V、Nb、RE微合金化低碳鑄鋼性能研究＊

周蘭花 王能為 （攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川攀枝花 617000)

V、Nb、RE微合金化低碳鑄鋼性能研究＊

周蘭花 王能為 （攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川攀枝花 617000)

為提高低碳鑄鋼的力學(xué)、焊接性能，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在鋼中添加微量V、Nb及RE元素，并對(duì)熔煉后的鑄鋼液進(jìn)行鑄造與熱處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加V 0.08%～0.12%，Nb 0.03～0.05%、RE微量的鑄鋼，經(jīng)1 000℃-1 100℃均勻化處理，然后再進(jìn)行正火與時(shí)效處理后，鑄鋼件具有較高的強(qiáng)度、良好的沖擊韌性、較低的碳當(dāng)量與焊接裂紋敏感系數(shù)。

微合金化 鑄鋼 力學(xué)性能 焊接 試驗(yàn) 研究

1 引言

微合金化低碳鑄鋼是在近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)鋼種，與普通鑄鐵相比，微合金化低碳鑄鋼的機(jī)械性能優(yōu)良，具有高的常溫、高溫屈服強(qiáng)度，高的常溫、低溫韌性及良好焊接性能，還具有高抗熱疲勞性能和磁性[1-11]。一般用于制造形狀復(fù)雜，要求強(qiáng)度高、塑性和韌性好，綜合機(jī)械性能優(yōu)良的大型零件，尤其適用于制造難于用鍛造方法生產(chǎn)，又不能用鑄鐵制造的零件，如機(jī)車(chē)車(chē)架、拖拉機(jī)的履帶板及電力設(shè)備。

微合金化低碳鑄鋼是在煉鋼微合金化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。目前，微合金化已由最初的添加單一元素向多元復(fù)合微合金化發(fā)展[12]。本研究V、Nb、RE微合金化后的低碳鑄鋼性能，這對(duì)合金設(shè)計(jì)及V、Nb、RE資源的利用具有十分重要的意義。

圖1 鋼液的鑄造示意圖

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)用原料

試驗(yàn)中熔煉的微合金化低碳鑄鋼使用的基本爐料有：工業(yè)純鐵、T8鋼圓棒、硅鐵、錳鐵，并配加少量的釩鐵、鈮鐵與稀土，并嚴(yán)格控制原料中的S、P等雜質(zhì)含量。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋼成分，C：0.10%～0.25%，Si：0.2%～0.4%，Mn：0.6%～0.9%，P＜0.025%，S＜0.02%，V：0.08%～0.12%，Nb：0.03%～0.05%，RE微量進(jìn)行配料。

2.2 試驗(yàn)方法

在容量為50 kg的真空中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行熔煉，熔煉后的鋼液采用精密鑄造方式鑄造，如圖1所示。

冷卻后的鑄鋼件于1 000℃～1 100℃溫度范圍進(jìn)行均勻化退火，然后進(jìn)行正火，最后進(jìn)行時(shí)效處理。完整的鑄造及熱處理過(guò)程見(jiàn)圖2所示。

按GB/T 228-2002和GB 4159-84作靜拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)，采用布氏硬度計(jì)HB-3000 B進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，采用OLYPUMS光學(xué)顯微鏡作微觀觀察。

圖2 鑄造及熱處理工藝路線圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為試驗(yàn)得到的A、B兩種微合金低碳鋼熔煉后的化學(xué)成分。熱處理件性能檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)鋼液的化學(xué)成分(wt,%)

表2 鑄件的力學(xué)性能

由化學(xué)成分按式（1)計(jì)算鑄件的碳當(dāng)量Ceq，按式（2)計(jì)算鑄件的焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm，結(jié)果一并列入表2中。

由表2可見(jiàn)，與普通低碳鑄鋼生產(chǎn)要求相比，試驗(yàn)得到的A、B兩種鑄鋼件力學(xué)性能良好，表明微合金化能明顯提高低碳鑄鋼的力學(xué)性能。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算分析得到的碳當(dāng)量（Ceq)及焊接裂紋敏感系數(shù)（Pcm)都在較合適的范圍內(nèi)，表明兩種鑄鋼件具有良好的焊接性能。

試驗(yàn)得到的鑄造件及其熱處理件在光學(xué)顯微鏡下的金相組織見(jiàn)圖3。

圖3 試樣的鑄造組織

由圖 3（a)（b)可以看到，鑄件的鑄態(tài)組織均為粗大的鐵素體和分布在鐵素體晶界邊緣的成條狀分布的珠光體組織，還包括一些從晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)呈片狀的魏氏鐵素體組織。但經(jīng)均勻化處理后（見(jiàn)圖3中的（c)、（d))，鑄件組織明顯得到了改善，鐵素體尺寸變小，但由于試樣在高溫下（1 000℃～1 100℃)保溫時(shí)間較長(zhǎng)（3 h)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致冷卻后鐵素體組織仍比較粗大。原先分布十分分散的珠光體逐漸成塊狀分布。隨著鋼中碳含量的提高，鑄件珠光體的數(shù)量明顯增加。由圖3中（e)與（f)圖可見(jiàn)，經(jīng)正火處理后，奧氏體分布重新變得均勻化，這是因?yàn)殍T件的正火溫度較均勻化溫度低，且時(shí)間短，以及鐵素體中溶解的Nb的碳化物及碳氮化合物的含量少，未溶的顆粒集中于晶界或位錯(cuò)線上，阻止晶粒長(zhǎng)大，使奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大;與（c)、（d)圖相比，（e)、（f)圖中對(duì)應(yīng)鑄件中的鐵素體平均尺寸都較細(xì)小、均勻。

另一方面，分析圖3可見(jiàn)，低碳鑄鋼中添加微量Nb合金元素后，在正火之前進(jìn)行均勻化處理，溫度升高到1 000℃～1 100℃，鑄件的偏析減少，V(C,N)完全溶解，而Nb(C,N)部分溶解，結(jié)果使鑄件中的合金元素分布及組織趨于均勻。均勻化處理中沒(méi)有溶解的Nb(C,N)粒子在冷卻過(guò)程中能有效地釘扎在奧氏體晶界上，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化了晶粒。再經(jīng)900℃～1 000℃下的正火處理，Nb(C,N)粒子更加穩(wěn)定，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力被降低。隨后進(jìn)行的600℃下的4 h時(shí)效處理過(guò)程中，以固溶狀態(tài)保持在鐵素體中的Nb將以彌散細(xì)小的Nb(C,N)顆粒形式析出，從而使鑄件的屈服強(qiáng)度升高。

5 結(jié)論

5.1 按預(yù)設(shè)成分添加微量合金元素熔煉鋼液，并對(duì)熔煉后的鋼液進(jìn)行精密鑄造，以避免鋼液吸氣，為提高鑄件性能創(chuàng)造條件。

5.2 試驗(yàn)得到的兩種微合金化低碳鑄鋼，經(jīng)1 000℃～1 100℃均勻化處理，然后再進(jìn)行正火處理、時(shí)效處理后，試驗(yàn)得到的熱處理件具有較高的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，較高的沖擊韌性。獲得的兩類(lèi)鑄件的碳當(dāng)量分別為0.33和0.27，焊接裂紋敏感系數(shù)分別為0.27和0.17，表明試驗(yàn)鑄件具有優(yōu)良的焊接性能。

5.3 試驗(yàn)的兩種鑄鋼件鑄態(tài)組織主要為粗大的鐵素體和分布在鐵素體晶界邊緣的成條狀分布的珠光體組織，其次為從晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)呈片狀的魏氏鐵素體組織。經(jīng)均勻化處理后，呈塊狀的鐵素體與珠光體混合組織，最后經(jīng)過(guò)正火處理后鐵素體與珠光體的平均尺寸都變得更細(xì)小，且更均勻。

[1]董寅生,蘇華欽.多元微合金化低碳鑄鋼的試驗(yàn)研究[J].鑄造,1997(3):24-26.

[2]胡鵬,任玲.低碳鑄鋼微合金化的試驗(yàn)研究[J].山西電力技術(shù),1997(1):8-11.

[3]陳威,高義民,邢建東,王必輝,汪勇,梁龍.一種低合金低溫鑄鋼及其組織與性能[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(7):875-879.

[4]金寶士,黃志求.低碳低合金鑄鋼力學(xué)性能的研究 [J].鑄造技術(shù),2005,26(4):277-284.

[5]鈮國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議·鈮·科學(xué)與技術(shù) [C].北京:冶金工業(yè)出版社,2003:526-530.

[6]胡心彬,李麟,吳曉春.鈮微合金化在特殊鋼中的應(yīng)用[J].金屬熱處理,2003,28(6):5-10.

[7]吳城建,陳國(guó)良等.金屬材料學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.[8]曾小平.淺談鋼的微合金化[J].天津冶金,2006(3):3-6.

[9]馬捷.低碳微合金化鑄鋼[J].鑄造,1990(2):13-20.

[10]馬捷,陳木蘭,孫方策,賈育丁,李光嵐,許鋒,金言宜,孫卜慶.低碳鈮釩微合金化鑄鋼的研究[J].鑄造,1990(12):5-11.

[11]徐超,韓建民,崔世海,李衛(wèi)京,王京華.正火溫度對(duì)微合金化鑄鋼組織和性能的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(4):96-99.

[12]趙振業(yè).合金鋼設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999.

Study on Properties of V,Nb and Re Microalloying Low Carbon Cast Steel

Zhou Lanhua,Wang Nengwei

Trace V,Nb and Re were added to liquid steel according to the test design and melted steel was cast and heat treated so as to improve the mechanical and welding properties of low carbon cast steel.Test results showed that when the cast steel was added with 0.08%～0.12%V,0.03～0.05%Nb and trace Re,after homogenization treatment at 1 000℃ -1 100℃ and normalizing and ageing treatment,the cast steel parts presented high strength,good impact toughness,low carbon equivalent and low welding crack susceptibility.

microalloying,cast steel,mechanical property,welding,test,study

四川省青年科技基金資助項(xiàng)目（08ZQ026-067)，攀枝花學(xué)院教研教改項(xiàng)目（JJ0622,JJ0803)。

（收稿 2010－12－01 責(zé)編 趙實(shí)鳴)

周蘭花（1969-)，女，1992年本科畢業(yè)于重慶大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)，副教授。現(xiàn)在四川省攀枝花學(xué)院從事冶金工程教學(xué)與科研工作。