碳含量對微合金化鑄鋼組織與性能的影響

葉丁，包文兵，李潤泉

（格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330000）

微合金是指鋼中加入的某些元素的含量比較低，通常低于0.1%。加入的這些低含量的元素稱為微合金化元素。微合金化鋼是在C-Mn鋼或低合金鋼中添加微量元素（＜0.1%的Nb、V、Ti，有時還包括B、A1、RE)進(jìn)行合金化，通過高純潔度冶煉，控軋（鍛）控冷(TMCP)，獲得細(xì)晶、碳氮化物沉淀強(qiáng)化的高強(qiáng)度、高韌性，高可焊性、良好成形性的鋼種。

碳作為強(qiáng)化材料性能的重要元素，在微合金化基礎(chǔ)上，其含量的變化可對材料的性能產(chǎn)生一定影響。

本工作的目的就是探究碳含量對微合金化鑄鋼組織和力學(xué)性能的影響。通過觀察顯微組織和測定力學(xué)性能，得到顯微組織和力學(xué)性能較好條件下的含碳量。隨后分析碳含量對組織和性能產(chǎn)生影響的原因。

1 試驗材料及實驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

本實驗以牌號為ASTMA487-4B的微合金化鑄鋼為研究對象，分別分析含碳量為0.09%、0.12%、0.14%、0.16%四種試樣的顯微組織和力學(xué)性能。使用QS7500直讀光譜儀對成型的微合金化鑄鋼進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 QS7500直讀光譜儀檢測結(jié)果 %

1.2 試樣制備

（1）組織觀察試樣制備

利用線切割加工技術(shù)在鑄造試樣上取樣，將試樣依次用600#、800#、1000#、1200#的金相碳化硅金相砂紙研磨，每換一張砂紙，試樣換90°方向研磨，直到試樣的斷面沒有肉眼可見的明顯劃痕為止；使用拋光液（氧化鋁拋光粉的懸浮液）在配有短毛拋光布的拋光機(jī)（型號為PG-2D）上進(jìn)行拋光，得到光亮無痕的鏡面；清洗拋光好的試樣，洗凈后將試樣放在4%的硝酸酒精溶液中腐蝕大約10s，表面呈暗灰色；腐蝕后用水沖洗，隨后用蘸無水乙醇的棉球擦干，靜置干燥。

（2）力學(xué)性能測試試樣制備

將熱處理完的鑄件用Y100切割機(jī)切割成試棒后，送到機(jī)加工車間，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣及標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微合金化鑄鋼顯微組織

使用Nikon Eclipse LV100 POL偏光顯微鏡進(jìn)行組織觀察分析。圖1是含碳量分別為0.09%、0.12%、0.14%、0.16%的光學(xué)組織照片。拍攝倍數(shù)為1000倍。四種含碳量的組織均為回火索氏體。從圖中看出，索氏體呈長條狀和塊狀。四種含碳量的光學(xué)組織當(dāng)中，含碳量0.09%、0.12%和0.14%中均出現(xiàn)少量尺寸較大的塊狀的回火索氏體，而含碳量0.16%時未出現(xiàn)，該含碳量下晶粒大小相對均勻。

隨著含碳量增加，回火索氏體由多邊形的塊狀變得更加規(guī)整、均勻且條狀的回火索氏體的數(shù)量有所減少。碳含量為0.12%照片中，可以看到一些黑色顆粒分布在回火索氏體晶界上，這些黑色顆粒是夾雜物，可能是澆注過程中引入的。碳含量為0.16%時，回火索氏體的形狀、尺寸均勻，只有少量保持著原馬氏體的位相關(guān)系的條狀組織。這是由于含碳量越高，碳化物數(shù)量越多，這些碳化物的溶解溫度較高，在鑄鋼進(jìn)行奧氏體化時溶解量很少，能有效阻礙奧氏體晶粒長大，同時也使得組織變得更加規(guī)整。

圖1 不同碳含量微合金化鑄鋼顯微組織（1000×）

2.2 ASTMA487-4B的微合金化鑄鋼晶粒尺寸測定

利用Image-Pro Plus 6.0軟件對拍攝的顯微組織照片采用劃線法計算平均晶粒直徑。圖2是不同含碳量的晶粒尺寸大小分布的直方圖。從圖中可以看出，隨含碳量增加，晶粒尺寸越來越小。四種碳含量的晶粒尺寸相差并不明顯，均為20μm范圍內(nèi)。根據(jù)晶粒度等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)，本實驗四種碳含量屬于細(xì)晶粒范疇。碳含量為0.09%時的晶粒尺寸最大，超過20μm，其他三種碳含量的晶粒尺寸在20μm以下。碳含量為0.16%時的晶粒尺寸最小，僅17.2μm。微合金元素形成的碳化物有效的發(fā)揮了細(xì)化晶粒的作用，使得晶粒得到明顯的細(xì)化。

圖2 不同碳含量微合金化鑄鋼晶粒尺寸大小

2.3 ASTMA487-4B的微合金化鑄鋼力學(xué)性能分析

（1）將標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣在萬能拉力試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，圖3為不同碳含量下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。從圖中觀察，含碳量為0.09%、0.12%和0.14%時試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本相同。含碳量為0.14%時屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小，在含碳量為0.16%時達(dá)到最大。

圖3 不同碳含量下微合金化鑄鋼抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

圖4反映了碳含量對材料的延伸率和斷面收縮率的影響。斷面收縮率和延伸率均降低再增加，在碳含量為0.12%時達(dá)到最低，其他三種含碳量的延伸率和斷面收縮率相差并不明顯。含碳量為0.12%時的斷面收縮率最低的原因為如下。

①夾雜物。從試樣光學(xué)顯微組織圖1(b)可以看出，碳含量為0.12%時，晶界上存在一些黑點。這些黑點不規(guī)則的排布在晶界上，極大的降低材料韌性。這些夾雜物可能是在澆鑄前扒渣不充分而保留在試樣中。

②化學(xué)成分。相比其他三種含碳量化學(xué)成分，含碳量為0.12%的試樣中S、P等含量較高容易形成硫化物和磷化物。這些有害物質(zhì)向晶界聚集長大，增加了材料脆性。

圖4 不同碳含量下微合金化鑄鋼斷面收縮率和延伸率

（2）將V型缺口夏比試樣經(jīng)低溫酒精冷卻到-40℃后，在JB30A型沖擊試驗機(jī)上測材料的沖擊功。圖5反映了不同碳含量下對-40℃低溫沖擊功。在碳含量為0.09%和0.12%時的低溫脆性相似，處于較低水平；含碳量為0.14%和0.16%時的低溫脆性也相似，處于較高水平。導(dǎo)致這種差異的原因為如下。

①化學(xué)成分。含碳量為0.09%和0.12%下的P、S含量較高，容易形成磷化物和硫化物，這些有害物質(zhì)偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂傾向，同時降低脆斷應(yīng)力。碳含量為0.14%和0.16%的低溫沖擊功較大可能是雜質(zhì)偏析較少且晶粒較為細(xì)小。細(xì)化晶粒后，晶界總面積增加，境界上的雜質(zhì)濃度減少，避免沿晶脆性斷裂；晶界前塞積位錯減少，利于降低應(yīng)力集中。

②夾雜物。對比四種含碳量的光學(xué)組織照片圖1，發(fā)現(xiàn)含碳量為0.09%和0.12%的晶界上偏聚了數(shù)量較多的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)容易產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，對低溫韌性的危害非常大。

圖5 不同碳含量下微合金化鑄鋼-40℃低溫沖擊功

（3）在HB-3000布氏硬度計上測材料布氏硬度。圖6反映不同碳含量下微合金化鑄鋼布氏硬度。從圖6可以看出，整體而言隨著含碳量增加，材料硬度變大。說明碳含量的增加能增加材料硬度。但是在含碳量為0.12%時，硬度出現(xiàn)最小值。其原因為如下。

①該試樣中V元素的含量較低，固溶強(qiáng)化作用較弱，導(dǎo)致硬度降低。而其他三組試樣的V含量相近，含碳量增加，固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，硬度增大。

②如前所述，含碳量為0.12%的試樣中存在較多的夾雜物，這些夾雜物的硬度都相對較低。在測量硬度時，硬度計的探頭可能打在夾雜物上，從而導(dǎo)致硬度偏低（圖6）。

3 結(jié)語

（1）不同碳含量對ASTM A487-4B微合金化鑄鋼的組織存在影響。在一定的范圍內(nèi)，含碳量越高，晶粒越細(xì)小，各含碳量組織的晶粒大小在20μm范圍波動，含碳量為0.16%時的晶粒尺寸最小，為17.2μm；隨含碳量增加，ASTM A487-4B微合金化鑄鋼組織形態(tài)越規(guī)整，分布越均勻。

圖6 不同碳含量下微合金化鑄鋼布氏硬度

（2）不同碳含量對ASTM A487-4B微合金化鑄鋼的力學(xué)性能存在影響。隨含碳量增加，試驗鋼的屈服強(qiáng)度先基本保持不變后增加到某一值，在含碳量為0.16%時最大，達(dá)到671MPa，變化幅度達(dá)90MPa；抗拉強(qiáng)度先基本保持不變，后增加到某一最大值，變化范圍為690～760MPa；斷面收縮率先降低后增加，在含碳量為0.12%時最小，達(dá)48%，變化幅度超過20%；延伸率先降低后增加，變化范圍為19%～23%；低溫沖擊功在0.12%時最低，僅為20.3J，隨后增加，在0.16%時最高，變化幅度超過50%；硬度先降低后增加，在0.12%時最低，為236HB，比0.16%時的最大值270HB要小17%。

（3）綜合所以試驗及結(jié)果，碳含量為0.16%時所獲得的組織相對更加均勻，具備較好的綜合力學(xué)性能。

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