耐磨锰钢组织性能研究及应用

耐磨钢锰钢化学成分及影响
化学成分是决定钢的组织和性能的基本因素。

作为耐磨材料使用的高锰钢的化学成分大致为：cO．9～1．5％，Mnl0～l 5％，siO．3～1．O％，s≤0．05％，P≤O．10％。

其中碳元素和锰元素是其主要添加元素，为了提高高锰钢的耐磨性和其它机械性能，常加入一些合金元素，如铬、镍、钼等，合金元素的主要作用有，细化铸态结晶组织，提高钢的耐磨性和机械性能，降低热处理的难度，优化热处理工艺等。

碳在高锰钢中主要有两个作用，一是促使形成单相奥氏体组织，二是固溶强化，以获得高的力学性能。

当碳含量低时，易形成马氏体组织，力学性能较差，所以碳含量应尽可能高些。

固溶处理可以使碳化物溶解，碳含量过高相应的固溶处理的温度或热处理时间就要增加了，虽然碳化物可以通过固溶处理消除，但不能保证金属微观组织的致密度，降低钢的韧性。

碳含量在0.8%-1.15%的范围内对钢的冲击韧性影响很小，大于1.15%冲击韧性明显降低，以碳含量为1.05%和1.48%的两种钢作对比，在20度时二者冲击韧性相差2.6倍，-40度时相差约5.3倍，而-60度时相差13倍之多，因此，对在低温工作的耐磨锰刚，碳含量的选择尤为重要。

在非强冲击磨料磨损工作条件下，随着碳含量的提高，高锰钢的耐磨性提高，这是因为碳的固溶强化作用，但当碳含量超出一般范围时，即使经过常规固溶处理，也易残留部分碳化物，该组织有利于提高非强冲击磨料磨损工作条件下的工件耐磨性，但不利于在强冲击磨料磨损工作条件下钢的耐磨性，在强冲击工作条件下一般希望适当降低碳含量。

所以，高碳含量牌号是针对弱冲击、低接触应力、软接触物料的工况条件，如拖拉机履带板等，碳含量为0.9%-1.2%的高锰钢则是针对高接触应力、强冲击、硬接触物料的工作条件，如铁路辙叉等。

锰是稳定奥氏体组织的主要元素，在钢中有扩大奥氏体相区的作用，随着锰含量的增加，钢的组织由珠光体转变为马氏体最后进一步转变为奥氏体组织。

锰大部分以置换的方式固溶于奥氏体中，使基体得到强化，但强化作用不大，少量溶于碳化物中。

锰含量在14%以内时，随着锰含量的增加，钢的强度和韧性都增加，另外，在低温时随着锰含量的增加，冲击韧性提高的更快些。

但不利于加工硬化，当锰含量从13%降低到6%或8%时，钢的加工硬化能力有明显的提高。

锰含量的增加对耐磨性不利，同时当锰含量大于12%时，有粗晶和裂纹倾向，耐磨锰钢中锰含量一般在10%-14%之间。

锰含量的选择主要决定于工况条件、铸件结构的复杂程度等。

一般结构复杂、受力状况复杂时，锰含量应适当高些，以保证材料的塑性和韧性及减少加工时的难度。

所以在强冲击的工作条件下，锰含量应要求高些，一般不低于12%-12.5%，反之，在非强冲击条件下和结构简单的情况下可适当降低锰含量。

硅是耐磨锰钢中的常规元素，硅通常不做为合金元素加入钢中，其含量小于1%时对力学性能基本无影响，同时有辅助脱氧的作用。

硅在高锰钢中可以固溶于奥氏体中，随着硅含量的增加，钢的屈服强度有明显提高，但抗拉强度变化不大，塑性有明显降低，硅促使碳脱溶，硅含量增加既使碳化物沿晶界析出又使晶内碳化物析出量增加，且当硅含量较少时如O．3％，碳化物常呈针片状，硅含量增加到O．9％时，碳化物呈块状。

随着硅含量高，铸态晶界碳化物增多变粗，给热处理带来困难，易导致晶粒粗大，容易形成显微裂纹源，使钢在高温时性能变差，低温时变脆。

硅含量的增加可适当提高钢的耐磨性，但硅含量增多会使铸态碳化物增多，使晶粒增大，降低钢的性能，所以在高锰钢中硅含量应控制在0.6%以下。

钢中的有害的杂质元素主要有磷元素和硫元素，磷元素在钢中溶解度低，易形成熔点较低的磷共晶化合物，且该化合物在晶界上呈连续状，使钢极易产生热脆裂纹。

磷严重降低钢的冲击韧性，磷含量每增加O．01％使常温下冲击韧性降低49～58．8J／cm2。

磷增加使强度、延伸率、断面收缩率降低。

所以磷含量应控制在O．10％以内。

在高锰钢中硫大部分和锰结合成高熔点的硫化锰，而大部分硫化锰均进入熔渣之中，所以钢中残留的硫量很低，且钢中残留的少量硫化锰夹杂的形态多数接近于球形，对钢的性能影响不大。

钢中硫含量应低
于0．05％。

合金元素一方面可固溶于奥氏体中，产生强化作用，从而提高其硬度及耐磨性，同时在一定范围内可提高奥氏体稳定性；另一方面，通过对碳化物的形成、长大、形态及在奥氏体中的析出难易度等，影响钢的硬度及塑韧性，Gr、Mo、W、V、Ti等元素在一定条件下可形成特殊碳化物，能大为提高钢的耐磨性，其作用程度在一般情况下依次递增。

高锰钢的组织与性能
高锰钢在使用前一般都进行热处理，通常称之为水韧处理，以获得单相奥氏体组织，为之后的加工硬化做好组织准备，所以高锰钢的三种组织状态对高锰钢的性能都是至关重要的。

高锰钢的铸造过程中，由于冷却速度较慢，导致奥氏体晶粒粗大，同时伴随着大量碳化物在晶粒和晶界处析出并长大。

当温度降到常温时，铸态组织为以奥氏体为基体，参杂着珠光体和马氏体，晶粒和晶界处存在粗大碳化物，有针状、块状、条状等形态，晶界上的碳化物呈网状，在奥氏体基体上还分布着大量的珠光体。

高锰钢的铸态组织如下图所示：
从图中可较直观的看出该组织晶粒粗大，碳化物粗大呈块状，且晶界上分布着网状碳化物，该组织状态下的高锰钢塑韧性很差，不能使用，需经下一步处理，即水韧处理。

高锰钢的热处理就是将高锰钢铸件加热到碳化物固溶的温度并保温一定的时间,,然后放入水中快速冷却，从而获得单一的奥氏体组织,使其强度和韧性大大提高，达到可加工硬化的目的。

之所以称高锰钢的热处理为水韧处理，是因为它与普通碳钢不同，高锰钢在水中淬火后不是变硬了而是变软了。

经水韧处理的高锰钢的理想组织组织为单一奥氏体，但在实际生产过程中受到一些因素的影响，往往达不到理想状态，可能由于冷却速度不够，导致沿晶界析出少量碳化物，也可能是水韧处理的固溶温度低了，保温时间短了，都能造成在晶界或晶粒残存少量碳化物，也许是由于表面脱碳，导致水韧处理后出现马氏体。

下图为高锰钢理想状态下的水韧组织：
高锰钢在工作条件下受到压力、拉伸、冲击等应力的作用，产生加工硬化的现象，其显微组织特点是有许多的滑移带，甚至出现滑移带弯曲、滑移台阶或晶粒扭曲等。

下图是高锰钢加工硬化组织 :
高锰钢的性能
(1)高锰钢的物理性能
一般高锰钢液相线温度为1400 ℃，固相线温度为13500 ℃，随着碳含量的增加，液相线和固相线温度都降低，且液相线和固相线之间的区域愈大，钢水的流动性越差，产生裂纹缺陷倾向增大。

高锰钢的液态密度大约为7．050g／cm3，15 ℃时的固态密度大约为7.930 g ／cm3。

高锰钢的导热系数较差，比碳素钢、不锈钢、耐热钢等低，这使得铸件在冷凝过程中，温度梯度较大，增加了冷却过程中热应力，易导致冷脆和热脆。

高锰钢的线膨胀系数大约是碳素钢的两倍，膨胀系数越大，铸件在冷却收缩时就愈容易产生热裂和冷裂，所以在设计铸型结构时，应充分考虑此因素。

高锰钢的电阻率比铁大近三倍，高锰钢组织为单相奥氏体，无磁性，导磁率为1.003-1.03，在热处理过程中，由于表面脱碳，至表面出现马氏体，其磁导率为1.3。

高锰钢的强度。