鈮元素對車鉤鑄件材料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，是在機車以及車輛、車輛以及車輛之間起連掛作用的，并在火車運行時傳遞牽引力，同時緩解沖擊力，在車輛運輸時起著非常重要的作用[1]。當(dāng)貨車運行時，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，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，同時在表面會產(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、開鎖、全開3種作用位置)等諸多不良的失效形式，會引起安全問題，造成一定的經(jīng)濟損失。

目前我國鐵路部門主要開發(fā)及制造ZG24SiMnVTi、ZG25MnCrNiMo和ZG32MnMoNiCu等高強度材料[2]。為適應(yīng)火車車鉤出現(xiàn)的越來越多失效形式，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)化以及使鑄鋼的過熱敏感性和回火脆性降低，同時還可以提高其強度，但是塑性以及韌性會因此降低。若果在低合金鋼中添加一定量的鈮元素，能過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。因為，探討鈮元素的加入對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 試驗方案

1.1 合金化學(xué)成分試驗方案

本試驗在內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的ZG25MnCrNiMo鑄鋼（具體成分見表1）基礎(chǔ)上，重新設(shè)計成分組成。試驗中固定Si、Mn、Mo、Cu、Cr的含量，降低Ni含量為0.35%，測試添加0.03%的鈮元素時合金的性能，具體成分設(shè)計方案見表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 加入鈮元素的試驗方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

1.2 熱處理工藝試驗方案

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

1.3 力學(xué)性能測試方案

熱處理完成之后應(yīng)對車鉤用試驗鋼進行拉伸、沖擊以及金相觀察等試驗，對抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、斷后延伸率、沖擊吸收功等數(shù)據(jù)進行整理，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

拉伸實驗嚴(yán)格按照GB/T228-2002所規(guī)定的方法進行的，常溫單向拉伸實驗是在WDW-E3200微機控制電子萬能實驗機上進行的。實驗結(jié)束后，萬能材料實驗機自動繪圖裝置可自動繪制出深沖鋼板的拉伸圖，其力學(xué)性能由計算機自動給出。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

沖擊試驗按GB/T 18658-2002進行，使用JBN-300B半自動沖擊試驗機作沖擊試驗。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之后棒材的尾端部分，按照金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)工藝來制備，采用光學(xué)金相顯微鏡進行組織觀察。

2 Nb元素對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+級鋼）

2.1 拉伸、沖擊試驗測試結(jié)果及分析

圖5 Nb加入量為0.03%時拉伸試驗曲線圖

2.2 拉伸試驗結(jié)果

表4 拉伸試驗結(jié)果

3 沖擊試驗結(jié)果

表5 沖擊試驗結(jié)果

分析圖5和表4，對比表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，試樣的屈服強度以及抗拉強度都能達到材料的使用要求并略高于對比值。試樣的延伸率以及斷面收縮率也呈現(xiàn)出略高的態(tài)勢，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，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。

這時候的鐵素體已經(jīng)基本上不存在碳的過飽和度，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。晶粒大小對車鉤的組織性能會產(chǎn)生不同程度的影響，尤其對塑性的影響更大。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

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

（1）對于車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo來說，當(dāng)調(diào)整鎳含量為0.35%，添加Nb元素0.03%時，試樣的屈服強度、抗拉強度、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)于未添加鈮元素時的態(tài)勢。當(dāng)鈮元素加入后，試樣的沖擊韌度也會得到較大的改善。

（2）Nb元素對于組織的晶粒細(xì)化會有一定程度上的影響，當(dāng)添加量為0.03%時，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)于該元素深刻的機理性問題，最優(yōu)添加量的確定，還需要進一步的試驗分析。