【文章內(nèi)容簡介】 的奧氏體組織，但由于冷速不足，固溶溫度低，保溫時(shí)間短，導(dǎo)致碳化物不能完全溶解，而在晶內(nèi)或晶界殘留有少量的碳化物 [2]，如圖 (b)所示。當(dāng)高錳鋼受到?jīng)_擊、壓力等應(yīng)力作用產(chǎn)加工硬化，其顯微組織會(huì)出現(xiàn)許多滑移帶，甚至出現(xiàn)晶粒扭曲、滑移帶彎曲或滑移臺(tái)階 [27]，如圖 (c)所示。圖 FeMnC 三元合金相圖(含 13 %Mn) FeMnC ternary alloy diagram(including 13%manganese) (a)鑄態(tài)組織 (b)水韌組織 (c)加工硬化后組織(a)The ascast (b)Heat treatment (c)Workhardening Microstructure Microstructure Microstructure 圖 高錳鋼的顯微組織 ( The microscopic structure of high manganese steel 高 錳 鋼 的 性 能高錳鋼的物理性能高錳鋼的液相線溫度為 1400℃，固相線溫度為 1350℃,隨著高錳鋼的含碳量增加液相線溫度和固相線溫度降低。高錳鋼的固態(tài)密度為，它的電阻率比鐵的大將近 3 倍，鑄態(tài)高錳鋼經(jīng)水韌處理后得到單相奧氏體，無磁性，其導(dǎo)磁率為 μ=～ 。硬度高錳鋼的硬度有三種，一是鑄態(tài)硬度，二是水韌處理后硬度，三是加工硬化層硬度。鑄態(tài)組織中有大量的碳化物和共析分解的珠光體組織，鋼的硬度較高，約為 200}230HB。鑄態(tài)組織的硬度高低與鋼中碳含量及其它合金含量有關(guān)，碳含量增加組織中的碳化物數(shù)量增多，鋼的硬度增加。水韌處理后，鋼的硬度與合金成分的關(guān)系由固溶強(qiáng)化的程度決定，但固溶強(qiáng)化的作用不及碳化物的作用。水韌處理后奧氏體的硬度約為 170～230HB。高錳鋼實(shí)際使用硬度是表層的加工硬化硬度，可高達(dá) 600HB。耐磨性錳在奧氏體中為置換固溶體，錳含量增加，加工硬化速度下降，對(duì)耐磨性不利。碳對(duì)高錳鋼的加工硬化性影響很大，隨著碳含量的增加，耐磨性提高。適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和熱處理可以使碳化物的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生改變，從而影響鋼的耐磨性。此外加工硬化和實(shí)際工礦條件對(duì)鋼的耐磨性也有很大的影響 [3]。 稀 土 在 高 錳 鋼 中 的 作 用 及 其 機(jī) 理 稀 土 元 素稀土元素包括瀾系、憶和釩共 17 個(gè)元素。根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，這十七種稀土元素通常分為二組。輕稀土（又稱鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。重稀土（又稱釔組）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。在周期表中均屬強(qiáng)堿性金屬，具有幾平相同的外層電子數(shù)和很大的負(fù)電性。除梢和鏡以外，一般的負(fù)值電極電位都在 以上。比鋁()和錳()都大。因此，它們的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，能與鋼中的一系列有害雜質(zhì)生成熱力學(xué)上極為穩(wěn)定的化合物，使鋼凈化。稀土元素具有較大的原子半徑，比鐵的原子半徑大得多，可見稀土在鐵巾不會(huì)有較大的固溶度，一般在 ～%。稀土元素具有中等的比重，中等難熔溫度，較小的熔化熱和很高的沸)。因此，稀上加入鋼液不致發(fā)生不熔化和揮發(fā)問題，也不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈沸騰和噴濺現(xiàn)象。稀土在煉鋼溫度下的蒸汽壓也很低，這是稀土在煉鋼中應(yīng)用勝于鈣和鎂的主要原因。稀土元素在金屬材料中的研究和應(yīng)用已有 80 多年的歷史。我國自 20 世紀(jì)60 年代初開始稀土在鋼鐵中的應(yīng)用研究,發(fā)現(xiàn)稀土在金屬材料中有凈化、夾雜物變質(zhì)、改善鑄態(tài)組織、微合金化等作用。目前國際上把稀土譽(yù)為新技術(shù)革命中的戰(zhàn)略元素,高技術(shù)的生長點(diǎn),新材料的寶庫。實(shí)踐證明，稀土能極大地改善高錳鋼的性能 1)凈化鋼液，改善高錳鋼的冶金質(zhì)量。2)細(xì)化結(jié)晶，優(yōu)化高錳鋼組織。 3）抑制碳化物生長。4)強(qiáng)化作用。 凈 化 鋼 液稀土元素化學(xué)性質(zhì)活潑，和鋼液中的[S],[O],[H],[N]都能形成穩(wěn)定化合物。高錳鋼含硫量較低，一般都在 %以下，因稀土和硫結(jié)合力強(qiáng)。稀土加入后能進(jìn)一步降低鋼中硫含量 20%～40%。不加稀土高錳鋼硫化物夾雜熔點(diǎn)低，分布于支晶間或晶界上；加入稀土后形成高熔點(diǎn)稀土硫化物，稀土氧化物，和稀土氮化物，其熔點(diǎn)一般都在 2022℃以上，以細(xì)小，粒狀，彌散分布于晶內(nèi)。稀土加入一方面減少硫化物夾雜的數(shù)量，最主要的改善了形狀，大小，分布，大大降低了非金屬夾雜對(duì)高錳鋼的有害作用。 高錳鋼鋼液容易吸氣，鋼液中的[H],[N]含量比普通鋼液要高，隨著鋼液溫度降低和結(jié)晶凝固。鋼中[H],[N]溶解度大幅降低，特別在凝固時(shí)有大量氣體析出，形成氣孔，其中由以氫氣孔最為嚴(yán)重。稀土加入能和鋼液中的[H],[N]形成較為穩(wěn)定的化合物，如 REH2,REH3,REN 等，固定了鋼液中的氣體，減少了高錳鋼鑄件氣孔缺陷。高錳鋼在液化時(shí)易氧化，其主要氧化物夾雜為 MnO,分布于晶界，是晶界脆化，高溫時(shí)易產(chǎn)生熱裂。常溫和低溫時(shí)使韌性降低，在強(qiáng)沖擊載荷下易開裂。稀土和氧親和力強(qiáng)，稀土加入對(duì)鋼液進(jìn)一步脫氧，降低鋼中含氧量，減少[MnO]夾雜在晶界的分布，改善高錳鋼的冶金質(zhì)量。表 31 列舉了兩組加稀土高錳鋼與普通高錳鋼的化學(xué)成分及氣體含量。從表 31 數(shù)據(jù)可以看出，加入稀土后，高錳鋼的氧，硫和氮含量均有明顯降低。組別 RE C Si Mn P S [O] [N]12表 31 不同處理狀態(tài)的哦化學(xué)成分及氣體含量變化/% 細(xì) 化 晶 粒圖 32 表明，稀土對(duì)標(biāo)準(zhǔn)成分高錳鋼的晶粒粗化有明顯的抑制作用。稀土元素表面活性的性質(zhì)和他的化合物的核心作用，使鑄態(tài)組織細(xì)化，經(jīng)熱處理后的組織也會(huì)有相應(yīng)細(xì)化。圖 32 稀土元素對(duì)高錳鋼晶粒生長的影響結(jié)晶過程中稀土在液固兩相界面上富集，阻礙原子擴(kuò)散，阻礙固相從液相中獲得相應(yīng)的原子，則阻礙晶粒長大，達(dá)到抑制柱狀晶發(fā)展，細(xì)化等軸晶粒的效果。稀土加入高錳鋼液，主要形成稀土氧化物和稀土硫化物兩大類型非金屬夾雜，經(jīng)研究這些夾雜和奧氏體的錯(cuò)陪讀只有 3%，完全可以作為結(jié)晶時(shí)的異質(zhì)晶核，細(xì)化高錳鋼的一次結(jié)晶。在固溶處理時(shí)，稀土元素在晶界富集，阻礙原子擴(kuò)散和奧氏體晶粒的長大。因此稀土加入可明顯細(xì)化高錳鋼的奧氏體晶粒。另外，由于稀土元素是表面活性物質(zhì)，加入鋼中，降低了相界面的表面張力，使晶核形成功降低，晶核形成速度激劇增加。在結(jié)晶過程中，稀土元素在基體和其他相中分配系數(shù)很?。ㄐ∮?） ，其表面活性大大增加。由于選擇吸附的結(jié)果，它們大多富集在正在長大晶體與鋼液的界面上，建立起一層吸附薄膜，阻礙并降低了晶體長大的傾向。稀土使高錳鋼晶粒粗化溫度提到大約 100℃，因而可獲得較細(xì)的晶粒度。稀土的這種孕育作用對(duì)于單相結(jié)晶的奧氏體高錳鋼尤為重要。 抑 制 碳 化 物 生 長稀土元素原子半徑大，融入高錳鋼后主要存在于晶界空穴等缺陷中，所以稀土原子大多以內(nèi)吸附的形式存在于晶界，降低晶界的界面能，使碳化物在晶界形核困難。稀土元素在晶界上富集，填充了晶界空穴等缺陷，阻礙原子借晶界空穴進(jìn)行躍遷式擴(kuò)散，阻礙碳化物沿晶界長大。其次，稀土加入后能減少鑄態(tài)晶界碳化物的數(shù)量，抑制碳化物在晶界形成連續(xù)網(wǎng)狀，減少并消除針片狀碳化物在晶內(nèi)出現(xiàn)。稀土元素外層電子排列的特點(diǎn)是 5d 層電子嚴(yán)重不飽和，稀土元素是強(qiáng)烈碳化物形成元素，它和碳之間能形成 REC，RE 2C3， REC2等類型特殊碳化物，并且該碳化物熔點(diǎn)高，如 CeC2 熔點(diǎn)高于 2300℃，PrC 2熔點(diǎn)高于 2200℃，NdC 2熔點(diǎn)高于 2022℃。這些碳化物一次結(jié)晶時(shí)就彌散于晶內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)溫度降至奧氏體中開始析出碳化物時(shí)（960℃） ，成為碳化物析出的的結(jié)晶核心，增加了高錳鋼奧氏體晶內(nèi)彌散析出碳化物的數(shù)量。 強(qiáng) 化 作 用（a）晶界強(qiáng)化由于稀土元素的化學(xué)性質(zhì)異?；顫?，和氧，硫有很大的親和力，它能奪取鋼中的氧化物和硫化物中的氧和硫形成稀土化合物，這種化合物能夠從鋼液中大量上浮排除，使鋼液凈化。同時(shí)，即使鋼中有殘留的稀土夾雜物，也會(huì)均勻地分布在基體中，大大減少了氧化物和硫化物在晶界上的析出量，是晶界得以強(qiáng)化。（b）固溶強(qiáng)化稀土對(duì)高錳鋼的固溶強(qiáng)化，是利用其原子半徑與鐵的原子半徑不同，產(chǎn)生晶格畸變，提高對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力而達(dá)到的。如鈰（Ce）的原子半徑為，鐵則為 ，原子半徑相差 42%。稀土元素在高錳鋼中有一定的固溶量，并隨殘余總量的增加，其固溶量也增加，最高可達(dá) 20%～30%。同時(shí)因稀土元素的脫氧，脫硫作用，減少了鋼中錳，硅等夾雜物的數(shù)量，增加了錳，硅再高錳鋼中的實(shí)際固溶量。這也是稀土固溶強(qiáng)化高錳鋼的一個(gè)原因。（c）質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化稀土夾雜物顆粒細(xì)小，堅(jiān)硬。電鏡觀察表明，鋼中有一定量（幾十到幾百納米）的稀土質(zhì)點(diǎn)。因有時(shí)采用一號(hào)稀土合金而帶進(jìn)了鈦，從而形成了對(duì)提高高錳鋼強(qiáng)度非常有效的強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn) TiN，促進(jìn)了對(duì)高錳鋼的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化作用。稀土元素在高錳鋼中不僅由于上述諸方面的強(qiáng)化作用，而且由于它的原子半徑比鐵大很多，因此它溶于奧氏體中的結(jié)果，必須提高其原始顯微硬度，從而強(qiáng)化晶體和增加基體的硬化能力，提高 ZGMn13 鋼奧氏體加工硬化程度。實(shí)驗(yàn)證明，稀土不僅可強(qiáng)化原始奧氏體，提高顯微硬度，而且可以加工硬化層，提高硬化層最表層（小于 ）的硬度。因此，堅(jiān)硬的硬化層緊緊地連接在軟韌的奧氏體基體上，可有效地提高鑄件反復(fù)彎曲疲勞強(qiáng)度和防止沖擊負(fù)荷下剝落磨損。 稀 土 高 錳 鋼 的 生 產(chǎn) 工 藝 要 點(diǎn) 稀 土 高 錳