淺析化學成分對高錳鋼性能的影響

[摘 要] 本文通過分析，論證了高錳鋼基本組成成份及合金元素對其性能的影響，為高錳鋼性能的改善奠定了理論基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 高錳鋼 成分 合金元素 性能

近年來，盡管已研制了好多種耐磨材料，但是最古老的一種高合金耐磨材料——高錳鋼，由于具有優(yōu)異的耐磨性及良好的韌性，在冶金、礦山、建筑、鐵道、軍工等部門得到了廣泛的應(yīng)用。

一、基本組成成份對高錳鋼性能的影響

1.碳:是高錳鋼的主要元素之一。碳能穩(wěn)定合金中的奧氏體，在快速冷卻時使奧氏體保留到室溫，而呈單相奧氏體組織，隨著碳含量的增加，碳的固溶強化作用增加，提高了高錳鋼的強度，硬度和耐磨性。碳含量繼續(xù)增加，高錳鋼鑄態(tài)組織中碳化物量增多，雖經(jīng)固溶(水韌)處理，可將大多數(shù)碳化物溶入奧氏體中，但由于碳化物和奧氏體比容的差別，使得固溶后的高錳鋼中存在超顯微的孔洞缺陷，致使密度下降，影響了高錳鋼的性能。當水韌處理后高錳鋼奧氏體中殘存碳化物較多，或沿晶界分布使其韌性大大下降。

對非強沖擊磨損條件下工作的高錳鋼(高錳鋼使用后殘體HBS＜400時稱為非強沖擊磨損），少量殘余碳化物對抵抗磨損有利，但對強沖擊磨料磨損條件下工作的零件，則采用較低碳含量為宜。選擇合適的碳量除與工況條件有關(guān)，還與工件的形狀、大小及鑄造工藝有關(guān)，例如大斷面和尺寸不規(guī)則的零件含碳量應(yīng)低些，砂型鑄造的因冷速慢，容易造成鑄態(tài)組織中出現(xiàn)大量碳化物，不利重新加熱時的溶入奧氏體中，含碳量也應(yīng)低些。一般，碳含量控制在0.9％～1.4%范圍內(nèi)，但在某些情況下，采用了含碳量較高的高錳鋼，現(xiàn)在已被采用的含碳1.5％～1.9％的高碳高錳就是一個例子。

2.錳:是高錳鋼中主要成份，它擴大合金的γ相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，并降低Ms點，使高錳鋼奧氏體組織能保持到室溫，錳在鋼中除固溶于奧氏體外，另一部分存于（Fe、Mn）C型碳化物中，錳含量增加，強度、沖擊韌性提高，這和錳增加晶間結(jié)合力有關(guān)。錳含量高時使鋼的導熱性降低容易得到穿晶組織，影響高錳鋼的性能，這是我們不希望的。為了獲得較好的綜合機械性能，一般確定當碳在0.9％～1.5%時，錳選取在11％～14%。

錳含量的多少，主要由工況條件、鑄件結(jié)構(gòu)等方面決定。大斷面和結(jié)構(gòu)復雜的鑄件含錳量應(yīng)高些，用于強烈沖擊的鑄件，含錳量也應(yīng)該高些。

此外，高錳鋼中主要成份的配合——錳碳比也影響到鋼的性能，當Mn/C＜8時，高錳鋼經(jīng)常規(guī)熱處理后，碳化物不能全部溶入奧氏體，因此，為保證單相奧氏體存在，過去不少國家要求Mn/C＞9.5～10。現(xiàn)在實踐表明，根據(jù)不同工況可以選擇不同的錳碳比，對非強烈沖擊磨損則采用高碳和低錳碳比，例如高碳高錳鋼。對強烈沖擊磨損則采用低碳和高錳碳比的鋼，如大錘頭用的超高錳鋼。

3.硅:硅主要是做為脫氧劑帶入，強化固溶體的作用，使屈服強度提高，但它封閉γ相區(qū)，并促進石墨化，當硅＞0.6％時，不僅易使高錳鋼產(chǎn)生粗晶，而且降低碳在奧氏體中的溶解度，促進碳化物沿晶界析出，降低鋼的韌性及耐磨性，增加鋼的熱裂傾向，因此硅往往控制在0.3％～0.6％，但當要求鋼水有較好的流動性時，硅量可稍許增加，同時使晶界狀況改善。我國標準中根據(jù)不同要求，硅被要求在0.3％～0.8％和0.3％～1.0％。

4.硫：高錳鋼中由于錳的存在，生成了硫化錳，并進入溶渣，因此生產(chǎn)中硫一般能達到小于0.02％，完全可以達到標準要求。

5.磷：磷在奧氏體中溶解度很小，主要是與鐵、錳形成共晶磷化物，并在晶界析出，它易引起鑄件熱裂、降低機械性能、損害耐磨性，嚴重時可在工作中斷裂，例如含磷0.12％的高錳鋼用來制造圓錐式破碎機襯板，其壽命僅為含磷0.038％高錳鋼壽命的50％。

磷還能促進碳、錳元素的偏析，因而必須盡量降低磷含量，前蘇聯(lián)有的資料提出最好降至0.04％以下，我國標準規(guī)定磷含量≤0.07％～0.09％，對一些重要件控制P＜0.06％。

實驗中發(fā)現(xiàn)，即使P＜0.06％的高錳鋼在水韌后，80mm厚試件心部有磷化物存在。在水韌處理過程中，如果加熱溫度過高，在組織中也會新產(chǎn)生磷共晶。

二、合金元素在高錳鋼中的作用

1.鉻：鉻是我國目前在高錳鋼中應(yīng)用的較多的元素，在冀東水泥廠引進日本的設(shè)備中，以及柳州水泥廠引進的丹麥設(shè)備中，都有加鉻高錳鋼耐磨件，是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的元素。

水韌處理后高錳鋼中的鉻大部分都溶入奧氏體中，使其穩(wěn)定性提高，同時又促使碳化物在冷卻時加快析出。鉻固溶在奧氏體后，可使鋼的屈服強度提高，延伸率下降和沖擊韌性下降。鑄態(tài)時鉻增加鋼中碳化物量，其析出較快，并往往在晶界上形成連續(xù)的網(wǎng)狀分布，在重新加熱時溶入奧氏體較難，不易得到單相奧氏體，因此水韌加熱溫度需較標準高錳鋼提高30℃～50℃。加鉻高錳鋼在強沖擊磨損時耐磨性提高，因此可做軋臼壁、鏟齒、錘頭等。對非強沖擊磨料磨損時，耐磨性提高不多，國外有的將其做磨頭襯板，而國內(nèi)生產(chǎn)的水泥磨上襯板還利用它提高屈服極限后減少使用中的變形。

2.鉬:國外應(yīng)用較多，國內(nèi)也逐漸使用。鉬和鐵結(jié)合力較強，鉬原子尺寸較大擴散速度小，因此在加鉬鑄態(tài)高錳鋼中，碳化物析出量減少，奧氏體晶界上不再呈現(xiàn)網(wǎng)狀。鉬還使鋼中針狀碳化物析出減慢，析出溫度下移，這些有利作用提高了高錳鋼鑄態(tài)下的強度和塑性，也恰好彌補了鉻元素的不足之處，因此在加鉻高錳鋼中加入鉬元素是有益的。鉬的價格較高，加入量的多少要經(jīng)試驗，以取得最佳經(jīng)濟效益。

水韌處理后，鉬固溶于奧氏體中，推遲奧氏體分解，還可用沉淀強化處理方法，奧氏體中析出彌散的碳化物，能提高高錳鋼的耐磨性。

3.釩：釩也是廣泛使用的元素之一，它是很強的碳化物形成元素，其碳化物硬度高達HV2000，熔點是2830℃，釩也可形成VN熔點達2300℃，它們在鋼水結(jié)晶時能做為核心，細化鑄態(tài)組織，是一種有效的變質(zhì)劑。固態(tài)加熱時，釩的化合物可以阻止晶界移動，抑制晶粒長大，細化高錳鋼的組織，能提高鋼的原始硬度和屈服強度。水韌處理后，釩可溶入奧氏體，也可用沉淀強化的方法析出彌散的碳化物。以提高鋼的耐磨性。在低沖擊磨料磨損條件下和高沖擊磨料磨條件下，含釩高錳鋼都表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

4.鈦：鈦是強碳化物形成元素，碳化鈦熔點高達3140℃，可做為結(jié)晶核心來細化晶粒，使晶粒度可減小1～2級，也可消除高錳鋼中柱狀晶，提高鋼的機構(gòu)性能和耐磨性。

鈦的加入量與工況條件有關(guān)，在高沖擊磨損時用低含量，而對低沖擊磨損可適當提高，一般控制在0.1％～1.5％，和鉻元素一起強化了高錳鋼，使壽命提高了50％以上。鈦價格較低，使用量又少，因此可以推廣使用，尤其在V、Ti同時加入時效果更佳，它們能增加加工硬化層厚度和鋼的加工硬化能力，例如對鏟齒殘體分析時發(fā)現(xiàn)，標準高錳鋼為HV400，而含釩、鈦的達到HV550。

5.稀土元素：它有凈化鋼水作用，使夾雜物數(shù)量減少，尺寸減少一半，它還減少高錳鋼鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量，使晶界碳化物成為不連續(xù)的團塊狀，并使針狀碳化物明顯減少，它的碳化物溶點高，可使鑄態(tài)組織細化和減少柱狀晶。

稀土元素還改善高錳鋼工藝性能，提高鋼水流動性，減小鋼件熱裂和冷裂傾向，提高鋼的加工硬化能力。如果鈦和稀土元素共同加入可使高錳鋼板錘壽命提高30％，但稀土用量必經(jīng)控制，否則會造成相反效果。

三、為了提高力學性能，高錳鋼化學成份的改進及應(yīng)用情況

1.高碳高錳鋼:為了提高低沖擊磨損條件下的耐磨性，合肥水泥研究院研制了GTMn-A與GTMn-B鋼，制造襯板后壽命較標準高錳鋼提高40℃～100℃。

2.低碳高錳鋼:適用于厚大、結(jié)構(gòu)復雜和容易產(chǎn)生裂紋的鑄件，研制了15Mn13鋼，為了減少碳化物，降低了硅含量，其在鑄態(tài)下保持單相奧氏體，雖然強度較低，但加工硬化能力高，在某些條件下表現(xiàn)出更高的耐磨性。此外還有促進馬氏體轉(zhuǎn)變的亞穩(wěn)奧氏體錳鋼，如50Cr2Mn14、60Cr5Mn12、55Cr5Mn9等。

3.中錳鋼:標準高錳鋼塑、韌性很高，很多情況下超過了需要，可適當降低。經(jīng)試驗將錳降至6％～9％，在低沖擊磨損情況下耐磨性可能超過高錳鋼。常用有Mn6Mo、MnCr2。吉林工業(yè)大學研制的C1.4Mn6-7Cr2Ti0.1-0.2，經(jīng)水韌、時效使打擊板壽命提高60％。

4.超高錳鋼：為了對付強沖擊磨損的厚大件，唐山水泥機械廠在吸取國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上研制了超高錳鋼，使錳碳比達到17，試制的冀東水泥廠MB70/90錘式破碎機上的大錘頭經(jīng)試驗，壽命基本接近和達到西德同類產(chǎn)品水平。

5.改進型高錳鋼：國內(nèi)大都為加入Mn、Ti、Cr、V等元素。