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V、Nb、RE微合金化低碳铸钢性能研究*

2011-01-04周兰花王能为攀枝花学院材料工程学院四川攀枝花617000

天津冶金 2011年1期
关键词:铸钢合金化钢液

周兰花 王能为 (攀枝花学院材料工程学院,四川攀枝花 617000)

V、Nb、RE微合金化低碳铸钢性能研究*

周兰花 王能为 (攀枝花学院材料工程学院,四川攀枝花 617000)

为提高低碳铸钢的力学、焊接性能,试验设计在钢中添加微量V、Nb及RE元素,并对熔炼后的铸钢液进行铸造与热处理。结果发现,添加V 0.08%~0.12%,Nb 0.03~0.05%、RE微量的铸钢,经1 000℃-1 100℃均匀化处理,然后再进行正火与时效处理后,铸钢件具有较高的强度、良好的冲击韧性、较低的碳当量与焊接裂纹敏感系数。

微合金化 铸钢 力学性能 焊接 试验 研究

1 引言

微合金化低碳铸钢是在近几十年来发展起来的一类钢种,与普通铸铁相比,微合金化低碳铸钢的机械性能优良,具有高的常温、高温屈服强度,高的常温、低温韧性及良好焊接性能,还具有高抗热疲劳性能和磁性[1-11]。一般用于制造形状复杂,要求强度高、塑性和韧性好,综合机械性能优良的大型零件,尤其适用于制造难于用锻造方法生产,又不能用铸铁制造的零件,如机车车架、拖拉机的履带板及电力设备。

微合金化低碳铸钢是在炼钢微合金化的基础上发展起来的。目前,微合金化已由最初的添加单一元素向多元复合微合金化发展[12]。本研究V、Nb、RE微合金化后的低碳铸钢性能,这对合金设计及V、Nb、RE资源的利用具有十分重要的意义。

图1 钢液的铸造示意图

2 试验

2.1 试验用原料

试验中熔炼的微合金化低碳铸钢使用的基本炉料有:工业纯铁、T8钢圆棒、硅铁、锰铁,并配加少量的钒铁、铌铁与稀土,并严格控制原料中的S、P等杂质含量。按试验设计的钢成分,C:0.10%~0.25%,Si:0.2%~0.4%,Mn:0.6%~0.9%,P<0.025%,S<0.02%,V:0.08%~0.12%,Nb:0.03%~0.05%,RE微量进行配料。

2.2 试验方法

在容量为50 kg的真空中频感应电炉中进行熔炼,熔炼后的钢液采用精密铸造方式铸造,如图1所示。

冷却后的铸钢件于1 000℃~1 100℃温度范围进行均匀化退火,然后进行正火,最后进行时效处理。完整的铸造及热处理过程见图2所示。

按GB/T 228-2002和GB 4159-84作静拉伸试验和低温冲击试验,采用布氏硬度计HB-3000 B进行布氏硬度测试,采用OLYPUMS光学显微镜作微观观察。

图2 铸造及热处理工艺路线图

3 试验结果与分析

表1为试验得到的A、B两种微合金低碳钢熔炼后的化学成分。热处理件性能检测的结果见表2。

表1 试验钢液的化学成分(wt,%)

表2 铸件的力学性能

由化学成分按式(1)计算铸件的碳当量Ceq,按式(2)计算铸件的焊接裂纹敏感系数Pcm,结果一并列入表2中。

由表2可见,与普通低碳铸钢生产要求相比,试验得到的A、B两种铸钢件力学性能良好,表明微合金化能明显提高低碳铸钢的力学性能。经进一步计算分析得到的碳当量(Ceq)及焊接裂纹敏感系数(Pcm)都在较合适的范围内,表明两种铸钢件具有良好的焊接性能。

试验得到的铸造件及其热处理件在光学显微镜下的金相组织见图3。

图3 试样的铸造组织

由图 3(a)(b)可以看到,铸件的铸态组织均为粗大的铁素体和分布在铁素体晶界边缘的成条状分布的珠光体组织,还包括一些从晶界向晶内生长呈片状的魏氏铁素体组织。但经均匀化处理后(见图3中的(c)、(d)),铸件组织明显得到了改善,铁素体尺寸变小,但由于试样在高温下(1 000℃~1 100℃)保温时间较长(3 h),奥氏体晶粒长大,导致冷却后铁素体组织仍比较粗大。原先分布十分分散的珠光体逐渐成块状分布。随着钢中碳含量的提高,铸件珠光体的数量明显增加。由图3中(e)与(f)图可见,经正火处理后,奥氏体分布重新变得均匀化,这是因为铸件的正火温度较均匀化温度低,且时间短,以及铁素体中溶解的Nb的碳化物及碳氮化合物的含量少,未溶的颗粒集中于晶界或位错线上,阻止晶粒长大,使奥氏体晶粒来不及长大;与(c)、(d)图相比,(e)、(f)图中对应铸件中的铁素体平均尺寸都较细小、均匀。

另一方面,分析图3可见,低碳铸钢中添加微量Nb合金元素后,在正火之前进行均匀化处理,温度升高到1 000℃~1 100℃,铸件的偏析减少,V(C,N)完全溶解,而Nb(C,N)部分溶解,结果使铸件中的合金元素分布及组织趋于均匀。均匀化处理中没有溶解的Nb(C,N)粒子在冷却过程中能有效地钉扎在奥氏体晶界上,抑制奥氏体晶粒长大,从而细化了晶粒。再经900℃~1 000℃下的正火处理,Nb(C,N)粒子更加稳定,奥氏体晶粒长大的驱动力被降低。随后进行的600℃下的4 h时效处理过程中,以固溶状态保持在铁素体中的Nb将以弥散细小的Nb(C,N)颗粒形式析出,从而使铸件的屈服强度升高。

5 结论

5.1 按预设成分添加微量合金元素熔炼钢液,并对熔炼后的钢液进行精密铸造,以避免钢液吸气,为提高铸件性能创造条件。

5.2 试验得到的两种微合金化低碳铸钢,经1 000℃~1 100℃均匀化处理,然后再进行正火处理、时效处理后,试验得到的热处理件具有较高的屈服强度及抗拉强度,较高的冲击韧性。获得的两类铸件的碳当量分别为0.33和0.27,焊接裂纹敏感系数分别为0.27和0.17,表明试验铸件具有优良的焊接性能。

5.3 试验的两种铸钢件铸态组织主要为粗大的铁素体和分布在铁素体晶界边缘的成条状分布的珠光体组织,其次为从晶界向晶内生长呈片状的魏氏铁素体组织。经均匀化处理后,呈块状的铁素体与珠光体混合组织,最后经过正火处理后铁素体与珠光体的平均尺寸都变得更细小,且更均匀。

[1]董寅生,苏华钦.多元微合金化低碳铸钢的试验研究[J].铸造,1997(3):24-26.

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[12]赵振业.合金钢设计[M].北京:国防工业出版社,1999.

Study on Properties of V,Nb and Re Microalloying Low Carbon Cast Steel

Zhou Lanhua,Wang Nengwei

Trace V,Nb and Re were added to liquid steel according to the test design and melted steel was cast and heat treated so as to improve the mechanical and welding properties of low carbon cast steel.Test results showed that when the cast steel was added with 0.08%~0.12%V,0.03~0.05%Nb and trace Re,after homogenization treatment at 1 000℃ -1 100℃ and normalizing and ageing treatment,the cast steel parts presented high strength,good impact toughness,low carbon equivalent and low welding crack susceptibility.

microalloying,cast steel,mechanical property,welding,test,study

四川省青年科技基金资助项目(08ZQ026-067),攀枝花学院教研教改项目(JJ0622,JJ0803)。

(收稿 2010-12-01 责编 赵实鸣)

周兰花(1969-),女,1992年本科毕业于重庆大学冶金工程专业,副教授。现在四川省攀枝花学院从事冶金工程教学与科研工作。

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