電渣熔鑄ZG06Cr13Ni4Mo低碳馬氏體不銹鋼力學性能研究

馮 浩，劉福斌，李花兵，姜周華，董艷伍，陳 瑞，宋照偉，耿 鑫

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.沈陽鑄造研究所，沈陽 110021)

電渣熔鑄ZG06Cr13Ni4Mo低碳馬氏體不銹鋼力學性能研究

馮 浩1，劉福斌1，李花兵1，姜周華1，董艷伍1，陳 瑞2，宋照偉2，耿 鑫1

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.沈陽鑄造研究所，沈陽 110021)

對熱處理后的電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo分別進行拉伸試驗、沖擊試驗和硬度試驗，利用金相顯微鏡 (OM)觀察熱處理后的顯微組織，應用掃描電鏡 (SEM)觀察拉伸斷口和沖擊斷口，系統研究了電渣熔鑄前后低碳馬氏體不銹鋼的力學性能.通過與電極的對比表明，電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的晶粒更加細小，其力學性能優于自耗電極，并且各向異性程度低.

電渣熔鑄;低碳馬氏體不銹鋼;力學性能

ZG06Cr13Ni4Mo是一種低碳馬氏體不銹鋼，對應于ASTM標準中的CA6NM不銹鋼，因其優異的鑄造和焊接性能、良好的強韌性及耐腐蝕性被廣泛應用于水輪機組件、閥體、核電站壓力容器及海上的鉆井平臺中［1～3］.該馬氏體不銹鋼的優異性能源于其特殊的微觀組織.經過恰當的正火及回火處理后，其微觀組織為回火馬氏體和彌散分布在馬氏體基體中的片層狀逆變奧氏體的兩相結構［4～6］.塑性變形時逆變奧氏體能夠吸收變形功轉變成馬氏體，顯著改善材料韌性.本文用電渣重熔對鋼錠進行二次精煉，獲得了高金屬純凈度、組織致密、晶粒細小的06Cr13Ni4M電渣鑄錠，并對它的力學性能進行了系統研究.

1 實驗研究方案

實驗采用電渣熔鑄工藝制備低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo.自耗電極和電渣錠的化學成分如表1所示.對自耗電極和電渣錠采用相同的熱處理工藝進行處理，如表2所示.熱處理后，分別在自耗電極和電渣錠的橫截面和縱截面上切取試樣.所有試樣經砂紙濕磨后拋光，采用質量分數為10%的草酸溶液進行電解腐蝕.應用金相顯微鏡(OM)觀察顯微組織.

表1 自耗電極與電渣錠化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of consumed electrode and ingot(mass fraction) %

表2 自耗電極和電渣錠的熱處理工藝Table 2 Heat－treatment process of consumed electrode and ingot

分別沿電渣錠和自耗電極的軸向和徑向切取拉伸棒狀試樣.在SANS－CMT5105型微機控制電子萬能試驗機上進行室溫拉伸性能測定，拉伸速度為3 mm·min－1，引伸計標距為25 mm.測定所有試樣的抗拉強度Rm、規定非比例延伸強度Rp0.2、斷后伸長率A和斷面收縮率Z.應用掃描電鏡(SEM)觀察試樣斷口形貌，研究斷裂的微觀機理.經過相同熱處理后，分別沿電渣錠和自耗電極的軸向和徑向切取沖擊試樣.在JBW－500屏顯式沖擊試驗機上進行沖擊試驗，測定所有試樣的沖擊功AKV.應用掃描電鏡(SEM)觀察試樣斷口形貌，研究斷裂的微觀機理.在熱處理后的電渣錠和自耗電極上分別切取試樣，經砂紙濕磨后拋光，應用布氏硬度計測定試樣上3個不同位置的硬度，取平均值作為最終結果.

2 結果與討論

2.1 熱處理后的顯微組織

圖1 電極和電渣錠顯微組織Fig.1 Microstructure of electrode and ingot(a)—電極橫截面;(b)—電極縱截面;(c)—電渣錠橫截面;(d)—電渣錠縱截面

經過熱處理后電渣錠與自耗電極的微觀組織如圖1所示.與自耗電極相比，電渣錠橫截面和縱截面的晶粒更加細小.由于電渣熔鑄具有良好的凝固條件，因此電渣錠的組織致密均勻，晶粒細小，電渣錠經過熱處理后晶粒更加細小.而電極采用砂型鑄造，原始晶粒粗大，雖然熱處理具有細化晶粒的作用，但其晶粒尺寸仍較大.

2.2 拉伸性能研究

電渣錠和電極拉伸性能的測定結果如表3所示，從表中可知電渣錠的Rm為810 MPa以上，RP0.2為 575 MPa以上，A為 21.7%以上，Z為67.3%以上.通過與電極的對比可以看出，電渣錠的拉伸性能優于電極，并且各向異性的程度較低.

表3 電渣錠和電極拉伸性能Table 3 Tensile property of electrode and ingot

從電渣錠和電極的顯微組織(見圖1)可以看出，由于電渣熔鑄冷卻強度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細小.由于金屬晶粒越細小，晶界的總面積越大，變形晶粒中的位錯在晶界處受到的阻力越大，金屬的強度越高.細小晶粒內部和晶界附近的應變相差較小，變形較均勻，因應力集中引起開裂的概率也較少，在斷裂之前可承受較大的變形量，因此細晶粒電渣錠的塑性較高［7］.同時，由于電渣熔鑄順序結晶和定向凝固的特點，電渣錠的組織更加均勻，因此其各向異性程度低.

利用掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌(圖2).從圖2中可以看出，電渣錠中韌窩數量多，深度大，因此塑性更好.電渣錠軸向拉伸試樣的斷口形貌與徑向拉伸試樣的斷口形貌大致相同，因此各向異性程度低.

圖2 電極和電渣錠拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture of electrode and ingot(a)—電極縱截面;(b)—電極橫截面;(c)—電渣錠縱截面;(d)電渣錠橫截面

2.3 沖擊性能研究

電渣錠和電極的沖擊性能如表4所示.從表中可知，電渣錠的沖擊功為154 J以上.通過與電極的對比可以看出，電渣錠的沖擊韌性更好，各向異性程度更低.從電渣錠和電極的顯微組織(圖1)可以看出，由于電渣熔鑄冷卻強度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細小.金屬晶粒越細小，晶界的總面積越大，變形晶粒中的位錯在晶界處受到的阻力越大，金屬的強度越高.由于細晶粒金屬的裂紋不易產生也不易擴展，因而在斷裂過程中吸收了更多的能量，表現出較高的韌性［7］.同時，由于電渣熔鑄順序結晶和定向凝固的特點，電渣錠的組織致密均勻，各向異性程度低.

圖3 電渣錠和電極沖擊斷口形貌Fig.3 Impact fracture of electrode and ingot(a)—電極縱截面;(b)—電極橫截面;(c)—電渣錠縱截面;(d)—電渣錠橫截面

表4 電渣錠和電極沖擊性能Table 4 Impact property of electrode and ingot

應用掃描電鏡(SEM)觀察電渣錠與電極的沖擊斷口形貌如圖3所示，從圖中可以看出電渣錠斷口處的韌窩數量較多，分布均勻，表現出較好的沖擊韌性.同時，電渣錠軸向試樣的斷口形貌與徑向試樣的斷口形貌大致相同，電渣錠各向異性程度低.

2.4 布氏硬度研究

應用布氏硬度計測定熱處理后電渣錠與電極的硬度如表5所示.從表中可以看出電渣錠的硬度值為278，高于電極的硬度.從電渣錠和電極的顯微組織可以看出，由于電渣熔鑄冷卻強度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細小.同時金屬晶粒越細小，晶界的總面積越大，變形晶粒中的位錯在晶界處受到的阻力越大，宏觀表現為金屬的硬度值越高.

表5 電渣錠和電極布氏硬度Table 5 Brinell hardness of electrode and iongt

3 結論

以熱處理后的電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼為研究對象，分別進行拉伸試驗、沖擊試驗和硬度試驗，利用金相顯微鏡(OM)觀察熱處理后的顯微組織，應用掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口和沖擊斷口，研究電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的力學性能.通過與電極的對比，研究電渣熔鑄對力學性能的影響.具體研究結果如下:

(1)經過熱處理后，電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的晶粒更加細小.電渣熔鑄具有良好的凝固條件，因此電渣錠的組織致密均勻，晶粒細小，電渣錠經過熱處理后晶粒更加細小.而電極采用砂型鑄造，原始晶粒粗大，雖然熱處理具有細化晶粒的作用，但其晶粒尺寸仍較大.

(2)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的Rm為810 MPa以上，RP0.2為 575 MPa以上，A為21.7%以上，Z為67.3%以上.電渣錠的拉伸性能明顯優于電極，并且各向異性的程度低.由于電渣熔鑄冷卻強度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細小，塑性更高.同時，由于電渣熔鑄順序結晶和定向凝固的特點，電渣錠的組織更加均勻，因此其各向異性程度低.

(3)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的沖擊功在154 J以上，沖擊韌性優于電極，各向異性程度更低.由于電渣熔鑄冷卻強度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細小，韌性更好.同時，由于電渣熔鑄順序結晶和定向凝固的特點，電渣錠的組織致密均勻，各向異性程度低.

(4)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的布氏硬度為278，高于電極的硬度.由于電渣熔鑄冷卻強度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細小，宏觀表現為電渣錠的硬度值更高.

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Research on mechanical properties of ZG06Cr13Ni4Mo low carbon martensitic stainless steel manufactured by electroslag casting process

Feng Hao1，Liu Fubin1，Li Huabing1，Jiang Zhouhua1，Dong Yanwu1，Chen Rui2，Song Zhaowei2，Geng Xin1

(1.College of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China; 2.Shenyang Casting Institute，Shenyang 110021，China)

After treatment the tensile test，impact test and hardness test for the low carbon martensitic stainless steel ZG06Cr13Ni4Mo heat manufactured by electroslag casting process were carried out respectively.The microstructure of the steel was observed by metallurgical microscope(OM)and the tensile fracture and impact fracture were also investigated.The mechanical properties of the ZG06Cr13Ni4Mo steel before and after electroslag casting process were compared.Compared with the electrode，the electroslag casting ingot exhibits more finer grain and more excellent mechanical properties.The degree of anisotropy was low and the mechanical properties was better than that for the electrode.

electroslag casting process;low carbon martensitic stainless steel;mechanical properties

TG 113

A

1671-6620(2013)01-0045-05

2012-10-11.

國家重大科技專項“電渣熔鑄大型鑄鍛件工藝技術研究”(2010ZX04016－014).

馮浩 (1992—)，男，東北大學碩士研究生，E－mail:zqzk159@163.com;姜周華 (1963—)，男，東北大學教授，博士生導師.