碳含量及热处理工艺对一种铸钢力学性能的影响模板.doc

碳含量及热处理工艺对一个铸钢力学性能影响
贾崇林 李振瑞 韩峰 牛永吉
（北京北冶功效材料，北京100192）

摘要：研究了碳含量及热处理工艺对ZG20Cr3Mo铸钢力学性能和组织影响。结果表明：随碳含量增高，析出碳化物数量增多，碳化物颗粒钉扎铁素体相晶界和位错作用增强，造成该铸钢强度、硬度增高而钢延伸率降低，冲击功呈降低趋势。在650℃～700℃回火处理时，取得组织为回火索氏体+碳化物，且随回火温度升高，钢强度降低，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

The Effect Of C Content and Heatment Technology
on Mechanical Properties Of A Cast Steel
JIA Chonglin, LI Zhenrui, NIU Yongji
(Beijing Beiye Functional Material Corporation,Beijing 100192)
ABSTRACT This paper introduces the effect of C content and heat treatment technology on mechanical properties and microstructure of cast steel ZG20Cr3Mo. Test resuts show that with C content increasing,more carbides will precipitate and carbide particles that pin down at ferritic grain boundary and dislocation will make strength and hardness of the cast steel increase while elongation and impact toughness decline.When tempered between 650℃～700℃,microstructure of cast steel is tempered sorbite and carbide. With the tempering temperature increasing ,strength of the cast steel is declined and plasticity can be improved. When tempering time extend,carbide particles will gather and grow, so the strength and hardness of the cast steel are reduced and the elongation is raised.
KEY WORDS C content，heat treatment technology，ZG20Cr3Mo cast steel，mechanical properties

ZG20Cr3Mo是一个不含Ni新型低合金铸造结构钢，含有良好塑性、韧性及工艺性能，可用于制造航空发动机隶属件及飞机受力构件。因为ZG20Cr3Mo钢碳含量范围较宽（≤0.25%），另外，该铸钢没有标准热处理工艺可依循，在对该材料国产化试制过程中，发觉其力学性能对钢碳含量及热处理工艺十分敏感。为使该钢力学性能达成技术要求，确定该钢合理碳含量控制范围及不一样碳含量下热处理制度显得格外关键。本文研究了碳含量及热处理工艺对该铸钢组织和性能影响，为ZG20Cr3Mo钢成份控制及确定最好热处理工艺提供依据。
1、材料和试验方法
试验用料是在800Kg中频感应炉上冶炼。关键成份为：C 0.11，Si 0.51，Mn 0.53，Cr 2.81，Mo 0.49，Cu 0.11，Fe余。为研究不一样碳含量和不一样热处理工艺对钢组织和性能影响，在上述成份基础上用10Kg高频感应炉浇注3炉梅花试样。炉号分别为：1#、2#、3#。这三炉试样碳含量分别为（wt-%）：0.13%、0.18%、0.20%。研究碳含量对钢组织和性能影响所用试样热处理制度为：900℃/80min，炉冷至500℃出炉+ 900℃/80min，油淬+ 600℃/100min，空冷。对3#钢部分试样采取不一样回火制度，研究了回火温度（650～700℃）和回火时间等参数对该铸钢组织和性能影响，所用热处理工艺见表1。
利用扫描电镜对不一样碳含量、不一样热处理试样显微组织及拉伸断口形貌进行了观察和分析。
表1 3#试验用钢热处理工艺

退火工艺
淬火工艺
回火温度
回火时间
试验方案1
900℃/60min
900℃/60min+油淬
650℃

60min
680℃
700℃
试验方案2
900℃/60min
900℃/60min+油淬
680℃
60min
80min

2、试验结果和分析
2.1 碳含量对钢力学性能和组织影响
不一样碳含量对1#、2#、3#钢性能影响见图1-图3所表示。由图1-图3可看出，在同一热处理制度下随碳含量增高，钢抗拉强度、屈服强度增加，而钢延伸率降低、冲击功也呈降低趋势。

Rm
Rp0.2

图1碳含量对室温拉伸强度影响
Fig.1 The effect of C content on room temperature
tensile strength of cast steel ZG20Cr3Mo
钢拉伸断口显示：随碳含量增高，显微组织中韧窝降低，钢塑性韧性有所降低，见图4。ZG20Cr3Mo铸钢含有良好淬透性。因为不含Ni降低了造成钢Ms点下降原因，从而降低了淬火后残余奥氏体数量，900℃淬火得到较多马氏体。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。析出碳化物关键是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，造成钢强度、硬度增高，而塑性降低[1，2]。
图2 碳含量对延伸率影响 图3 碳含量对冲击韧性影响
Fig.2 The effect of C content on Fig.3 The effect of C content on
elongation of cast steel ZG20Cr3Mo toughness of cast steel ZG20Cr3Mo

5μm
5μm
a
b

（a）0.13% （b）0.20%
图4 钢断口形貌
Fig.4 The fracture morphology of cast steel ZG20Cr3Mo

a

（a）1#
c
b

（b）2# （c）3#
图5碳含量对钢回火组织影响
Fig.5 The effect of C content on room tempering
microstructure of cast steel ZG20Cr3Mo

2.2回火温度对钢性能和组织影响
回火温度对钢力学性能影响见图6、图7所表示：随回火温度升高（650℃→700℃），钢抗拉强度降低，而钢延伸率增加。这是因为伴随回火温度升高，碳扩散加剧，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，使得钢强度降低，塑性得以改善。图8是3#试验用钢在650℃回火下显微组织，为回火索氏体+碳化物组织[3]，析出碳化物仍然是以M23C6型为主。

图6 回火温度对钢抗拉强度影响 图7 回火温度对钢延伸率影响
Fig.6 The effect of tempering temperature Fig.7 The effect of tempering temperature
on tensile strength of cast steel on elongation of cast steel

图8 650℃回火组织
Fig.8 The microstructure of cast steel after tempered at 650℃

2.3回火时间对钢性能和组织影响
表2是回火时间对3#试验钢性能影响。从表2能够看出，在相同回火温度680℃下，随回火时间延长，铸钢强度和硬度降低，而延伸率增高。
钢回火过程是碳化物不停从马氏体中析出、聚集和长大过程。在高温回火下伴随时间延长，这一过程进行得愈加充足。图9是回火时间对钢组织影响。从图9可见，在680℃高温回火下，随回火时间延长，碳化物聚集长大显著，且有连接趋势，表现在钢性能上，其强度、硬度降低，而延伸率增高[4]。

表2 回火时间对钢力学性能影响

回火时间/ min
力 学 性 能
σb/ MPa
σ0.2/ MPa
δ/ %
HB
60
865
860
720
710
19
17
245
240
80
720
775
585
660
22
20
215
230

b
a

（a）60min （b）80min
图9 回火时间对钢组织影响
Fig.9 The effect of tempering time
on microstructure of cast steel ZG20Cr3Mo

综上分析，ZG20Cr3Mo钢碳含量和回火工艺全部显著影响其力学性能。所以，为了使该铸钢力学性能达成技术要求，必需合理控制钢碳含量范围，而且能够经过改变回火温度或回火时间来确定不一样碳含量下铸钢热处理制度。在较高碳含量下可采取较高回火温度或较长回火时间，反之，在较低碳含量下则可采取较低回火温度或较短回火时间。

3、结论
（1）随碳含量增高，析出碳化物数量增多，碳化物颗粒钉扎铁素体相晶界和位错作用增强，造成ZG20Cr3Mo铸钢强度、硬度增高而钢延伸率降低，冲击功呈降低趋势。
（2）ZG20Cr3Mo铸钢在650℃～700℃回火处理时，取得组织为回火索氏体+碳化物，且随回火温度升高，钢强度降低，塑性得以改善。随回火时间延长，碳化物聚集长大，钢强度、硬度降低，而延伸率增高。

参考文件：
[1]吴占文等. 热处理对ZG30Si2Mn3REB钢组织和性能影响. 金属热处理，，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影响. 金属热处理，，32（9）：1-3
[3]蒋俊华等. 超高强低碳Si-Mn冷轧双相钢回火组织和力学性能研究. 金属热处理，，32（9）：14-17
[4]薛传佳，王玉辉，李窘. 支撑辊用钢疲惫寿命研究. 金属材料研究，，33（1）：9-11