碳含量及热处理工艺对一种铸钢力学性能的影响

1碳含量及热处理工艺对一种铸钢力学性能的影响贾崇林李振瑞韩峰牛永吉（北京北冶功能材料有限公司，北京100192）摘要：研究了碳含量及热处理工艺对ZG20Cr3Mo铸钢的力学性能和组织的影响。结果表明：随碳含量增高，析出的碳化物数量增多，碳化物颗粒钉扎铁素体相晶界和位错作用增强，导致该铸钢的强度、硬度增高而钢的延伸率降低，冲击功呈降低趋势。在650℃～700℃回火处理时，获得的组织为回火索氏体+碳化物，且随回火温度的升高，钢的强度降低，塑性得以改善。随回火时间延长，碳化物聚集长大，钢的强度、硬度降低，而延伸率增高。关键词：碳含量、热处理工艺、ZG20Cr3Mo铸钢、力学性能TheEffectOfCContentandHeatmentTechnologyonMechanicalPropertiesOfACastSteelJIAChonglin,LIZhenrui,NIUYongji(BeijingBeiyeFunctionalMaterialCorporation,Beijing100192)ABSTRACTThispaperintroducestheeffectofCcontentandheattreatmenttechnologyonmechanicalpropertiesandmicrostructureofcaststeelZG20Cr3Mo.TestresutsshowthatwithCcontentincreasing,morecarbideswillprecipitateandcarbideparticlesthatpindownatferriticgrainboundaryanddislocationwillmakestrengthandhardnessofthecaststeelincreasewhileelongationandimpacttoughnessdecline.Whentemperedbetween650℃～700℃,microstructureofcaststeelistemperedsorbiteandcarbide.Withthetemperingtemperatureincreasing,strengthofthecaststeelisdeclinedandplasticitycanbeimproved.Whentemperingtimeextend,carbideparticleswillgatherandgrow,sothestrengthandhardnessofthecaststeelarereducedandtheelongationisraised.KEYWORDSCcontent，heattreatmenttechnology，ZG20Cr3Mocaststeel，mechanicalpropertiesZG20Cr3Mo是一种不含Ni的新型低合金铸造结构钢，具有良好的塑性、韧性及工艺性能，可用于制造航空发动机附属件及飞机的受力构件。由于ZG20Cr3Mo钢碳含量范围较宽（≤0.25%），另外，该铸钢没有标准的热处理工艺可依循，在对该材料国产化试制过程中，发现其力学性能对钢的碳含量及热处理工艺十分敏感。为使该钢的力学性能达到技术要求，确定该钢合理的碳含量控制范围及不同碳含量下的热处理制度显得格外重要。本文研究了碳含量及热处理工艺对该铸钢组织和性能的影响，为ZG20Cr3Mo钢的成分控制及确定最佳热处理工艺提供依据。21、材料和试验方法试验用料是在800Kg中频感应炉上冶炼的。主要成分为：C0.11，Si0.51，Mn0.53，Cr2.81，Mo0.49，Cu0.11，Fe余。为研究不同碳含量和不同热处理工艺对钢的组织和性能的影响，在上述成分基础上用10Kg高频感应炉浇注3炉梅花试样。炉号分别为：1#、2#、3#。这三炉试样的碳含量分别为（wt-%）：0.13%、0.18%、0.20%。研究碳含量对钢的组织和性能的影响所用试样的热处理制度为：900℃/80min，炉冷至500℃出炉+900℃/80min，油淬+600℃/100min，空冷。对3#钢的部分试样采用不同的回火制度，研究了回火温度（650～700℃）和回火时间等参数对该铸钢的组织和性能的影响，所用的热处理工艺见表1。利用扫描电镜对不同碳含量、不同热处理试样的显微组织及拉伸断口形貌进行了观察和分析。表13#试验用钢的热处理工艺退火工艺淬火工艺回火温度回火时间试验方案1900℃/60min900℃/60min+油淬650℃60min680℃700℃试验方案2900℃/60min900℃/60min+油淬680℃60min80min2、试验结果与分析2.1碳含量对钢的力学性能和组织的影响不同碳含量对1#、2#、3#钢的性能的影响见图1-图3所示。由图1-图3可看出，在同一热处理制度下随碳含量增高，钢的抗拉强度、屈服强度增加，而钢的延伸率降低、冲击功也呈降低的趋势。图1碳含量对室温拉伸强度的影响Fig.1TheeffectofCcontentonroomtemperaturetensilestrengthofcaststeelZG20Cr3Mo0250500750100012500.130.180.2碳含量（%）强度（MPa）RmRp0.23钢的拉伸断口显示：随碳含量增高，显微组织中韧窝减少，钢的塑性韧性有所降低，见图4。ZG20Cr3Mo铸钢具有良好的淬透性。由于不含Ni减少了导致钢的Ms点下降的因素，从而减少了淬火后残余奥氏体的数量，900℃淬火得到较多的马氏体。钢经600℃回火后，其显微组织为回火索氏体+碳化物组织，见图5。析出的碳化物主要是M23C6型碳化物。在600℃回火下马氏体分解完全，铁素体晶粒发生再结晶。随碳含量增高，析出的碳化物数量增多，碳化物颗粒钉扎铁素体相晶界和位错作用增强，导致钢的强度、硬度增高，而塑性降低[1，2]。图2碳含量对延伸率的影响图3碳含量对冲击韧性的影响Fig.2TheeffectofCcontentonFig.3TheeffectofCcontentonelongationofcaststeelZG20Cr3MotoughnessofcaststeelZG20Cr3Mo（a）0.13%（b）0.20%图4钢的断口形貌Fig.4ThefracturemorphologyofcaststeelZG20Cr3Mo05101520250.130.180.2碳含量（%）延伸率（%）1051101151201251300.130.180.2碳含量（%）冲击功（J）ab5μm5μm4（a）1#（b）2#（c）3#图5碳含量对钢的回火组织的影响Fig.5TheeffectofCcontentonroomtemperingmicrostructureofcaststeelZG20Cr3Mo2.2回火温度对钢的性能和组织的影响回火温度对钢的力学性能的影响见图6、图7所示：随回火温度升高（650℃→700℃），钢的抗拉强度降低，而钢的延伸率增加。这是因为随着回火温度的升高，碳的扩散加剧，基体中碳浓度降低，固溶强化减弱；碳化物发生粗化，对位错钉扎作用减弱，使得钢的强度降低，塑性得以改善。图8是3#试验用钢在650℃回火下的显微组织，为回火索氏体+碳化物组织[3]，析出的碳化物仍然是以M23C6型为主。abc5图6回火温度对钢的抗拉强度的影响图7回火温度对钢的延伸率的影响Fig.6TheeffectoftemperingtemperatureFig.7Theeffectoftemperingtemperatureontensilestrengthofcaststeelonelongationofcaststeel图8650℃的回火组织Fig.8Themicrostructureofcaststeelaftertemperedat650℃2.3回火时间对钢的性能和组织的影响表2是回火时间对3#试验钢的性能的影响。从表2可以看出，在相同的回火温度680℃下，随回火时间的延长，铸钢的强度和硬度降低，而延伸率增高。钢的回火过程是碳化物不断从马氏体中析出、聚集和长大的过程。在高温回火下随着时间的延长，这一过程进行得更加充分。图9是回火时间对钢的组织的影响。从图9可见，在680℃高温回火下，随回火时间延长，碳化物聚集长大明显，且有连接趋势，表现在钢的性能上，其强度、硬度降低，而延伸率增高[4]。051015202530650680700回火温度(℃)延伸率(%)02004006008001000650680700回火温度(℃)抗拉强度(MPa)6表2回火时间对钢的力学性能的影响回火时间/min力学性能σb/MPaσ0.2/MPaδ/%HB608658607207101917245240807207755856602220215230（a）60min（b）80min图9回火时间对钢的组织的影响Fig.9TheeffectoftemperingtimeonmicrostructureofcaststeelZG20Cr3Mo综上分析，ZG20Cr3Mo钢的碳含量和回火工艺都显著影响其力学性能。所以，为了使该铸钢的力学性能达到技术要求，必须合理控制钢的碳含量范围，并且可以通过改变回火温度或回火时间来确定不同碳含量下的铸钢的热处理制度。在较高的碳含量下可采用较高的回火温度或较长的回火时间，反之，在较低的碳含量下则可采用较低的回火温度或较短的回火时间。3、结论（1）随碳含量增高，析出的碳化物数量增多，碳化物颗粒钉扎铁素体相晶界和位错作用增强，导致ZG20Cr3Mo铸钢的强度、硬度增高而钢的延伸率降低，冲击功呈降低趋势。（2）ZG20Cr3Mo铸钢在650℃～700℃回火处理时，获得的组织为回火索氏体+碳化物，且随回火温度升高，钢的强度降低，塑性得以改善。随回火时间延长，碳化物聚集长大，钢的强度、硬度降低，而延伸率增高。ab7参考文献：[1]吴占文等.热处理对ZG30Si2Mn3REB钢组织和性能的影响.金属热处理，2007，32（10）：52-55[2]李巨川，顾家琳，贾崇林.加热温度对Fe-Cr-Co马氏体耐热钢组织和性能的影响.金属热处理，2007，32（9）：1-3[3]蒋俊华等.超高强低碳Si-Mn冷轧双相钢的回火组织和力学性能研究.金属热处理，2007，32（9）：14-17[4]薛传佳，王玉辉，李窘.支撑辊用钢疲劳寿命的研究.金属材料研究，2007，33（1）：9-11