化学成分对齿条高强度钢组织和性能的影响

张彩红 王浩强 于海涛

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

化学成分对齿条高强度钢组织和性能的影响

张彩红 王浩强 于海涛

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

通过测定两种不同化学成分高强度钢的相变临界点、金相组织、维氏硬度以及连续冷却转变曲线(CCT曲线)，考察了化学成分差异对齿条材料的相变、组织和力学性能的影响，并对其原因进行了分析。

齿条;高强度钢;相变;组织;性能

桩腿是海洋油气开发的重要部件之一，是建造自升式钻井平台中最关键和最困难的部分［1］。齿条是桩腿中的主要结构，它采用超高强度钢制造。当前受国内技术条件的限制，齿条主要向国外专业厂商购买，价格居高不下，在目前对海上油气能源的迫切需求下，对齿条材料的开发和对其热处理工艺的研究具有重要意义。齿条材料同样需要较高的低温韧性，因此其最佳的淬火组织应为强度和韧性都较好的贝氏体组织。本文主要研究了两种不同成分的高强度钢的相变临界点、金相组织、硬度、CCT曲线，模拟两种钢的热处理工艺，测量其力学性能，并据此分析了化学成分对齿条材料相变、组织和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

本文熔炼了两种高强度钢的小钢锭，钢锭重量约40 kg，最终熔炼的钢锭成分如表1所示。

采用热锻压力机将钢锭锻成板坯，进行锻后热处理，然后从两种不同化学成分的坯料上切取∅3 mm×10 mm的试样，测量其相变临界点、不同冷速下的金相组织、维氏硬度以及CCT曲线。此外，切取∅10mm标准拉伸试样和10mm×10 mm×55 mm冲击试样进行模拟热处理工艺，测量其力学性能。

表1 两种高强度钢钢锭的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chem ical compositions of two kinds of high strength steel ingots(mass fraction，%)

2 结果与分析

2.1 相变临界点

采用DIL801热膨胀仪测量两种成分钢的相变临界点为:材料A的Ac1=735℃，Ac3=848℃;材料B的Ac1=705℃，Ac3=850℃。两种材料的Ac3比较接近，但是Ac1相差较大。Andrews搜集了英、德、法、美等国家的资料［2］并通过对大量试验数据进行回归分析，获得了根据钢的化学成分计算Ac1温度的经验公式:

式中，元素符号代表其含量(质量分数，%)，适用钢的化学成分(质量分数，%)范围为:C≤0.6，Mn≤4.9，Cr≤5，Ni≤5，Mo≤5.4。

图1 材料A金相组织Figure 1 Metallographic structure ofmaterial A

图2 材料B金相组织Figure 2 Metallographic structure ofmaterial B

根据上式可知，材料B中能降低共析温度的合金元素，如锰和镍等含量［3］要远高于材料A，而能提高共析温度的合金元素，如铬等含量却低于材料A，从而使材料B的Ac1相对较低。

2.2 不同冷速下的金相组织

将两种化学成分的试样加热到900℃保温20 min，完全奥氏体化后以不同的冷却速度冷却到室温，利用光学显微镜观察不同冷速下的金相组织，如图1和图2所示。

从图中可以看出，材料A低速冷却的组织为铁素体和粒状贝氏体，而材料B组织中还含有少量珠光体。这是由于材料A的Ac1温度高于先共析铁素体的析出温度，相变发生的过冷度较大，铁原子扩散极为困难，转变成的珠光体量极少甚至不存在，以致在金相组织中没有观察到。先共析铁素体的强度较低，对高强度钢是不利的，应尽量避免其形成。两种材料以60℃/min冷却形成的组织均为粒状贝氏体和马氏体，没有铁素体的析出。

图3 两种材料以不同冷速冷却后的维氏硬度值Figure 3 The Vickers hardness values of twomaterials after cooling at different speeds

2.3 硬度

两种材料以不同冷速冷却后的维氏硬度值如图3所示。从图中可以看出，两种材料在冷速较低时，随着冷速增加，硬度值呈增加趋势;当冷速大于300℃/min后，硬度值基本不变。材料A低速冷却时硬度值略高于B，冷速增加到一定值后，材料B硬度值要高于A。这是由于材料B在冷速较低时组织中有少量珠光体，珠光体硬度高于铁素体，B硬度略高。随着冷速增加，没有铁素体析出，合金元素固溶于基体中且材料A含碳量高，使得A具有更强的淬硬性。

图4 两种材料的CCT曲线Figure 4 CCT curves of two kinds ofmaterials

2.4 CCT曲线

根据标准绘制出两种化学成分高强度钢的CCT曲线，如图4所示。

从图中可以看到，材料 A冷速高于20℃/ min，室温组织为贝氏体或马氏体;材料B冷速高于10℃/min，室温组织为贝氏体或马氏体。材料B中较多合金元素的自扩散系数低且降低了碳在奥氏体中的扩散系数，增加了奥氏体的稳定性，延长了铁素体的孕育期，提高了材料的淬透性，易在较低的冷速下(＞10℃/min)得到较高强度和韧性的贝氏体。

2.5 力学性能

模拟两种材料的热处理工艺，将两种试样升温到900℃保温2 h后冷却，回火后测量其强度和冲击韧性值，如表2所示。

表2 两种材料的力学性能值Table 2 M echanical properties of two kinds ofmaterials

从表中可以看出，材料A的强度略高于B，而韧性却极低，这是由于碳和合金元素的存在均可提高材料的强度。材料A中两种因素对强度的综合贡献高于材料B，并且元素锰降低合金的脆性转变温度，而元素铬和碳的作用相反，铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，可显著提高钢的冲击韧性。材料B提高锰和铝的含量、降低铬和碳的含量能明显提高其冲击韧性。

3 结论

(1)材料B中能降低共析温度的合金元素，如锰和镍等含量要远高于材料A，其Acl较低;

(2)两种材料在低速冷却时得到的组织中均含有铁素体，对材料的强度不利，而以冷速60℃/ min冷却形成的组织均为粒状贝氏体和马氏体;

(3)材料B可以在较低的冷速下(＞10℃/ min)得到较高强度和韧性的贝氏体;

(4)材料A强度略高，而材料B因为提高锰和铝的含量并降低铬和碳的含量能明显提高其冲击韧性。

［1］ 黄俊宏.自升式平台桩腿的建造原则工艺分析.船舶工程，2010(1):32.

［2］ 康大韬，郭成熊.工程用钢的组织转变与性能图册［M］.北京:机械工业出版社，1992:35.

［3］ 樊东黎，徐跃明，佟晓辉，等.热处理技术数据手册.北京:机械工业出版社，2000.

编辑 李韦萤

Effects of Chemical Composition on Microstructure and Properties of High-strength Steel for Gear Rack

Zhang Caihong，W ang Haoqiang，Yu Haitao

Through the determination of the critical pointof phase transformation，metallurgical structure，Vickers hardness and continuous cooling transformation curve(CCT curve)of high-strength steels with two kinds of different chemical compositions，this article investigates the effects of chemical compositions differences on the phase transformation，microstructure and mechanical properties of gear rack material.

gear rack;high strength steel;phase transformation;microstructure;properties

U463.212+.42

B

2013—03—25

张彩红(1985—)，女，助理工程师，硕士，从事大型铸锻件材料及热处理工艺方面的研究。