影响高锰钢力学性能的几个因素

影响高锰钢力学性能的几个因素【摘要】论述了影响高锰钢力学性能的因素有碳化物、夹杂物、化学成分、晶粒度。经实践摸索，我们认为碳化物、夹杂物是影响高锰钢力学性能的主要因素，在检验过程中应严格控制。根据我厂实际情况，对成分控制比较严格，一般都能达到成分要求，所以对性能影响也不会太大。当不存在穿晶现象时，晶粒度对高锰钢的力学性能影响较小，在检验过程中可做为一般检验项目。高锰钢是历史最悠久，也是世界各国通用的一种抗磨钢。这种钢适用于在重力冲击或挤压的工作条件下经受摩擦的零件，这种奥氏体钢具有加工硬化性质，在冲击或重力挤压下，其表层发生加工硬化现象，硬度比原来大幅提高，可达到450～550HBW，而冲击韧度相应有所降低。这种具有高硬度的表层使铸件具有良好的抗磨性，至于铸件的内部则由于没有受到加工硬化，仍旧保持其原有的硬度和良好的韧性。当铸件的工作表面被磨掉一层后，显露出来的新的一层又被加工硬化，而同样获得了高的硬度，由于表层具有高硬度而内部具有良好的韧性这两方面很好的结合，所以铁路道岔中高锰钢辙叉铸件就是利用这一特性制造的。为了保证高锰钢的这种力学性能，必须严格检查其关键项点，使产品保质保量，避免生产过程中出现废品。一、高锰钢的铸态组织含Mn=11％～14％、C=0.9％～1.4％的钢，在900℃以上时，具有单一奥氏体组织，当温度降低到约900℃以下时将有碳化物Fe3C析出，当温度继续下降至620℃左右时，开始共析转化，并一直持续到约300℃时终了，在这样平衡条件下得到的金相组织为铁素体和碳化物。但在铸造条件下，高锰钢结晶过程中的冷却速度大于平衡条件，因此组织转变不能按平衡条件进行，而是共析转化来不及发生，得到的金相组织是由奥氏体和碳化物组成的。二、对影响高锰钢力学性能的因素探讨1.碳化物对高锰钢性能的影响：无论是构成网状的析出碳化物还是未熔碳化物，对高锰钢力学性能的影响非常大，使其冲击值及抗拉强度大大降低，远远低于标准规定的数值，Rm≥750MPa，ak≥147j/cm²，所以，碳化物会严重影响高锰钢的力学性能，在检查时应严格控制。2.非金属夹杂物对高锰钢性能的影响：碳化物不仅影响高锰钢的力学性能，非金属夹杂物的含量对钢的性能也有显著影响。高锰钢由于含大量的锰，因而在钢液中会产生大量的氧化锰(MnO)，由于氧化锰在钢液中的溶解度很大，而在固态钢中的溶解度极小，因此在钢液凝固时，大量的氧化锰以非金属夹杂物的形式析出在钢的晶界上，降低钢的冲击韧度，并使铸件的热裂纹倾向增大。因为在冶炼高锰钢时，要求钢液脱氧良好，尽量降低钢液中氧化锰的含量。另外，由于非金属夹杂物的强度和塑性都很低，它们在钢液中的作用有如空洞或裂纹一样，割裂钢的本体，降低钢的性能。非金属夹杂物越多，对钢的本体割裂作用越大，显著降低钢的性能，且随着钢中夹杂物数量的增多，钢的性能大幅降低。在冶炼过程中，要尽量减少夹杂物的产生，只有夹杂物含量少，才能得到较高的抗拉强度和冲击韧度。因为对高锰钢进行检查时，必须对高锰钢的夹杂物做认真细致的分析，把其做为检验的关键项点，从而提高高锰钢的性能。3.化学成分的选择及对高锰钢性能的影响(1)含碳量和含锰量：钢中含碳量过低时，不足以产生有效的加工硬化效果；而当碳含量过高时，又会在铸态中出现大量的碳化物，特别是出现粗大的碳化物，因此为了避免析出碳化物，必须控制含碳量不得过高。为了保证高锰钢的性能，必须有足够的含锰量。含锰量过低时不能形成单一的奥氏体组织；而过高的含锰量也是不必要的，生产中一般规定，Mn控制在11.0％～14.0％，C控制在0.9％～1.4％。应该指出的是，含锰量与含碳量之间应有适当的搭配，即应有适宜的锰碳比，一般控制在Mn/C=10。(2)含硅量：高锰钢中Si的规格含量为0.3％～0.8％，硅会降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，使钢的耐磨性和冲击韧度降低，因此硅量应控制在规格下限。(3)含磷量：高锰钢的规格含量为P≤0.05％，熔炼高锰钢时，由于锰铁的含磷量较高，因此一般情况下钢中的含磷量也比较高。因为磷会降低钢的冲击韧度并使铸件容易开裂，所以应尽量降低钢的含磷量。(4)含硫量：高锰钢的规格要求S≤0.05％，高锰钢因为含锰量高，使钢中大部分的硫与锰在熔炼过程中相互化合而形成硫化锰(MnS)而进入炉渣中，因而钢中的硫含量经常是较低的(一般不超过0.03％)，因此，在高锰钢中磷的有害作用比硫高。综上所述，因化学成分对高锰钢的性能有很大影响，所以在生产中要严格控制。4.晶粒度对高锰钢力学性能的影响(1)晶粒长大原理：奥氏体刚刚形成之后，起始晶粒一般均很细小，而且也不均匀，界面弯曲且界面积大、界面能高。从热力学分析，界面能越高，则界面越不稳定，必然要自发地向减小品界面积、降低界面能的方向发展。就是说，小晶粒合并成大晶粒，弯曲界面变成平直晶界是一种自发过程。晶粒长大也是一种自发过程，它是由大晶粒吞并小晶粒的不均匀长大和大晶粒进一步长大两个阶段组成的，主要表现为晶界的移动，高度弥散难熔的非金属或金属化合物颗粒对晶粒长大起很大抑制作用，为了获得细小的奥氏体晶粒，必须要保证钢中的有足够数量和足够细小难熔的第二相颗粒。总而言之，晶粒长大的过程，就是小晶粒吞并成长为大晶粒，以及弯曲界面变成平直晶界面的过程。由于高锰钢是一种本质粗晶粒钢，它长大的倾向较大，一般在铸态情况下，它的晶粒都较粗大。(2)关于高锰钢晶粒细化的问题：用Al脱氧的钢，晶粒长大倾向小，属于本质细晶粒钢，而用Si、Mn脱氧的钢，晶粒长大倾向大，一般属于本质粗晶粒钢，高锰钢就是用Si、Mn脱氧的钢，因此高锰钢属于本质粗晶粒钢。由于高锰钢在凝固以后的降温过程中没有二次结晶即在固态下没有相变，因此不可能通过热处理的方式来细化晶粒，因此解决高锰钢的晶粒粗大问题只能从钢的一次结晶过程中求得解决，即要求在铸态下得到细晶粒组织。细化高锰钢晶粒的途径一般有以下几种：（1）孕育处理。往钢中加入钛、锆、铌和钒等元素作为生核剂(孕育剂)。这些元素与钢中的碳和氮化合而成碳化物和氮化物。这些碳化物和氮化物在钢的结晶过程中能起到外来核心的作用，因而能使钢的晶粒细化。但生产中使用这些元素的价格比较昂贵，且这些元素做核心起化合物作用还需具备一些条件，所以一般都不被采纳。（2）采用金属型或冷铁激冷。用金属型铸造或用冷铁激冷的局部，有助于在铸件的表层得到较细的晶粒，但对于厚大铸件的中心部分的作用则并不显著。（3）是控制浇注温度。浇注温度对高锰钢晶粒度大小有一定的影响，但会受一定的限制，即必须保证在钢液充满铸型的条件下，才能采用较低温度。根据实际情况，工厂生产工艺都是一定的，所以一般情况下浇注温度也是一定的，如在我厂的生产工艺情况下得到的高锰钢的晶粒等级都在1～3级范围内。根据以上分析可以看出，由于高锰钢是本质粗晶粒钢，采用的几种细化晶粒的途径对高锰钢来说都不是特别有效，因此细化高锰钢的晶粒度是有一定困难的，虽然加入一些合金元素能够细化晶粒，但价格较昂贵、成本较高。下面通过表3一些试验数据来研究一下晶粒度对高锰钢力学性能的影响程度。通过表3的试验数据可看出，高锰钢的晶粒度等级对高锰钢的性能影响不是很大，虽然个别值有较低的现象，但是这种情况的出现经计算不超过5％，可忽略不计。三、结语根据以上分析，我们可以看出，碳化物、夹杂物对高锰钢力学性能的影响很大，检验时应严格控制，化学成分一般控制都很严格，对高锰钢力学性能不会有太大影响。因高锰钢晶粒度对高锰钢力学性能的影响较小，所以高锰钢晶粒度达到一级就可以了，在检验过程中不需对晶粒度等级进行严格控制。