殘余元素對船用碳錳鋼材料的影響

陳江忠

摘要：隨著船舶行業向著高、精、尖方向發展，對船用軸舵系鑄件的性能要求也不斷提高，不僅要求鑄件具有較高的強度性能，同時具有低溫高韌性，以便適應不同航線區域的需求。通過對傳統的船用碳錳鋼鑄件材料的組分中的殘余元素Cr、Ni、Mo進行有效控制和利用，并通過制訂合理的熱處理工藝，細化了晶粒，提高了鑄件材料的綜合力學性能。

關鍵詞：船用碳錳鋼;殘余元素;細化晶粒;熱處理工藝

中圖分類號：U671

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.016

1 鑄件材料成分與性能分析

船用軸舵系鑄件作為船體和輪機的重要零部件，在鑄件材料的選擇上不僅要較高的強度性能，同時為了適應不同航行區域的氣候，鑄件材料具有低溫高韌性?？紤]到鑄件與鋼板焊接的需要，要求鑄件材料具有良好的可焊性。因此，船用軸舵系鑄件在設計上往往采用船用碳錳鋼材料。船用碳錳鋼材料制作船用軸舵系鑄件時，其材料化學成分和力學性能一般要求如下。

化學成分：C含量小于等于0.23%，Mn含量小于等于1.60%，Si含量小于等于0.60%，S含量小于等于0.030%，P含量小于等于0.030。

殘余元素：Cr含量小于等于0.30%，Ni含量小于等于0.40%，Mo含量小于等于0.15%，Cu含量小于等于0.30%。

力學性能：抗拉強度Rm≥400 MPa，屈服強度≥200 MPa，伸長率45≥25%，斷面收縮率Z≥40%，沖擊吸收功Akv（20℃）≥27 J（平均值）。

20℃的沖擊韌性值為一般航行區域的試驗要求，根據不同冰區加強要求，往往需要在0℃、- 10℃、- 20℃時沖擊韌性值平均值超過27J。

2 鑄件材料技術特點

2.1 材料特性分析

對符合常規標準要求的化學成分進行熱處理后再進行力學性能測試發現，在滿足強度要求時，材料的常溫沖擊吸收功Akv能滿足平均值大于27J，在0℃時材料的沖擊吸收功Akv也基本能滿足要求。但實驗溫度降到- 20℃時，材料的低溫沖擊值很低，往往在10 J以下，分析材料的金相組織可以看出，熱處理后的常溫金相組織為索氏體+部分珠光體。根據金相組織分析，造成材料低溫韌性值低主要原因是材料化學成分的組分構成決定了在熱處理過程中，完全奧氏體化時晶粒的大小無法控制在相應機械性能要求的晶粒度范圍。

2.2 材料調整優化方向和措施

該材料主體元素為C、Si、Mn、S、P，其中C、Si、Mn為三大主體元素，設計上只規定上限值，但對Mn/C比值一般要求大于3。而S、P為殘余有害元素，因此在冶煉時往往要求盡可能去除，C、Si、Mn元素對提高材料的強度都有積極的作用，因此含量不宜過低。但是隨著該三大元素含量的升高，特別是超過一定的量后，對于材料的韌性和焊接性能都會起反作用，尤其對于材料的韌性一脆性轉變影響很大。

從提高韌性的角度出發，應降低C、Si、Mn元素的含量，但是C、Si、Mn元素含量的下調會造成材料強度性能的下降，為了保證強度不受影響，通過調整部分微量合金元素來細化晶粒，從而達到提高強度的目的。常規的碳錳鋼鑄件材料在生產時，原材料中會含有一定量的Cr、Ni、Mo、Cu等殘余元素，但是這些殘余元素的含量很少（往往都在0.10%以下，特別是Cu的含量微乎其微，基本上在O.0l%以下，因此不考慮Cu的影響），對材料的機械性能影響甚微。而這些殘余元素中，Cr、Mo、Ni殘余含量應控制在材料規定殘留范圍內，同時將它的殘留量控制在一定范圍，不僅不會對材料的焊接性產生影響，同時還會對鋼能起到細化晶粒、提高材料的綜合力學性能的作用。

Mo能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。Mo對鐵素體具有固溶強化作用，同時也可提高碳化物的穩定性，結構鋼中加入Mo，能提高機械性能。還可以抑制回火脆性。Mo是鐵素體形成元素，易出現鐵素體6相或其他脆性相而使韌性降低，與Cr、Ni結合可大大提高鋼的淬透性。

在結構鋼和工具鋼中，Cr是中等碳化物形成元素，在所有碳化物中，鉻碳化物是最細小的一種，它可均勻地分布在鋼體積中，所以具有高強度、高硬度、高屈服點和高耐磨性。由于它能使組織細化而又均勻分布，所以塑性、韌性也較好;Cr可使奧氏體分解速度減緩，降低淬火時的臨界冷卻速度，因而有助于馬氏體形成和提高馬氏體的穩定性，所以Cr鋼具有優良的淬透性，且淬火變形較小。Cr與Mo結合，能使淬火鋼中殘余奧氏體增加，而有助于獲得需要粉碎程度的碳化物相，提高結構鋼的強度和塑性。

Ni能強化鐵素體并細化和增多珠光體，提高鋼的強度和不降低鋼的韌性，Ni和Fe能無限固溶，擴大Fe的奧氏體區，升高A4點，降低A3點，降低臨界轉變溫度，降低鋼中各元素的擴散速率，提高鋼的淬透性，具有耐腐蝕和抗氧化能力。

根據合金元素對鋼晶粒度的不同影響，同時結合船用碳錳鋼焊接性及該元素在材料中的最大允許殘余量，將三種殘余元素控制在如下范圍：Cr為0.20% - 0.30%，Mo為0.lO% -0.15%，Ni為0.20% - 0.40%。綜合以上，得出優化后的碳錳鋼鑄件的化學成分，如表1所示。

2.3 實驗結果

用優化的碳錳鋼材料生產的船用軸舵系鑄件，采用專門的正火+回火熱處理工藝。分別在常溫20℃、0℃、- IO℃、- 20℃進行取樣力學性能試驗，所測沖擊吸收功平均值均超過了27J，如表2所示。

3 結論

綜上所述，通過控制船用碳錳鋼中的殘余元素Cr、Ni、Mo的殘余含量，可以有效提高船用碳錳鋼鑄件的綜合力學性能，尤其是低溫力學性能可以得到很好的改善。由于優化后的碳錳鋼材料具有高強度、高韌性的特點，因此可以代替部分低合金鋼材料使用，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[l]鑄鋼手冊編寫組.鑄鋼手冊[M].北京：機械工業出版社.1977.

[2]中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄鋼手冊（第2卷： 鑄鋼）[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]陳琦，彭兆弟.鑄造技術問題對策[M].北京：機械工業出版社.2008.