一種中強(qiáng)度耐低溫鑄鋼材料組織與性能研究

曹健峰 ， 徐海波 ， 賈 旭 ， 趙延闊

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，我國鐵路運(yùn)輸業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展，己經(jīng)與公路貨運(yùn)共同成為最重要的交通方式之一[1-3]。在滿足內(nèi)需的同時(shí)，部分產(chǎn)品及相關(guān)零部件已進(jìn)入國際市場。近年來，鐵路貨車及相關(guān)零部件的出口量持續(xù)增加[4]，但不同國家和地區(qū)對鐵路機(jī)車各部位零部件的性能要求各有不同[5-6]。受地理環(huán)境的影響，高緯度高寒地區(qū)對貨車零部件的力學(xué)性能，特別是低溫性能，提出了更高的要求[7-8]。如俄羅斯機(jī)車車輛公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般要求貨車使用的低碳合金鑄鋼-60 ℃沖擊吸收能量不低于13.4 J[9]。而我國沿襲AAR 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的鐵路鑄鋼材料B+級(jí)鋼對-60 ℃沖擊吸收能量不作要求。通常，B+級(jí)鋼的-60 ℃沖擊吸收能量低于10 J，則無法滿足高寒地區(qū)的使用要求。

本研究以B+級(jí)鋼為基礎(chǔ)，研究提升其-60 ℃的低溫性能，使之在維持B+級(jí)鋼的強(qiáng)度與塑性指標(biāo)的同時(shí)，-60 ℃沖擊吸收能量達(dá)到20 J 的目標(biāo)性能要求。

1 B+級(jí)鋼成分優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

對于耐低溫鑄鋼來說，韌脆轉(zhuǎn)變溫度是一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)，成分設(shè)計(jì)要始終圍繞其開展。C 是鋼的主要強(qiáng)化元素，但C 會(huì)急劇降低鋼的低溫韌性，使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高，因此C 可以做適當(dāng)下調(diào)，調(diào)整上限至0.220%。Mn 可增加鋼組織中奧氏體的穩(wěn)定性，細(xì)化珠光體，提高鋼的淬透性；同時(shí)Mn 具有很強(qiáng)的脫氧能力，可以和S 形成MnS，改善鋼水的品質(zhì)，因此Mn 含量不做調(diào)整。P、S 作為雜質(zhì)元素，都會(huì)對鋼的塑性和韌性起著有害的作用，而P 更會(huì)顯著增加韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此均限制其上限至0.020%。Ni 能提高鑄鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性；同時(shí)Ni 可擴(kuò)大奧氏體區(qū)域，能顯著降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此對Ni 含量進(jìn)行上調(diào)。此外，晶粒細(xì)化對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的降低也具有顯著效果。Nb 元素在鋼中與C、N、O 有極強(qiáng)的親和力，可形成多種穩(wěn)定的化合物，從而細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度。因此，本研究擬添加微量的元素Nb，研究其對調(diào)整成分后的B+鋼低溫性能的影響，初始設(shè)定Nb 含量在0.10%以下。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用耐低溫鑄鋼經(jīng)100 kg 中頻感應(yīng)電爐熔煉，在1540～1590 ℃通過樹脂砂造型的基爾試棒澆鑄成型。試棒經(jīng)熱處理后，按GB/T 228.1 進(jìn)行拉伸試樣的制備及拉伸試驗(yàn)，按GB/T 229 進(jìn)行沖擊試樣的制備及沖擊試驗(yàn)，試樣開V 型缺口。

2.2 熱處理工藝選擇

為了提高低溫鑄鋼的沖擊韌性，熱處理工藝的選擇也是非常重要的。一般來說，在強(qiáng)度和硬度相同條件下，具有高溫回火馬氏體（索氏體）組織的鋼沖擊韌性最好，貝氏體組織較差，珠光體組織最差。所以，低溫鋼的調(diào)質(zhì)處理比正火、回火處理有較高的沖擊值，且使脆性轉(zhuǎn)變溫度有明顯的向更低溫度轉(zhuǎn)移的趨勢[10]。但劉德義等[11]采用二次正火的熱處理工藝也提升了B+級(jí)鋼的低溫韌性，其機(jī)理源于二次正火比一次正火更能細(xì)化鐵素體與珠光體組織，使晶粒細(xì)化，增加了晶界總面積。晶界面積增多，界面處復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)對裂紋擴(kuò)展的阻力增大，在較多的界面上，未溶碳化物及雜質(zhì)缺陷的偏聚程度下降[12]，所以低溫沖擊吸收能量較一次正火有較大增加。

為了確定合適的熱處理工藝，針對調(diào)質(zhì)處理與二次正火工藝進(jìn)行對比試驗(yàn)。采用的試驗(yàn)鋼成分為0.220%C、0.520%Si、0.960%Mn、0.020%P、0.016%S、0.420%Cr、0.450%Ni（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），熱處理后的性能見表1。從表中結(jié)果可以看出：在成分相同的條件下，二次正火后的低溫鑄鋼強(qiáng)度稍低，但斷后伸長率較好；調(diào)質(zhì)處理后，強(qiáng)度有了較大提升，但塑性有所下降，低溫沖擊性能提高不明顯；經(jīng)正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)處理后，-60 ℃低溫沖擊性能明顯提升，達(dá)到了20 J 的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)塑性也較未預(yù)備熱處理的試驗(yàn)鋼有所提升。據(jù)此，確定后續(xù)試驗(yàn)鋼種的熱處理工藝為正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)處理。

表1 不同熱處理工藝后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of test steel after different heat treatment processes

2.3 Nb 對耐低溫鑄鋼低溫性能的影響

為了驗(yàn)證Nb 元素對試驗(yàn)鋼低溫沖擊性能的影響，澆注4 爐不同Nb 含量的低溫鑄鋼材料，經(jīng)正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)處理，試驗(yàn)鋼化學(xué)成分與力學(xué)性能見表2。

表2 不同Nb 含量低溫鑄鋼試驗(yàn)材料成分與性能Table 2 Chemical composition and mechanical properties of low temperature cast steel with different Nb content

圖1 為不同Nb 含量對沖擊吸收能量與斷后伸長率的影響曲線?？梢钥闯?，隨著Nb 含量的增加，試驗(yàn)鋼的沖擊吸收能量呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。當(dāng)Nb 含量達(dá)到0.040%時(shí)，沖擊吸收能量達(dá)到最高值。但是斷后伸長率卻呈現(xiàn)完全相反的趨勢，而且斷后伸長率數(shù)值普遍偏低，因此后續(xù)熱處理工藝需要做適當(dāng)調(diào)整，回火溫度應(yīng)予以提高。保持淬火溫度不變，提高回火溫度20 ℃后試驗(yàn)鋼的成分與性能見表3。從表中結(jié)果可以看出，鋼的延伸率有了較大的提升。由于該爐次C 元素偏下限，回火溫度提高，試驗(yàn)鋼強(qiáng)度下降明顯，但仍滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 提高回火溫度后的試驗(yàn)材料成分與性能Table 3 Chemical composition and mechanical properties of test steel after increasing the tempering temperature

圖1 Nb 對沖擊吸收能量與斷后伸長率的影響Fig.1 Effect of Nb on impact absorption energy and elongation after fracture

2.4 Nb 對耐低溫鑄鋼金相組織的影響

圖2 為不同Nb 含量的試驗(yàn)鋼經(jīng)熱處理后的金相組織，可見組織均為鐵素體+回火索氏體。當(dāng)試驗(yàn)鋼中Nb 含量為0.010%時(shí)，組織中回火索氏體相對較為粗大，組織不均勻且局部存在偏聚現(xiàn)象，其強(qiáng)度最低；隨著Nb 含量的增加，回火索氏體與鐵素體晶粒細(xì)化并且均勻，晶界面積隨之增加，裂紋擴(kuò)展所需能量增大，因此低溫沖擊吸收能量升高；但Nb 含量超過0.040%，達(dá)到0.060%時(shí)，鐵素體組織開始部分粗化，晶界面積比之前略有降低，同時(shí)，出現(xiàn)部分針狀魏氏組織（圖2c），導(dǎo)致低溫沖擊吸收能量開始降低；Nb 含量由0.060%增加至0.100%時(shí)，鋼中鐵素體含量由60.14%下降至51.12%，且鐵素體晶粒變得更為細(xì)長，與多邊形鐵素體相比，晶界面積大大降低，裂紋擴(kuò)展所需能量減少，因此其沖擊吸收能量下降較多。

圖2 不同 Nb 含量試驗(yàn)鋼金相組織圖Fig.2 Metallographic structure of test steel with different Nb content

綜上所述，當(dāng)Nb 含量在0.040%時(shí)，試驗(yàn)鋼的組織均勻，晶粒細(xì)化，-60 ℃低溫沖擊吸收能量最好。隨著Nb 含量的提升，晶粒細(xì)化效果逐步減弱，沖擊吸收能量值開始下降。因此，本試驗(yàn)鋼取Nb 含量為0.020%～0.060%。

3 結(jié)論

1）在B+鋼的基礎(chǔ)上，通過添加微合金元素Nb，優(yōu)化合金成分，經(jīng)過正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)處理，在保持B+鋼強(qiáng)度與塑性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)-60 ℃沖擊吸收能量達(dá)到20 J 的目標(biāo)性能要求。

2）該低合金耐低溫鑄鋼經(jīng)正火預(yù)處理+調(diào)質(zhì)處理后，金相組織為鐵素體+回火索氏體；當(dāng)Nb 含量為0.04%時(shí)，組織均勻，晶粒細(xì)化，低溫沖擊性能最好。