2.25Cr-1Mo-0.25V鋼中稀土微合金化的研究

孫忠慧

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

稀土在鋼中的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代。由于稀土具有很強(qiáng)的脫硫和脫氧作用，并且能夠變質(zhì)MnS和Al203夾雜物，從而有效地改善鋼的性能，因此以凈化鋼水和變質(zhì)夾雜物，特別是以穩(wěn)定變質(zhì)MnS為目的的“稀土處理鋼”成為稀土鋼發(fā)展的主要內(nèi)容。而有關(guān)稀土在鋼中的物理化學(xué)行為、稀土的加入方法、作用效果和作用機(jī)理等方面的研究成果也極大地促進(jìn)了稀土處理鋼的穩(wěn)步發(fā)展。從20世紀(jì)70年代中期開始，西歐、日本的企業(yè)成功地發(fā)展了Ca噴射冶金技術(shù)，有效的降低了鋼中的硫含量，再加上逐步興起的純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)，使鋼中硫、氧含量大幅度降低，夾雜物的數(shù)量大為減少，夾雜物的形狀、尺寸都得到嚴(yán)格的控制，而稀土凈化鋼水和變質(zhì)夾雜物的功能在這一時(shí)期被淡化。近年來(lái)，稀土與微合金化元素釩、鈮、鈦的相互作用機(jī)理及其在微合金高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用研究受到廣泛重視，但是對(duì)于在大型鑄鍛件中稀土與微合金化元素的作用機(jī)理及其對(duì)組織和性能的影響研究甚少。為此，本文針對(duì)目前2.25Cr-1Mo-0.25V鋼中存在的問(wèn)題，擬采用稀土進(jìn)行微合金化，初步探討其應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉試驗(yàn)用鋼，原始料用一重生產(chǎn)的2Cr-1Mo鋼，冶煉過(guò)程中根據(jù)設(shè)計(jì)成分要求，加入鋁鈦硼合金、釩鐵、鈮鐵和稀土。化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的設(shè)計(jì)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The designed chemical composition of testing steel

注：J=53%；X=8.2×10-6

按ASME標(biāo)準(zhǔn)要求冶煉3爐Ti、Nb、N含量不同的鋼，3爐鋼中Ti、Nb、REM含量的變化范圍如表2所示。

冶煉后的成分分析結(jié)果如表3所示。由于稀土元素的分析比較困難，故未對(duì)其進(jìn)行分析。

表2 Ti、Nb、REM的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The content of Ti、Nb、REM (mass fraction,%)

表3 冶煉的實(shí)際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The actual chemical composition after smelting(mass fraction,%)

表4 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 4 The test result of mechanical property

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 模擬熱處理試驗(yàn)按一重現(xiàn)行的熱處理工藝執(zhí)行，即940℃正火+490℃回火。940℃模擬淬火后，拉力試樣進(jìn)行705℃×26 h最大焊后熱處理，沖擊試樣進(jìn)行705℃×8 h最小焊后熱處理，完成后加工拉伸和沖擊試樣。

1.2.2 力學(xué)性能測(cè)試。對(duì)熱處理后的試樣分別進(jìn)行室溫拉伸、-30℃和-50℃沖擊性能測(cè)試。

1.2.3 分別對(duì)拉伸試樣和沖擊試樣進(jìn)行金相組織分析和斷口分析。其中，金相試樣取自力學(xué)性能測(cè)試后的尾料。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，1號(hào)試樣的性能最差，屈服和抗拉強(qiáng)度偏低，低溫沖擊也非常低。3號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率最高，-30℃和-50℃沖擊值也是最高的?？傮w上比較，3號(hào)試樣的綜合性能最好。

2.2 金相組織分析

拉伸試樣的金相組織見(jiàn)圖1。沖擊試樣的金相組織見(jiàn)圖2。從圖1可以看出，三種鋼的組織狀態(tài)明顯不同，其中1號(hào)鋼的組織中白色塊狀鐵素體含量很高，因此其低溫沖擊韌性最差。2號(hào)和3號(hào)鋼的組織中，雖然都含有一定量的鐵素體， 相比之下3號(hào)鋼的塊狀鐵素體最少，其低溫沖擊韌性也是最高的。

對(duì)比沖擊試樣和拉伸試樣的組織，由于沖擊試樣進(jìn)行的是最小焊后回火(8 h)，因此與拉伸試樣(回火26 h)相比，其組織回火轉(zhuǎn)變的程度較拉伸試樣小，但是組織特征基本一致，均為塊狀鐵素體占主導(dǎo)。

金相組織的差別與鋼的成分差別相關(guān)。需指明的是，1號(hào)鋼冶煉中間出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致所加稀土可能失敗，因此可以認(rèn)為1號(hào)鋼為未加稀土鋼。2號(hào)和3號(hào)鋼冶煉過(guò)程比較順利，因此鋼中會(huì)含有一定量的稀土元素。但是由于稀土的分析難度較大，未進(jìn)行精確的化學(xué)分析。從表3可以看出，3種鋼的其他元素含量極其接近，因此可以推斷，造成三種鋼組織差別的原因是鋼中的稀土作用。

現(xiàn)有研究結(jié)果認(rèn)為，稀土在微合金化鋼中與微合金元素相互作用，其結(jié)果是抑制高溫區(qū)的析出，促進(jìn)回火過(guò)程中的析出。從本次試驗(yàn)來(lái)看，由于復(fù)合析出效應(yīng)，使得鋼中有效微合金元素含量下降，因此上述稀土的作用未能發(fā)揮出來(lái)。但是卻可以看到其對(duì)先共析鐵素體轉(zhuǎn)變具有明顯的抑制作用，這個(gè)結(jié)果對(duì)于大型鑄鍛件來(lái)講，特別是對(duì)厚壁件的熱處理具有重要的意義。

2.3 斷口分析結(jié)果

室溫拉伸斷口形貌如圖3所示。其中1號(hào)試樣的拉伸斷口出現(xiàn)異常，可以看到明顯的裂紋切面，故可以推斷在拉伸前組織中可能存在缺陷(見(jiàn)圖3a)。而2號(hào)和3號(hào)試樣基本是韌窩為主的延性斷裂，同時(shí)看到2號(hào)試樣斷口中也存在組織缺陷(見(jiàn)圖3b)。

(a)1號(hào)試樣

(b)2號(hào)試樣

(c)3號(hào)試樣圖1 室溫拉伸試樣(回火26 h)的金相組織Figure 1Metallographic structure of tensile specimen at ambient temperature (tempering 26 hours)

(a)1號(hào)試樣

(b)2號(hào)試樣

(c)3號(hào)試樣圖2 沖擊試樣(回火8 h)的金相組織Figure 2 Metallographic structure of impact specimen (tempering 8 hours)

(a)1號(hào)試樣

(b)2號(hào)試樣

(c)3號(hào)試樣圖3 室溫拉伸斷口形貌Figure 3 Fracture appearance of tensile test at ambient temperature

(a)1號(hào)試樣

(b)2號(hào)試樣

(c)3號(hào)試樣圖4 -30℃沖擊斷口形貌Figure 4 The impact fracture appearance at -30℃

不同溫度下的沖擊斷口如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，3號(hào)試樣的斷口在-30℃時(shí)剪切唇明顯，說(shuō)明具有較高的低溫韌性。對(duì)比-50℃沖擊斷口也不難看出，3號(hào)試樣雖然仍是解理斷裂特征，但是可以看到明顯的撕裂棱，這與其在此溫度下的沖擊功是相對(duì)應(yīng)的。

2.4 SEM及能譜分析結(jié)果

為進(jìn)一步探明稀土微合金化對(duì)組織和性能的影響，對(duì)金相試樣進(jìn)行了能譜分析。但是，由于稀土在鋼中的固溶量極少，同時(shí)受能譜分析精度的限制，未發(fā)現(xiàn)明顯的含稀土析出物。2號(hào)試樣和3號(hào)試樣8 h回火后的能譜分析結(jié)果顯示在夾雜物中發(fā)現(xiàn)了稀土(鈰)，這說(shuō)明有部分稀土元素變成了夾雜而損失了。此外，3號(hào)試樣的細(xì)小彌散析出物明顯比2號(hào)試樣的多，這也從另外一個(gè)側(cè)面說(shuō)明3號(hào)試樣中稀土的作用，它促進(jìn)了回火過(guò)程中第二相粒子的彌散析出，導(dǎo)致該鋼具有較高的強(qiáng)度。

研究結(jié)果表明，3號(hào)試樣的綜合力學(xué)性能最好，延伸率較現(xiàn)有成分鋼種有所提高。稀土的加入抑制了熱處理過(guò)程中先共析鐵素體的生成，并促進(jìn)了回火過(guò)程中第二相粒子的彌散析出，這是3號(hào)試樣綜合力學(xué)性能最好的重要原因。

(a)1號(hào)試樣

(b)2號(hào)試樣

(c)3號(hào)試樣圖5 -50℃沖擊斷口形貌Figure 5 The impact fracture appearance at -50℃

3 結(jié)論

通過(guò)研究三種不同稀土加入量的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的組織和性能，初步探討了利用稀土進(jìn)行微合金化的可行性。稀土微合金化對(duì)組織和性能有顯著的影響，合適的稀土加入量可獲得良好的綜合力學(xué)性能。此外，加入稀土還可以抑制先共析鐵素體的生成及促進(jìn)回火過(guò)程中的第二相粒子析出。

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