高锰钢的化学成分控制.docx

最初的高锰钢碳含量约为 1.2%、锰含量约为 12%。经过了 100 多年的应用和发展,对基本成分有了一些改进,但尚未有重大的变革。改进主要表现在对 C、Mn含量的范围作了进一步的划分,形成了较多的牌号,以适应不同用途和不同尺寸的铸件。对高锰钢中加入合金元素,各国都进行过多方面的研究,到目前为止,比较成熟的看法是:根据不同的条件,可分别加入适量的 Mo、Cr 或 Ni,但也决不是加了合金就有好处。当然,随着科技的进步,今后一定还会有新的发展。美国材料与试验学会关于高锰钢的标准 ASTM A128 较好地反映了当前生产高锰钢铸件的技术水平,其主要技术内容已为国际标准 ISO13521:199 所采纳。ASTM A128 中共规定了 10 个牌号,其化学成分见表。高锰钢国标为 GB5680-2010。牌号CMnCrMoNiSiPA1.051.3511-10.07B-10.9-1.0511.5-14B-21.05-1.2B-31.12-1.28B-41.2-1.35C1.05-1.351.5-2.5D0.7-1.3-3-4E-10.7-1.30.9-1.2-E-21.05-1.451.8-2.1F1.05-1.456-80.9-1.2ASTM A128 化学成分一、碳和锰高锰钢是过共析钢。在锰含量相同的情况下，高锰钢的耐磨性有随碳含量增加而提高的趋势。但是，碳含量超过 1.2%以后，晶界上就可能析出（Fe、Mn）3C 型碳化物，使钢的脆性增加。碳含量在 0.8-1.7 变化时，钢的屈服强度随碳含量增加而逐步有所提高，在碳含量为 1.2%时达最高值,然后不断下降。伸长率在碳含量超过 1.0%以后就随碳含量的增加而下降。抗拉强度和伸长率下降的主要原因是晶界上有碳化物析出。对于抗冲击磨损的铸件,塑性也十分重要,最好将碳含量保持在不致严重损害塑性的高限。一般的高锰钢,碳含量宜控制在1.1%1.25%。厚大铸件凝固时间长,先析出低碳奥氏体晶粒,后凝固的部位富碳,成分偏析显著即使碳含量低于 1.1%,晶界上也可能有碳化物析出。碳含量低的牌号(D和 E-1)就是为适应这类铸件而建立的。锰是稳定奥氏体的元素,也是高锰钢中的主要合金元素。Robert Hadfield曾对锰含量(1.5%22%左右)的影响作过系统的研究。经水韧处理的高锰钢,锰含量为 5%6%即可得到完全的奥氏体组织,但低锰钢的力学性能欠佳,只用于特殊的工况条件。为使高锰钢具有较好的力学性能,锰含量应在 10%以上。锰含量对屈服强度没有太大的影响，对抗拉强度和伸长率的影响则不可忽视。锰含量在 12%以下时，随着锰含量的增加，抗拉强度和伸长率都有很大幅度的增长，超过 12%以后，两者的增势都趋于缓慢，超过 14%以后，则逐步下降。因此，只有加钼且采用弥散硬化处理的钢才可以将锰含量提高到 14%或更高一些。有的技术规格要求高锰钢的锰碳比等于 10 或者更高，目前看来，此种要求尚缺乏充足的依据。二、硅通常，高锰钢中加入硅是为了冶炼过程中使钢充分脱氧，并改善钢液的流动性，终硅量很少超过 1%。高锰钢中硅含量一般低于 2%，对抗拉强度、屈服强度和伸长率都没有明显的影响，但硅含量超过 2%时，抗拉强度、屈服强度和伸长率都会显著下降。高锰钢中的硅还会使碳在奥氏体中的溶解度降低，导致析出碳化物或者珠光体，在铸态或者热处理态的高锰钢中都能见到硅的这种影响。为使耐磨性更好，应使较多的碳溶于奥氏体中，基于这一点，高锰钢中的硅含量不宜过高，高于正常含量的硅是有害而无益的。一般高锰钢中的硅含量控制在 0.5-1.0%。三、磷和硫磷对高锰钢的力学性能是有害的,在厚大铸件中,由于偏析的作用,磷的害处尤为严重。有研究工作表明,磷含量超过 0.06%,就会使钢的高温强度和韧性降低,导致铸件易于产生热裂。还有报道说,其他化学成分相近、热处理条件相同的两种高锰钢,磷含量为 0.08%的钢,力学性能明显低于磷含量为 0.05%的钢早期的高锰钢,因加入大量锰铁而带进大量的磷,加锰后又不能进行脱磷操作,磷含量都较高,各国标准规定的磷含量上限值也大都是 0.10%。20 世纪 60年代以后,低磷锰铁的供应量大增,美国 ASTM 标准也随之将磷含量上限值改变为0.07%。实际上,生产中应尽量将磷含量控制在 0.06%以下。高锰钢中的硫基本上不会成为问题。因为锰含量很高,锰与硫结合形成硫化物夹杂,颗粒大的可浮起进入炉渣,颗粒小的则以球状非金属夹杂的形态留在铸件中,对钢的性能影响很小。ASTM 标准中干脆就对硫含量不作限定。四、铬、钼、镍、铜等合金元素到目前为止，大多数的高锰钢都不添加其他的合金元素。对材质有更高要求时，可以选择含铬、钼、镍等的牌号。高锰钢中的钼，一部分固溶于奥氏体中，一部分在铸件凝固时形成一次碳化物。固溶于奥氏体的钼能