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影響高錳鋼力學性能的幾個因素
摘要：論述了影響高錳鋼力學性能的因素有碳化物、夾雜物、化學成分、晶粒度。經實踐摸索，我們認為碳化物、夾雜物是影響高錳鋼力學性能的主要因素，在檢驗過程中應嚴格控制。根據我廠實際情況，對成分控制比較嚴格，一般都能達到成分要求，所以對性能影響也不會太大。當不存在穿晶現象時，晶粒度對高錳鋼的力學性能影響較小，在檢驗過程中可做為一般檢驗項目。
高錳鋼是歷史最悠久，也是世界各國通用的一種抗磨鋼。這種鋼適用于在重力沖擊或擠壓的工作條件下經受摩擦的零件，這種奧氏體鋼具有加工硬化性質，在沖擊或重力擠壓下，其表層發生加工硬化現象，硬度比原來大幅提高，可達到450～550HBW，而沖擊韌度相應有所降低。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。當鑄件的工作表面被磨掉一層后，顯露出來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部具有良好的韌性這兩方面很好的結合，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性能，必須嚴格檢查其關鍵項點，使產品保質保量，避免生產過程中出現廢品。
一、高錳鋼的鑄態組織
含wMn=10% ～14% 、wC = 0.9 % ～1.4%的鋼，在900 以上時，具有單一奧氏體組織，當溫度降低到約900℃以下時將有碳化物(FeM) 3C析出，當溫度繼續下降至620℃左右時，開始共析轉化，并一直持續到約300℃時終了，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，高錳鋼結晶過程中的冷卻速度大于平衡條件，因此組織轉變不能按平衡條件進行，而是共析轉化來不及發生，得到的金相組織是由奧氏體和碳化物組成的。
二、對影響高錳鋼力學性能的因素探討
1. 碳化物對高錳鋼性能的影響
由表1數據可看出，無論是構成網狀的析出碳化物還是>3塊的未熔碳化物，對高錳鋼力學性能的影響非常大，使其沖擊值及抗拉強度大大降低，遠遠低于標準規定的數值，Rm≥750 MPa ，aK ≥147J/cm2 ，所以，碳化物會嚴重影響高錳鋼的力學性能，在檢查時應嚴格控制。
2. 非金屬夾雜物對高錳鋼性能的影響
由以上數據可看出，碳化物不僅影響高錳鋼的力學性能，非金屬夾雜物的含量對鋼的性能也有顯著影響。高錳鋼由于會產生大量的錳，因而在鋼液中會產生大量的氧化錳(MnO) ，由于氧化錳在鋼液中的溶解度很大，而在固態鋼中的溶解度極小，因此在鋼液凝固時，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。因為在冶煉高錳鋼時，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度和塑性都很低，它們在鋼液中的作用有如空洞或裂紋一樣，割裂鋼的本體，降低鋼的性能。非金屬夾雜物越多，對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量的增多，鋼的性能大幅降低。
在冶煉過程中，要盡量減少夾雜物的產生，只有夾雜物含量少，才能得到較高的抗拉強度和沖擊韌度。因為對高錳鋼進行檢查時，必須對高錳鋼的夾雜物做認真細致的分析，把其做為檢驗的關鍵項點，從而提高高錳鋼的性能。
3. 化學成分的選擇及對高錳鋼性能的影響
( 1) 含碳量和含錳量 鋼中含碳量過低時，不足以產生有效的加工硬化效果; 而當碳含量過高時，又會在鑄態中出現大量的碳化物，特別是出現粗大的碳化物，因此為了避免析出碳化物，必須控制含碳量不得過高。為了保證高錳鋼的性能，必須有足夠的含錳量。含錳量過低時不能形成單一的奧氏體組織; 而過高的含錳量也是不必要的，生產中一般規定，wMn控制在11.0 %～14.0% ，wC 控制在0.9 % ～1.3% 。應該指出的是，含錳量與含碳量之間應有適當的搭配，即應有適宜的錳碳比，一般控制在Mn/C≈10 。
( 2) 含硅量 高錳鋼中wSi 的規格含量為0.3% ～0.8% ，硅會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，因此硅量應控制在規格下限。
( 3) 含磷量 高錳鋼的規格含量為wP≤0.7% ，熔煉高錳鋼時，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。因為磷會降低鋼的沖擊韌度并使鑄件容易開裂，所以應盡量降低鋼的含磷量。
( 4) 含硫量 高錳鋼的規格要求wS≤0.05% ，高錳鋼因為含錳量高，使鋼中大部分的硫與錳在熔煉過程中相互化合而形成硫化錳(MnS) 而進入爐渣中，因而鋼中的硫含量經常是較低的(一般不超過0. 03%) ，因此，在高錳鋼中硫的有害作用比磷高。綜上所述，因化學成分對高錳鋼的性能有很大影響，所以在生產中要嚴格控制。
4. 晶粒度對高錳鋼力學性能的影響
( 1) 晶粒長大原理 奧氏體剛剛形成之后，起始晶粒一般均很細小，而且也不均勻，界面彎曲且界面積大、界面能高。從熱力學分析，界面能越高，則界面越不穩定，必然要自發地向減小晶界面積、降低界面能的方向發展。就量說，小晶粒合并成大晶粒，彎曲界面變成平直晶界是一種自發過程。
晶粒長大也是一種自發過程，它是由大晶粒吞并小晶粒的不均勻長大和大晶粒進一步長大兩個階段組成的，主要表現為晶界的移動，高度彌散難熔的非金屬或金屬化合物顆粒對晶粒長大起很大抑制作用，為了獲得細小的奧氏體晶粒，必須要保證鋼中的有足夠數量和足夠細小難熔的第二相顆粒。
總而言之，晶粒長大的過程，就是小晶粒吞并成長為大晶粒，以及彎曲界面變成平直晶界面的過程。由于高錳鋼是一種本質粗晶粒鋼，它長大的傾向較大，一般在鑄態情況下，它的晶粒都較粗大。
( 2) 關于高錳鋼晶粒細化的問題 用Al 脫氧的鋼，晶粒長大傾向小，屬于本質細晶粒鋼，而用Si 、Mn 脫氧的鋼，晶粒長大傾向大，一般屬于本質粗晶粒鋼，高錳鋼就是用Si 、Mn 脫氧的鋼，因此高錳鋼屬于本質粗晶粒鋼。
由于高錳鋼在凝固以后的降溫過程中沒有二次結晶即在固態下沒有相變，因此不可能通過熱處理的方式來細化晶粒，因此解決高錳鋼的晶粒粗大問題只能從鋼的一次結晶過程中求得解決，即要求在鑄態下得到細晶粒組織。細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晶過程中能起到外來核心的作用，因而能使鋼的晶粒細化。但生產中使用這些元素的價格比較昂貴，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的晶粒，但對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。澆注溫度對高錳鋼晶粒度大小有一定的影響，但會受一定的限制，即必須保證在鋼液充滿鑄型的條件下，才能采用較低溫度。根據實際情況，工廠生產工藝都是一定的，所以一般情況下澆注溫度也是一定的，如在我廠的生產工藝情況下得到的高錳鋼的晶粒等級都在1 ～3 級范圍內。
根據以上分析可以看出，由于高錳鋼是本質粗晶粒鋼，采用的幾種細化晶粒的途徑對高錳鋼來說都不是特別有效，因此細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化晶粒，但價格較昂貴、成本較高。
三、結語
根據以上分析，我們可以看出, 碳化物、夾雜物對高錳鋼力學性能的影響很，檢驗時應嚴格控制, 化學成分一般控制都很嚴格， 對高錳鋼力學性能不會有太大影響。因高錳鋼晶粒度對高錳鋼力學性能的影響較小，所以高錳鋼晶粒度達到一級就可以了，在檢驗過程中不需對晶粒度等級進行嚴格控制。(end)
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