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【热坛讲堂】谈谈关于高锰钢（2）：高锰钢的化学成分
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
| C
| Mn
| Cr
| Mo
| Ni
| Si
| P
|
A
| 1.05~1.35
| ≥11
| -
| -
| - | ≤1
| ≤0.07
|
B-1
| 0.9-1.05
| 11.5-14
|
B-2
| 1.05-1.2
|
B-3
| 1.12-1.28
|
B-4
| 1.2-1.35
|
C
| 1.05-1.35
| 1.5-2.5
|
D
| 0.7-1.3
| -
| 3-4
|
E-1
| 0.7-1.3
| 0.9-1.2
| -
|
E-2
| 1.05-1.45
| 1.8-2.1
|
F
| 1.05-1.45
| 6-8
| 0.9-1.2
|
ASTM 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。
① 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有效抑制脆性碳化物和珠光体的生成，提高水韧处理后的屈服强度和韧性。一次碳化物中的钼可使碳化物的分布状况改变，由沿晶界析出的网状碳化物改变为球状。使钢具有很高的强度，耐磨性也得到改善。
② 高锰钢中加入铬，主要是为了提高屈服强度，但加入铬后奥氏体晶界上网状碳化物增多，抗拉强度和伸长率都有所下降。
高锰钢中加铬是否能提高钢的耐磨性，迄今为止，没有得到证实。尚需进一步研究。
③ 高锰钢中加入镍，能稳定奥氏体，并能有效抑制碳化物片晶析出，但对钢没有强化作用。高锰钢中的镍有助于保持无磁性，尤其是能保持铸件的脱碳层无磁性。因此，镍主要用于作为无磁性材料的高锰钢。
④ 钒是强碳化物形成元素，能形成细小的碳化物，从而显著提高钢的屈服强度，但钢的韧性和塑性都会降低，只能适用于一些特殊的工况条件，加入量一般不超过0.5%。
⑤ 铜在高锰钢中的作用与镍相似，可以稳定奥氏体。铜对力学性能的影响目前还不清楚。有研究指出，铜在高锰钢中的溶解度有限，加入量稍大就可以造成钢的脆化。
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