电渣熔铸ZG06Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢力学性能研究

冯 浩，刘福斌，李花兵，姜周华，董艳伍，陈 瑞，宋照伟，耿 鑫

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.沈阳铸造研究所，沈阳 110021)

电渣熔铸ZG06Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢力学性能研究

冯 浩1，刘福斌1，李花兵1，姜周华1，董艳伍1，陈 瑞2，宋照伟2，耿 鑫1

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.沈阳铸造研究所，沈阳 110021)

对热处理后的电渣熔铸低碳马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo分别进行拉伸试验、冲击试验和硬度试验，利用金相显微镜 (OM)观察热处理后的显微组织，应用扫描电镜 (SEM)观察拉伸断口和冲击断口，系统研究了电渣熔铸前后低碳马氏体不锈钢的力学性能.通过与电极的对比表明，电渣熔铸低碳马氏体不锈钢的晶粒更加细小，其力学性能优于自耗电极，并且各向异性程度低.

电渣熔铸;低碳马氏体不锈钢;力学性能

ZG06Cr13Ni4Mo是一种低碳马氏体不锈钢，对应于ASTM标准中的CA6NM不锈钢，因其优异的铸造和焊接性能、良好的强韧性及耐腐蚀性被广泛应用于水轮机组件、阀体、核电站压力容器及海上的钻井平台中［1～3］.该马氏体不锈钢的优异性能源于其特殊的微观组织.经过恰当的正火及回火处理后，其微观组织为回火马氏体和弥散分布在马氏体基体中的片层状逆变奥氏体的两相结构［4～6］.塑性变形时逆变奥氏体能够吸收变形功转变成马氏体，显著改善材料韧性.本文用电渣重熔对钢锭进行二次精炼，获得了高金属纯净度、组织致密、晶粒细小的06Cr13Ni4M电渣铸锭，并对它的力学性能进行了系统研究.

1 实验研究方案

实验采用电渣熔铸工艺制备低碳马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo.自耗电极和电渣锭的化学成分如表1所示.对自耗电极和电渣锭采用相同的热处理工艺进行处理，如表2所示.热处理后，分别在自耗电极和电渣锭的横截面和纵截面上切取试样.所有试样经砂纸湿磨后抛光，采用质量分数为10%的草酸溶液进行电解腐蚀.应用金相显微镜(OM)观察显微组织.

表1 自耗电极与电渣锭化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of consumed electrode and ingot(mass fraction) %

表2 自耗电极和电渣锭的热处理工艺Table 2 Heat－treatment process of consumed electrode and ingot

分别沿电渣锭和自耗电极的轴向和径向切取拉伸棒状试样.在SANS－CMT5105型微机控制电子万能试验机上进行室温拉伸性能测定，拉伸速度为3 mm·min－1，引伸计标距为25 mm.测定所有试样的抗拉强度Rm、规定非比例延伸强度Rp0.2、断后伸长率A和断面收缩率Z.应用扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌，研究断裂的微观机理.经过相同热处理后，分别沿电渣锭和自耗电极的轴向和径向切取冲击试样.在JBW－500屏显式冲击试验机上进行冲击试验，测定所有试样的冲击功AKV.应用扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌，研究断裂的微观机理.在热处理后的电渣锭和自耗电极上分别切取试样，经砂纸湿磨后抛光，应用布氏硬度计测定试样上3个不同位置的硬度，取平均值作为最终结果.

2 结果与讨论

2.1 热处理后的显微组织

图1 电极和电渣锭显微组织Fig.1 Microstructure of electrode and ingot(a)—电极横截面;(b)—电极纵截面;(c)—电渣锭横截面;(d)—电渣锭纵截面

经过热处理后电渣锭与自耗电极的微观组织如图1所示.与自耗电极相比，电渣锭横截面和纵截面的晶粒更加细小.由于电渣熔铸具有良好的凝固条件，因此电渣锭的组织致密均匀，晶粒细小，电渣锭经过热处理后晶粒更加细小.而电极采用砂型铸造，原始晶粒粗大，虽然热处理具有细化晶粒的作用，但其晶粒尺寸仍较大.

2.2 拉伸性能研究

电渣锭和电极拉伸性能的测定结果如表3所示，从表中可知电渣锭的Rm为810 MPa以上，RP0.2为 575 MPa以上，A为 21.7%以上，Z为67.3%以上.通过与电极的对比可以看出，电渣锭的拉伸性能优于电极，并且各向异性的程度较低.

表3 电渣锭和电极拉伸性能Table 3 Tensile property of electrode and ingot

从电渣锭和电极的显微组织(见图1)可以看出，由于电渣熔铸冷却强度大，热处理后电渣锭的晶粒更加细小.由于金属晶粒越细小，晶界的总面积越大，变形晶粒中的位错在晶界处受到的阻力越大，金属的强度越高.细小晶粒内部和晶界附近的应变相差较小，变形较均匀，因应力集中引起开裂的概率也较少，在断裂之前可承受较大的变形量，因此细晶粒电渣锭的塑性较高［7］.同时，由于电渣熔铸顺序结晶和定向凝固的特点，电渣锭的组织更加均匀，因此其各向异性程度低.

利用扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌(图2).从图2中可以看出，电渣锭中韧窝数量多，深度大，因此塑性更好.电渣锭轴向拉伸试样的断口形貌与径向拉伸试样的断口形貌大致相同，因此各向异性程度低.

图2 电极和电渣锭拉伸断口形貌Fig.2 Tensile fracture of electrode and ingot(a)—电极纵截面;(b)—电极横截面;(c)—电渣锭纵截面;(d)电渣锭横截面

2.3 冲击性能研究

电渣锭和电极的冲击性能如表4所示.从表中可知，电渣锭的冲击功为154 J以上.通过与电极的对比可以看出，电渣锭的冲击韧性更好，各向异性程度更低.从电渣锭和电极的显微组织(图1)可以看出，由于电渣熔铸冷却强度大，热处理后电渣锭的晶粒更加细小.金属晶粒越细小，晶界的总面积越大，变形晶粒中的位错在晶界处受到的阻力越大，金属的强度越高.由于细晶粒金属的裂纹不易产生也不易扩展，因而在断裂过程中吸收了更多的能量，表现出较高的韧性［7］.同时，由于电渣熔铸顺序结晶和定向凝固的特点，电渣锭的组织致密均匀，各向异性程度低.

图3 电渣锭和电极冲击断口形貌Fig.3 Impact fracture of electrode and ingot(a)—电极纵截面;(b)—电极横截面;(c)—电渣锭纵截面;(d)—电渣锭横截面

表4 电渣锭和电极冲击性能Table 4 Impact property of electrode and ingot

应用扫描电镜(SEM)观察电渣锭与电极的冲击断口形貌如图3所示，从图中可以看出电渣锭断口处的韧窝数量较多，分布均匀，表现出较好的冲击韧性.同时，电渣锭轴向试样的断口形貌与径向试样的断口形貌大致相同，电渣锭各向异性程度低.

2.4 布氏硬度研究

应用布氏硬度计测定热处理后电渣锭与电极的硬度如表5所示.从表中可以看出电渣锭的硬度值为278，高于电极的硬度.从电渣锭和电极的显微组织可以看出，由于电渣熔铸冷却强度大，热处理后电渣锭的晶粒更加细小.同时金属晶粒越细小，晶界的总面积越大，变形晶粒中的位错在晶界处受到的阻力越大，宏观表现为金属的硬度值越高.

表5 电渣锭和电极布氏硬度Table 5 Brinell hardness of electrode and iongt

3 结论

以热处理后的电渣熔铸低碳马氏体不锈钢为研究对象，分别进行拉伸试验、冲击试验和硬度试验，利用金相显微镜(OM)观察热处理后的显微组织，应用扫描电镜(SEM)观察拉伸断口和冲击断口，研究电渣熔铸低碳马氏体不锈钢的力学性能.通过与电极的对比，研究电渣熔铸对力学性能的影响.具体研究结果如下:

(1)经过热处理后，电渣熔铸低碳马氏体不锈钢的晶粒更加细小.电渣熔铸具有良好的凝固条件，因此电渣锭的组织致密均匀，晶粒细小，电渣锭经过热处理后晶粒更加细小.而电极采用砂型铸造，原始晶粒粗大，虽然热处理具有细化晶粒的作用，但其晶粒尺寸仍较大.

(2)电渣熔铸低碳马氏体不锈钢的Rm为810 MPa以上，RP0.2为 575 MPa以上，A为21.7%以上，Z为67.3%以上.电渣锭的拉伸性能明显优于电极，并且各向异性的程度低.由于电渣熔铸冷却强度大，热处理后电渣锭的晶粒更加细小，塑性更高.同时，由于电渣熔铸顺序结晶和定向凝固的特点，电渣锭的组织更加均匀，因此其各向异性程度低.

(3)电渣熔铸低碳马氏体不锈钢的冲击功在154 J以上，冲击韧性优于电极，各向异性程度更低.由于电渣熔铸冷却强度大，热处理后电渣锭的晶粒更加细小，韧性更好.同时，由于电渣熔铸顺序结晶和定向凝固的特点，电渣锭的组织致密均匀，各向异性程度低.

(4)电渣熔铸低碳马氏体不锈钢的布氏硬度为278，高于电极的硬度.由于电渣熔铸冷却强度大，热处理后电渣锭的晶粒更加细小，宏观表现为电渣锭的硬度值更高.

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Research on mechanical properties of ZG06Cr13Ni4Mo low carbon martensitic stainless steel manufactured by electroslag casting process

Feng Hao1，Liu Fubin1，Li Huabing1，Jiang Zhouhua1，Dong Yanwu1，Chen Rui2，Song Zhaowei2，Geng Xin1

(1.College of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China; 2.Shenyang Casting Institute，Shenyang 110021，China)

After treatment the tensile test，impact test and hardness test for the low carbon martensitic stainless steel ZG06Cr13Ni4Mo heat manufactured by electroslag casting process were carried out respectively.The microstructure of the steel was observed by metallurgical microscope(OM)and the tensile fracture and impact fracture were also investigated.The mechanical properties of the ZG06Cr13Ni4Mo steel before and after electroslag casting process were compared.Compared with the electrode，the electroslag casting ingot exhibits more finer grain and more excellent mechanical properties.The degree of anisotropy was low and the mechanical properties was better than that for the electrode.

electroslag casting process;low carbon martensitic stainless steel;mechanical properties

TG 113

A

1671-6620(2013)01-0045-05

2012-10-11.

国家重大科技专项“电渣熔铸大型铸锻件工艺技术研究”(2010ZX04016－014).

冯浩 (1992—)，男，东北大学硕士研究生，E－mail:zqzk159@163.com;姜周华 (1963—)，男，东北大学教授，博士生导师.