一种中强度耐低温铸钢材料组织与性能研究

曹健峰 ， 徐海波 ， 贾 旭 ， 赵延阔

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011）

0 引言

随着国民经济的持续增长，我国铁路运输业及相关产业得到了长足发展，己经与公路货运共同成为最重要的交通方式之一[1-3]。在满足内需的同时，部分产品及相关零部件已进入国际市场。近年来，铁路货车及相关零部件的出口量持续增加[4]，但不同国家和地区对铁路机车各部位零部件的性能要求各有不同[5-6]。受地理环境的影响，高纬度高寒地区对货车零部件的力学性能，特别是低温性能，提出了更高的要求[7-8]。如俄罗斯机车车辆公司企业标准一般要求货车使用的低碳合金铸钢-60 ℃冲击吸收能量不低于13.4 J[9]。而我国沿袭AAR 标准开发的铁路铸钢材料B+级钢对-60 ℃冲击吸收能量不作要求。通常，B+级钢的-60 ℃冲击吸收能量低于10 J，则无法满足高寒地区的使用要求。

本研究以B+级钢为基础，研究提升其-60 ℃的低温性能，使之在维持B+级钢的强度与塑性指标的同时，-60 ℃冲击吸收能量达到20 J 的目标性能要求。

1 B+级钢成分优化设计目标

对于耐低温铸钢来说，韧脆转变温度是一个至关重要的指标，成分设计要始终围绕其开展。C 是钢的主要强化元素，但C 会急剧降低钢的低温韧性，使钢的韧脆转变温度提高，因此C 可以做适当下调，调整上限至0.220%。Mn 可增加钢组织中奥氏体的稳定性，细化珠光体，提高钢的淬透性；同时Mn 具有很强的脱氧能力，可以和S 形成MnS，改善钢水的品质，因此Mn 含量不做调整。P、S 作为杂质元素，都会对钢的塑性和韧性起着有害的作用，而P 更会显著增加韧脆转变温度，因此均限制其上限至0.020%。Ni 能提高铸钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性；同时Ni 可扩大奥氏体区域，能显著降低钢的韧脆转变温度，因此对Ni 含量进行上调。此外，晶粒细化对韧脆转变温度的降低也具有显著效果。Nb 元素在钢中与C、N、O 有极强的亲和力，可形成多种稳定的化合物，从而细化晶粒，提高钢的强度。因此，本研究拟添加微量的元素Nb，研究其对调整成分后的B+钢低温性能的影响，初始设定Nb 含量在0.10%以下。

2 试验方法与结果

2.1 试验方法

试验用耐低温铸钢经100 kg 中频感应电炉熔炼，在1540～1590 ℃通过树脂砂造型的基尔试棒浇铸成型。试棒经热处理后，按GB/T 228.1 进行拉伸试样的制备及拉伸试验，按GB/T 229 进行冲击试样的制备及冲击试验，试样开V 型缺口。

2.2 热处理工艺选择

为了提高低温铸钢的冲击韧性，热处理工艺的选择也是非常重要的。一般来说，在强度和硬度相同条件下，具有高温回火马氏体（索氏体）组织的钢冲击韧性最好，贝氏体组织较差，珠光体组织最差。所以，低温钢的调质处理比正火、回火处理有较高的冲击值，且使脆性转变温度有明显的向更低温度转移的趋势[10]。但刘德义等[11]采用二次正火的热处理工艺也提升了B+级钢的低温韧性，其机理源于二次正火比一次正火更能细化铁素体与珠光体组织，使晶粒细化，增加了晶界总面积。晶界面积增多，界面处复杂的位错结构对裂纹扩展的阻力增大，在较多的界面上，未溶碳化物及杂质缺陷的偏聚程度下降[12]，所以低温冲击吸收能量较一次正火有较大增加。

为了确定合适的热处理工艺，针对调质处理与二次正火工艺进行对比试验。采用的试验钢成分为0.220%C、0.520%Si、0.960%Mn、0.020%P、0.016%S、0.420%Cr、0.450%Ni（质量分数），热处理后的性能见表1。从表中结果可以看出：在成分相同的条件下，二次正火后的低温铸钢强度稍低，但断后伸长率较好；调质处理后，强度有了较大提升，但塑性有所下降，低温冲击性能提高不明显；经正火预处理+调质处理后，-60 ℃低温冲击性能明显提升，达到了20 J 的设计要求，同时塑性也较未预备热处理的试验钢有所提升。据此，确定后续试验钢种的热处理工艺为正火预处理+调质处理。

表1 不同热处理工艺后试验钢的力学性能Table 1 Mechanical properties of test steel after different heat treatment processes

2.3 Nb 对耐低温铸钢低温性能的影响

为了验证Nb 元素对试验钢低温冲击性能的影响，浇注4 炉不同Nb 含量的低温铸钢材料，经正火预处理+调质处理，试验钢化学成分与力学性能见表2。

表2 不同Nb 含量低温铸钢试验材料成分与性能Table 2 Chemical composition and mechanical properties of low temperature cast steel with different Nb content

图1 为不同Nb 含量对冲击吸收能量与断后伸长率的影响曲线。可以看出，随着Nb 含量的增加，试验钢的冲击吸收能量呈现出先升后降的趋势。当Nb 含量达到0.040%时，冲击吸收能量达到最高值。但是断后伸长率却呈现完全相反的趋势，而且断后伸长率数值普遍偏低，因此后续热处理工艺需要做适当调整，回火温度应予以提高。保持淬火温度不变，提高回火温度20 ℃后试验钢的成分与性能见表3。从表中结果可以看出，钢的延伸率有了较大的提升。由于该炉次C 元素偏下限，回火温度提高，试验钢强度下降明显，但仍满足设计要求。

表3 提高回火温度后的试验材料成分与性能Table 3 Chemical composition and mechanical properties of test steel after increasing the tempering temperature

图1 Nb 对冲击吸收能量与断后伸长率的影响Fig.1 Effect of Nb on impact absorption energy and elongation after fracture

2.4 Nb 对耐低温铸钢金相组织的影响

图2 为不同Nb 含量的试验钢经热处理后的金相组织，可见组织均为铁素体+回火索氏体。当试验钢中Nb 含量为0.010%时，组织中回火索氏体相对较为粗大，组织不均匀且局部存在偏聚现象，其强度最低；随着Nb 含量的增加，回火索氏体与铁素体晶粒细化并且均匀，晶界面积随之增加，裂纹扩展所需能量增大，因此低温冲击吸收能量升高；但Nb 含量超过0.040%，达到0.060%时，铁素体组织开始部分粗化，晶界面积比之前略有降低，同时，出现部分针状魏氏组织（图2c），导致低温冲击吸收能量开始降低；Nb 含量由0.060%增加至0.100%时，钢中铁素体含量由60.14%下降至51.12%，且铁素体晶粒变得更为细长，与多边形铁素体相比，晶界面积大大降低，裂纹扩展所需能量减少，因此其冲击吸收能量下降较多。

图2 不同 Nb 含量试验钢金相组织图Fig.2 Metallographic structure of test steel with different Nb content

综上所述，当Nb 含量在0.040%时，试验钢的组织均匀，晶粒细化，-60 ℃低温冲击吸收能量最好。随着Nb 含量的提升，晶粒细化效果逐步减弱，冲击吸收能量值开始下降。因此，本试验钢取Nb 含量为0.020%～0.060%。

3 结论

1）在B+钢的基础上，通过添加微合金元素Nb，优化合金成分，经过正火预处理+调质处理，在保持B+钢强度与塑性指标的基础上，实现-60 ℃冲击吸收能量达到20 J 的目标性能要求。

2）该低合金耐低温铸钢经正火预处理+调质处理后，金相组织为铁素体+回火索氏体；当Nb 含量为0.04%时，组织均匀，晶粒细化，低温冲击性能最好。