂的铸件含锰量应高些,用于强烈冲击的铸件,含锰量也应该高些。
  此外,高锰钢中主要成份的配合――锰碳比也影响到钢的性能,当Mn/C<8时,高锰钢经常规热处理后,碳化物不能全部溶入奥氏体,因此,为保证单相奥氏体存在,过去不少国家要求Mn/C>9.5~10。现在实践表明,根据不同工况可以选择不同的锰碳比,对非强烈冲击磨损则采用高碳和低锰碳比,例如高碳高锰钢。对强烈冲击磨损则采用低碳和高锰碳比的钢,如大锤头用的超高锰钢。
  3.硅:硅主要是做为脱氧剂带入,强化固溶体的作用,使屈服强度提高,但它封闭γ相区,并促进石墨化,当硅>0.6%时,不仅易使高锰钢产生粗晶,而且降低碳在奥氏体中的溶解度,促进碳化物沿晶界析出,降低钢的韧性及耐磨性,增加钢的热裂倾向,因此硅往往控制在0.3%~0.6%,但当要求钢水有较好的流动性时,硅量可稍许增加,同时使晶界状况改善。我国标准中根据不同要求,硅被要求在0.3%~0.8%和0.3%~1.0%。
  4.硫:高锰钢中由于锰的存在,生成了硫化锰,并进入溶渣,因此生产中硫一般能达到小于0.02%,完全可以达到标准要求。
  5.磷:磷在奥氏体中溶解度很小,主要是与铁、锰形成共晶磷化物,并在晶界析出,它易引起铸件热裂、降低机械性能、损害耐磨性,严重时可在工作中断裂,例如含磷0.12%的高锰钢用来制造圆锥式破碎机衬板,其寿命仅为含磷0.038%高锰钢寿命的50%。
  磷还能促进碳、锰元素的偏析,因而必须尽量降低磷含量,前苏联有的资料提出最好降至0.04%以下,我国标准规定磷含量≤0.07%~0.09%,对一些重要件控制P<0.06%。
  实验中发现,即使P<0.06%的高锰钢在水韧后,80mm厚试件心部有磷化物存在。在水韧处理过程中,如果加热温度过高,在组织中也会新产生磷共晶。
  二、合金元素在高锰钢中的作用
  1.铬:铬是我国目前在高锰钢中应用的较多的元素,在冀东水泥厂引进日本的设备中,以及柳州水泥厂引进的丹麦设备中,都有加铬高锰钢耐磨件,是国内外广泛应用的元素。
  水韧处理后高锰钢中的铬大部分都溶入奥氏体中,使其稳定性提高,同时又促使碳化物在冷却时加快析出。铬固溶在奥氏体后,可使钢的屈服强度提高,延伸率下降和冲击韧性下降。铸态时铬增加钢中碳化物量,其析出较快,并往往在晶界上形成连续的网状分布,在重新加热时溶入奥氏体较难,不易得到单相奥氏体,因此水韧加热温度需较标准高锰钢提高30℃~50℃。加铬高锰钢在强冲击磨损时耐磨性提高,因此可做轧臼壁、铲齿、锤头等。对非强冲击磨料磨损时,耐磨性提高不多,国外有的将其做磨头衬板,而国内生产的水泥磨上衬板还利用它提高屈服极限后减少使用中的变形。
  2.钼:国外应用较多,国内也逐渐使用。钼和铁结合力较强,钼原子尺寸较大扩散速度小,因此在加钼铸态高锰钢中,碳化物析出量减少,奥氏体晶界上不再呈现网状。钼还使钢中针状碳化物析出减慢,析出温度下移,这些有利作用提高了高锰钢铸态下的强度和塑性,也恰好弥补了铬元素的不足之处,因此在加铬高锰钢中加入钼元素是有益的。钼的价格较高,加入量的多少要经试验,以取得最佳经济效益。
  水韧处理后,钼固溶于奥氏体中,推迟奥氏体分解,还可用沉淀强化处理方法,奥氏体中析出弥散的碳化物,能提高高锰钢的耐磨性。
  3.钒:钒也是广泛使用的元素之一,它是很强的碳化物形成元素,其碳化物硬度高达HV2000,熔点是2830℃,钒也可形成VN熔点达2300℃,它们在钢水结晶时能做为核心,细化铸态组织,是一种有效的变质剂。固态加热时,钒的化合物可以阻止晶界移动,抑制晶粒长大,细化高锰钢的组织,能提高钢的原始硬度和屈服强度。水韧处理后,钒可溶入奥氏体,也可用沉淀强化的方法析出弥散的碳化物。以提高钢的耐磨性。在低冲击磨料磨损条件下和高冲击磨料磨条件下,含钒高锰钢都表现出优良的性能。
  4.钛:钛是强碳化物形成元素,碳化钛熔点高达3140℃,可做为结晶核心来细化晶粒,使晶粒度可减小1~2级,也可消除高锰钢中柱状晶,提高钢的机构性能和耐磨性。
  钛的加入量与工况条件有关,在高冲击磨损时用低含量,而对低冲击磨损可适当提高,一般控制在0.1%~1.5%,和铬元素一起强化了高锰钢,使寿命提高了50%以上。钛价格较低,使用量又少,因此可以推广使用,尤其在V、Ti同时加入时效果更佳,它们能增加加工硬化层厚度和钢的加工硬化能力,例如对铲齿残体分析时发现,标准高锰钢为HV400,而含钒、钛的达到HV550。
  5.稀土元素:它有净化钢水作用,使夹杂物数量减少,尺寸减少一半,它还减少高锰钢铸态组织中碳化物数量,使晶界碳化物成为不连续的团块状,并使针状碳化物明显减少,它的碳化物溶点高,可使铸态组织细化和减少柱状晶。
  稀土元素还改善高锰钢工艺性能,提高钢水流动性,减小钢件热裂和冷裂倾向,提高钢的加工硬化能力。如果钛和稀土元素共同加入可使高锰钢板锤寿命提高30%,但稀土用量必经控制,否则会造成相反效果。
  三、为了提高力学性能,高锰钢化学成份的改进及应用情况
  1.高碳高锰钢:为了提高低冲击磨损条件下的耐磨性,合肥水泥研究院研制了GTMn-A与GTMn-B钢,制造衬板后寿命较标准高锰钢提高40℃~100℃。
  2.低碳高锰钢:适用于厚大、结构复杂和容易产生裂纹的铸件,研制了15Mn13钢,为了减少碳化物,降低了硅含量,其在铸态下保持单相奥氏体,虽然强度较低,但加工硬化能力高,在某些条件下表现出更高的耐磨性。此外还有促进马氏体转变的亚稳奥氏体锰钢,如50Cr2Mn14、60Cr5Mn12、55Cr5Mn9等。
  3.中锰钢:标准高锰钢塑、韧性很高,很多情况下超过了需要,可适当降低。经试验将锰降至6%~9%,在低冲击磨损情况下耐磨性可能超过高锰钢。常用有Mn6Mo、MnCr2。吉林工业大学研制的C1.4Mn6-7Cr2Ti0.1-0.2,经水韧、时效使打击板寿命提高60%。
  4.超高锰钢:为了对付强冲击磨损的厚大件,唐山水泥机械厂在吸取国外经验的基础上研制了超高锰钢,使锰碳比达到17,试制的冀东水泥厂MB70/90锤式破碎机上的大锤头经试验,寿命基本接近和达到西德同类产品水平。
  5.改进型高锰钢:国内大都为加入Mn、Ti、Cr、V等元素。

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