電渣熔鑄ZG06Cr13Ni4Mo低碳馬氏體不銹鋼力學(xué)性能研究

馮 浩，劉福斌，李花兵，姜周華，董艷伍，陳 瑞，宋照偉，耿 鑫

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819;2.沈陽(yáng)鑄造研究所，沈陽(yáng) 110021)

電渣熔鑄ZG06Cr13Ni4Mo低碳馬氏體不銹鋼力學(xué)性能研究

馮 浩1，劉福斌1，李花兵1，姜周華1，董艷伍1，陳 瑞2，宋照偉2，耿 鑫1

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819;2.沈陽(yáng)鑄造研究所，沈陽(yáng) 110021)

對(duì)熱處理后的電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，利用金相顯微鏡 (OM)觀(guān)察熱處理后的顯微組織，應(yīng)用掃描電鏡 (SEM)觀(guān)察拉伸斷口和沖擊斷口，系統(tǒng)研究了電渣熔鑄前后低碳馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能.通過(guò)與電極的對(duì)比表明，電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的晶粒更加細(xì)小，其力學(xué)性能優(yōu)于自耗電極，并且各向異性程度低.

電渣熔鑄;低碳馬氏體不銹鋼;力學(xué)性能

ZG06Cr13Ni4Mo是一種低碳馬氏體不銹鋼，對(duì)應(yīng)于A(yíng)STM標(biāo)準(zhǔn)中的CA6NM不銹鋼，因其優(yōu)異的鑄造和焊接性能、良好的強(qiáng)韌性及耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)組件、閥體、核電站壓力容器及海上的鉆井平臺(tái)中［1～3］.該馬氏體不銹鋼的優(yōu)異性能源于其特殊的微觀(guān)組織.經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)恼鸺盎鼗鹛幚砗?，其微觀(guān)組織為回火馬氏體和彌散分布在馬氏體基體中的片層狀逆變奧氏體的兩相結(jié)構(gòu)［4～6］.塑性變形時(shí)逆變奧氏體能夠吸收變形功轉(zhuǎn)變成馬氏體，顯著改善材料韌性.本文用電渣重熔對(duì)鋼錠進(jìn)行二次精煉，獲得了高金屬純凈度、組織致密、晶粒細(xì)小的06Cr13Ni4M電渣鑄錠，并對(duì)它的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究.

1 實(shí)驗(yàn)研究方案

實(shí)驗(yàn)采用電渣熔鑄工藝制備低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo.自耗電極和電渣錠的化學(xué)成分如表1所示.對(duì)自耗電極和電渣錠采用相同的熱處理工藝進(jìn)行處理，如表2所示.熱處理后，分別在自耗電極和電渣錠的橫截面和縱截面上切取試樣.所有試樣經(jīng)砂紙濕磨后拋光，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液進(jìn)行電解腐蝕.應(yīng)用金相顯微鏡(OM)觀(guān)察顯微組織.

表1 自耗電極與電渣錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of consumed electrode and ingot(mass fraction) %

表2 自耗電極和電渣錠的熱處理工藝Table 2 Heat－treatment process of consumed electrode and ingot

分別沿電渣錠和自耗電極的軸向和徑向切取拉伸棒狀試樣.在SANS－CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)定，拉伸速度為3 mm·min－1，引伸計(jì)標(biāo)距為25 mm.測(cè)定所有試樣的抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2、斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z.應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察試樣斷口形貌，研究斷裂的微觀(guān)機(jī)理.經(jīng)過(guò)相同熱處理后，分別沿電渣錠和自耗電極的軸向和徑向切取沖擊試樣.在JBW－500屏顯式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)定所有試樣的沖擊功AKV.應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察試樣斷口形貌，研究斷裂的微觀(guān)機(jī)理.在熱處理后的電渣錠和自耗電極上分別切取試樣，經(jīng)砂紙濕磨后拋光，應(yīng)用布氏硬度計(jì)測(cè)定試樣上3個(gè)不同位置的硬度，取平均值作為最終結(jié)果.

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理后的顯微組織

圖1 電極和電渣錠顯微組織Fig.1 Microstructure of electrode and ingot(a)—電極橫截面;(b)—電極縱截面;(c)—電渣錠橫截面;(d)—電渣錠縱截面

經(jīng)過(guò)熱處理后電渣錠與自耗電極的微觀(guān)組織如圖1所示.與自耗電極相比，電渣錠橫截面和縱截面的晶粒更加細(xì)小.由于電渣熔鑄具有良好的凝固條件，因此電渣錠的組織致密均勻，晶粒細(xì)小，電渣錠經(jīng)過(guò)熱處理后晶粒更加細(xì)小.而電極采用砂型鑄造，原始晶粒粗大，雖然熱處理具有細(xì)化晶粒的作用，但其晶粒尺寸仍較大.

2.2 拉伸性能研究

電渣錠和電極拉伸性能的測(cè)定結(jié)果如表3所示，從表中可知電渣錠的Rm為810 MPa以上，RP0.2為 575 MPa以上，A為 21.7%以上，Z為67.3%以上.通過(guò)與電極的對(duì)比可以看出，電渣錠的拉伸性能優(yōu)于電極，并且各向異性的程度較低.

表3 電渣錠和電極拉伸性能Table 3 Tensile property of electrode and ingot

從電渣錠和電極的顯微組織(見(jiàn)圖1)可以看出，由于電渣熔鑄冷卻強(qiáng)度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細(xì)小.由于金屬晶粒越細(xì)小，晶界的總面積越大，變形晶粒中的位錯(cuò)在晶界處受到的阻力越大，金屬的強(qiáng)度越高.細(xì)小晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變相差較小，變形較均勻，因應(yīng)力集中引起開(kāi)裂的概率也較少，在斷裂之前可承受較大的變形量，因此細(xì)晶粒電渣錠的塑性較高［7］.同時(shí)，由于電渣熔鑄順序結(jié)晶和定向凝固的特點(diǎn)，電渣錠的組織更加均勻，因此其各向異性程度低.

利用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察拉伸斷口形貌(圖2).從圖2中可以看出，電渣錠中韌窩數(shù)量多，深度大，因此塑性更好.電渣錠軸向拉伸試樣的斷口形貌與徑向拉伸試樣的斷口形貌大致相同，因此各向異性程度低.

圖2 電極和電渣錠拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture of electrode and ingot(a)—電極縱截面;(b)—電極橫截面;(c)—電渣錠縱截面;(d)電渣錠橫截面

2.3 沖擊性能研究

電渣錠和電極的沖擊性能如表4所示.從表中可知，電渣錠的沖擊功為154 J以上.通過(guò)與電極的對(duì)比可以看出，電渣錠的沖擊韌性更好，各向異性程度更低.從電渣錠和電極的顯微組織(圖1)可以看出，由于電渣熔鑄冷卻強(qiáng)度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細(xì)小.金屬晶粒越細(xì)小，晶界的總面積越大，變形晶粒中的位錯(cuò)在晶界處受到的阻力越大，金屬的強(qiáng)度越高.由于細(xì)晶粒金屬的裂紋不易產(chǎn)生也不易擴(kuò)展，因而在斷裂過(guò)程中吸收了更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性［7］.同時(shí)，由于電渣熔鑄順序結(jié)晶和定向凝固的特點(diǎn)，電渣錠的組織致密均勻，各向異性程度低.

圖3 電渣錠和電極沖擊斷口形貌Fig.3 Impact fracture of electrode and ingot(a)—電極縱截面;(b)—電極橫截面;(c)—電渣錠縱截面;(d)—電渣錠橫截面

表4 電渣錠和電極沖擊性能Table 4 Impact property of electrode and ingot

應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察電渣錠與電極的沖擊斷口形貌如圖3所示，從圖中可以看出電渣錠斷口處的韌窩數(shù)量較多，分布均勻，表現(xiàn)出較好的沖擊韌性.同時(shí)，電渣錠軸向試樣的斷口形貌與徑向試樣的斷口形貌大致相同，電渣錠各向異性程度低.

2.4 布氏硬度研究

應(yīng)用布氏硬度計(jì)測(cè)定熱處理后電渣錠與電極的硬度如表5所示.從表中可以看出電渣錠的硬度值為278，高于電極的硬度.從電渣錠和電極的顯微組織可以看出，由于電渣熔鑄冷卻強(qiáng)度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細(xì)小.同時(shí)金屬晶粒越細(xì)小，晶界的總面積越大，變形晶粒中的位錯(cuò)在晶界處受到的阻力越大，宏觀(guān)表現(xiàn)為金屬的硬度值越高.

表5 電渣錠和電極布氏硬度Table 5 Brinell hardness of electrode and iongt

3 結(jié)論

以熱處理后的電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼為研究對(duì)象，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，利用金相顯微鏡(OM)觀(guān)察熱處理后的顯微組織，應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察拉伸斷口和沖擊斷口，研究電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能.通過(guò)與電極的對(duì)比，研究電渣熔鑄對(duì)力學(xué)性能的影響.具體研究結(jié)果如下:

(1)經(jīng)過(guò)熱處理后，電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的晶粒更加細(xì)小.電渣熔鑄具有良好的凝固條件，因此電渣錠的組織致密均勻，晶粒細(xì)小，電渣錠經(jīng)過(guò)熱處理后晶粒更加細(xì)小.而電極采用砂型鑄造，原始晶粒粗大，雖然熱處理具有細(xì)化晶粒的作用，但其晶粒尺寸仍較大.

(2)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的Rm為810 MPa以上，RP0.2為 575 MPa以上，A為21.7%以上，Z為67.3%以上.電渣錠的拉伸性能明顯優(yōu)于電極，并且各向異性的程度低.由于電渣熔鑄冷卻強(qiáng)度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細(xì)小，塑性更高.同時(shí)，由于電渣熔鑄順序結(jié)晶和定向凝固的特點(diǎn)，電渣錠的組織更加均勻，因此其各向異性程度低.

(3)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的沖擊功在154 J以上，沖擊韌性?xún)?yōu)于電極，各向異性程度更低.由于電渣熔鑄冷卻強(qiáng)度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細(xì)小，韌性更好.同時(shí)，由于電渣熔鑄順序結(jié)晶和定向凝固的特點(diǎn)，電渣錠的組織致密均勻，各向異性程度低.

(4)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的布氏硬度為278，高于電極的硬度.由于電渣熔鑄冷卻強(qiáng)度大，熱處理后電渣錠的晶粒更加細(xì)小，宏觀(guān)表現(xiàn)為電渣錠的硬度值更高.

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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.

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)“電渣熔鑄大型鑄鍛件工藝技術(shù)研究”(2010ZX04016－014).

馮浩 (1992—)，男，東北大學(xué)碩士研究生，E－mail:zqzk159@163.com;姜周華 (1963—)，男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.