鈮元素對(duì)車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo顯微組織及力學(xué)性能的影響

孫志娟，李小飛

（1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

車鉤又稱車鉤緩沖裝置，是在機(jī)車以及車輛、車輛以及車輛之間起連掛作用的，并在火車運(yùn)行時(shí)傳遞牽引力，同時(shí)緩解沖擊力，在車輛運(yùn)輸時(shí)起著非常重要的作用[1]。當(dāng)貨車運(yùn)行時(shí)，車鉤可以承受抗拉，抗壓，抗沖擊，抗彎以及其他力的綜合效應(yīng)，工況非常復(fù)雜，使用條件極其惡劣。當(dāng)在較低的速度和牽引力的總重量時(shí)，車鉤所表現(xiàn)的失效形式主要是鉤舌產(chǎn)生的表面磨損以及拉豁塑性變形等，同時(shí)在表面會(huì)產(chǎn)生許多比較淺的裂紋，斷鉤現(xiàn)象很少發(fā)生。另外，鉤舌以及鉤身產(chǎn)生疲勞斷裂的問(wèn)題也逐漸明顯，漸漸成為車鉤主要的失效形式之一。車鉤易出現(xiàn)的裂紋、變形、磨耗和三態(tài)作用(具有閉鎖、開(kāi)鎖、全開(kāi)3種作用位置)等諸多不良的失效形式，會(huì)引起安全問(wèn)題，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

目前我國(guó)鐵路部門主要開(kāi)發(fā)及制造ZG24SiMnVTi、ZG25MnCrNiMo和ZG32MnMoNiCu等高強(qiáng)度材料[2]。為適應(yīng)火車車鉤出現(xiàn)的越來(lái)越多失效形式，研究火車車鉤的化學(xué)成分，從而改善車鉤的綜合性能具有十分重要的意義。

在鋼中添加一定的微量元素是提高其綜合性能最有效的方法之一。鈮元素可以使組織晶粒細(xì)化以及使鑄鋼的過(guò)熱敏感性和回火脆性降低，同時(shí)還可以提高其強(qiáng)度，但是塑性以及韌性會(huì)因此降低。若果在低合金鋼中添加一定量的鈮元素，能過(guò)改善鑄鋼抗大氣腐蝕和高溫下抗氫、氮、氨等元素的腐蝕性能。此外，添加一定量的鈮元素還可以使焊接性能得到改善，如果在奧氏體不銹鋼中添加鈮元素，能夠避免出現(xiàn)晶間腐蝕的現(xiàn)象。因?yàn)椋接戔壴氐募尤雽?duì)車鉤鑄件材料顯微組織及力學(xué)性能的影響，具有十分顯著的意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 合金化學(xué)成分試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的ZG25MnCrNiMo鑄鋼（具體成分見(jiàn)表1）基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)成分組成。試驗(yàn)中固定Si、Mn、Mo、Cu、Cr的含量，降低Ni含量為0.35%，測(cè)試添加0.03%的鈮元素時(shí)合金的性能，具體成分設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表1 內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的ZG25MnCrNiMo鑄鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 加入鈮元素的試驗(yàn)方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

1.2 熱處理工藝試驗(yàn)方案

為獲得優(yōu)異的性能指標(biāo)，本試驗(yàn)采用正火+淬火+回火處理工藝，具體工藝如圖所示。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試方案

熱處理完成之后應(yīng)對(duì)車鉤用試驗(yàn)鋼進(jìn)行拉伸、沖擊以及金相觀察等試驗(yàn)，對(duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后延伸率、沖擊吸收功等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，便于了解該種鋼的綜合力學(xué)性能。

圖1 正火工藝曲線

圖2 淬火工藝曲線

圖3 回火工藝曲線

1.3.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T228-2002所規(guī)定的方法進(jìn)行的，常溫單向拉伸實(shí)驗(yàn)是在WDW-E3200微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪圖裝置可自動(dòng)繪制出深沖鋼板的拉伸圖，其力學(xué)性能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)給出。拉伸試樣為棒材試樣，標(biāo)距為50mm，標(biāo)距范圍內(nèi)直徑為10mm。如圖所示：

圖4 拉伸試樣

1.3.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)按GB/T 18658-2002進(jìn)行，使用JBN-300B半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)作沖擊試驗(yàn)。沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口深度為2 mm。沖擊試樣為V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，全部沖擊試驗(yàn)溫度為室溫。

1.3.3 金相組織觀察

金相組織觀察所采用的試樣截取自拉伸試驗(yàn)之后棒材的尾端部分，按照金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)工藝來(lái)制備，采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

2 Nb元素對(duì)ZG25MnCrNiMo組織及性能的影響

內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo，其中不含微量元素鈮，鎳含量為0.55%。其力學(xué)性能值如表3。

表3 力學(xué)性能值（E+級(jí)鋼）

2.1 拉伸、沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

圖5 Nb加入量為0.03%時(shí)拉伸試驗(yàn)曲線圖

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

分析圖5和表4，對(duì)比表3內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的不含微量元素鈮，鎳含量為0.55%的車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo力學(xué)性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎳含量為0.35%，添加Nb元素0.03%時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度都能達(dá)到材料的使用要求并略高于對(duì)比值。試樣的延伸率以及斷面收縮率也呈現(xiàn)出略高的態(tài)勢(shì)，這表明試樣的塑性也在改善。

由表5可以看出，當(dāng)鈮元素加入后，試樣的沖擊韌度得到較大的改善。

4 金相組織觀察結(jié)果及分析

試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后，用3%～5%的硝酸酒精溶液腐蝕10s～13s后用濾紙吸干，在金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。（圖片為1000倍下所采集的照片）。

從圖中可以看出，經(jīng)正火預(yù)處理，然后淬火+高溫回火后，試樣的顯微組織由回火索氏體組成。回火索氏體于馬氏體在高溫回火(500℃～600℃)時(shí)形成，它是一種在鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物(包括滲碳體)球粒的復(fù)合組織，同時(shí)，其作為馬氏體的一種回火組織，是鐵素體以及粒狀碳化物的混合物。

這時(shí)候的鐵素體已經(jīng)基本上不存在碳的過(guò)飽和度，其碳化物也是穩(wěn)定型碳化物，在常溫下屬于平衡組織。回火索氏體具備良好的韌性以及塑性，而且也具備較高的強(qiáng)度，所以它的綜合力學(xué)性能十分優(yōu)良。

圖6 Nb加入量為0.03%

Nb含量為0.03%的試樣的金相組織晶粒較為比較細(xì)小。晶粒大小對(duì)車鉤的組織性能會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，尤其對(duì)塑性的影響更大。晶粒越大，材料的塑性越小；晶粒越細(xì)，材料強(qiáng)度越高。

總體表明，一定量的Nb元素可以起到細(xì)化晶粒的作用。

5 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)探討鈮元素的添加對(duì)車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo組織及性能的影響，并得出如下初步結(jié)論：

（1）對(duì)于車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo來(lái)說(shuō)，當(dāng)調(diào)整鎳含量為0.35%，添加Nb元素0.03%時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率均能滿足車鉤的使用性能，并總體表現(xiàn)出優(yōu)于未添加鈮元素時(shí)的態(tài)勢(shì)。當(dāng)鈮元素加入后，試樣的沖擊韌度也會(huì)得到較大的改善。

（2）Nb元素對(duì)于組織的晶粒細(xì)化會(huì)有一定程度上的影響，當(dāng)添加量為0.03%時(shí)，晶粒比較細(xì)小。

以上結(jié)果表明，在研發(fā)車鉤鑄件材料過(guò)程中，鈮元素的加入是可嘗試的，具有一定的可行性。關(guān)于該元素深刻的機(jī)理性問(wèn)題，最優(yōu)添加量的確定，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。