殘余元素對船用碳錳鋼材料的影響

陳江忠

摘要：隨著船舶行業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，對船用軸舵系鑄件的性能要求也不斷提高，不僅要求鑄件具有較高的強度性能，同時具有低溫高韌性，以便適應(yīng)不同航線區(qū)域的需求。通過對傳統(tǒng)的船用碳錳鋼鑄件材料的組分中的殘余元素Cr、Ni、Mo進行有效控制和利用，并通過制訂合理的熱處理工藝，細化了晶粒，提高了鑄件材料的綜合力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：船用碳錳鋼;殘余元素;細化晶粒;熱處理工藝

中圖分類號：U671

文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.016

1 鑄件材料成分與性能分析

船用軸舵系鑄件作為船體和輪機的重要零部件，在鑄件材料的選擇上不僅要較高的強度性能，同時為了適應(yīng)不同航行區(qū)域的氣候，鑄件材料具有低溫高韌性?？紤]到鑄件與鋼板焊接的需要，要求鑄件材料具有良好的可焊性。因此，船用軸舵系鑄件在設(shè)計上往往采用船用碳錳鋼材料。船用碳錳鋼材料制作船用軸舵系鑄件時，其材料化學(xué)成分和力學(xué)性能一般要求如下。

化學(xué)成分：C含量小于等于0.23%，Mn含量小于等于1.60%，Si含量小于等于0.60%，S含量小于等于0.030%，P含量小于等于0.030。

殘余元素：Cr含量小于等于0.30%，Ni含量小于等于0.40%，Mo含量小于等于0.15%，Cu含量小于等于0.30%。

力學(xué)性能：抗拉強度Rm≥400 MPa，屈服強度≥200 MPa，伸長率45≥25%，斷面收縮率Z≥40%，沖擊吸收功Akv（20℃）≥27 J（平均值）。

20℃的沖擊韌性值為一般航行區(qū)域的試驗要求，根據(jù)不同冰區(qū)加強要求，往往需要在0℃、- 10℃、- 20℃時沖擊韌性值平均值超過27J。

2 鑄件材料技術(shù)特點

2.1 材料特性分析

對符合常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分進行熱處理后再進行力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，在滿足強度要求時，材料的常溫沖擊吸收功Akv能滿足平均值大于27J，在0℃時材料的沖擊吸收功Akv也基本能滿足要求。但實驗溫度降到- 20℃時，材料的低溫沖擊值很低，往往在10 J以下，分析材料的金相組織可以看出，熱處理后的常溫金相組織為索氏體+部分珠光體。根據(jù)金相組織分析，造成材料低溫韌性值低主要原因是材料化學(xué)成分的組分構(gòu)成決定了在熱處理過程中，完全奧氏體化時晶粒的大小無法控制在相應(yīng)機械性能要求的晶粒度范圍。

2.2 材料調(diào)整優(yōu)化方向和措施

該材料主體元素為C、Si、Mn、S、P，其中C、Si、Mn為三大主體元素，設(shè)計上只規(guī)定上限值，但對Mn/C比值一般要求大于3。而S、P為殘余有害元素，因此在冶煉時往往要求盡可能去除，C、Si、Mn元素對提高材料的強度都有積極的作用，因此含量不宜過低。但是隨著該三大元素含量的升高，特別是超過一定的量后，對于材料的韌性和焊接性能都會起反作用，尤其對于材料的韌性一脆性轉(zhuǎn)變影響很大。

從提高韌性的角度出發(fā)，應(yīng)降低C、Si、Mn元素的含量，但是C、Si、Mn元素含量的下調(diào)會造成材料強度性能的下降，為了保證強度不受影響，通過調(diào)整部分微量合金元素來細化晶粒，從而達到提高強度的目的。常規(guī)的碳錳鋼鑄件材料在生產(chǎn)時，原材料中會含有一定量的Cr、Ni、Mo、Cu等殘余元素，但是這些殘余元素的含量很少（往往都在0.10%以下，特別是Cu的含量微乎其微，基本上在O.0l%以下，因此不考慮Cu的影響），對材料的機械性能影響甚微。而這些殘余元素中，Cr、Mo、Ni殘余含量應(yīng)控制在材料規(guī)定殘留范圍內(nèi)，同時將它的殘留量控制在一定范圍，不僅不會對材料的焊接性產(chǎn)生影響，同時還會對鋼能起到細化晶粒、提高材料的綜合力學(xué)性能的作用。

Mo能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。Mo對鐵素體具有固溶強化作用，同時也可提高碳化物的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)鋼中加入Mo，能提高機械性能。還可以抑制回火脆性。Mo是鐵素體形成元素，易出現(xiàn)鐵素體6相或其他脆性相而使韌性降低，與Cr、Ni結(jié)合可大大提高鋼的淬透性。

在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，Cr是中等碳化物形成元素，在所有碳化物中，鉻碳化物是最細小的一種，它可均勻地分布在鋼體積中，所以具有高強度、高硬度、高屈服點和高耐磨性。由于它能使組織細化而又均勻分布，所以塑性、韌性也較好;Cr可使奧氏體分解速度減緩，降低淬火時的臨界冷卻速度，因而有助于馬氏體形成和提高馬氏體的穩(wěn)定性，所以Cr鋼具有優(yōu)良的淬透性，且淬火變形較小。Cr與Mo結(jié)合，能使淬火鋼中殘余奧氏體增加，而有助于獲得需要粉碎程度的碳化物相，提高結(jié)構(gòu)鋼的強度和塑性。

Ni能強化鐵素體并細化和增多珠光體，提高鋼的強度和不降低鋼的韌性，Ni和Fe能無限固溶，擴大Fe的奧氏體區(qū)，升高A4點，降低A3點，降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，降低鋼中各元素的擴散速率，提高鋼的淬透性，具有耐腐蝕和抗氧化能力。

根據(jù)合金元素對鋼晶粒度的不同影響，同時結(jié)合船用碳錳鋼焊接性及該元素在材料中的最大允許殘余量，將三種殘余元素控制在如下范圍：Cr為0.20% - 0.30%，Mo為0.lO% -0.15%，Ni為0.20% - 0.40%。綜合以上，得出優(yōu)化后的碳錳鋼鑄件的化學(xué)成分，如表1所示。

2.3 實驗結(jié)果

用優(yōu)化的碳錳鋼材料生產(chǎn)的船用軸舵系鑄件，采用專門的正火+回火熱處理工藝。分別在常溫20℃、0℃、- IO℃、- 20℃進行取樣力學(xué)性能試驗，所測沖擊吸收功平均值均超過了27J，如表2所示。

3 結(jié)論

綜上所述，通過控制船用碳錳鋼中的殘余元素Cr、Ni、Mo的殘余含量，可以有效提高船用碳錳鋼鑄件的綜合力學(xué)性能，尤其是低溫力學(xué)性能可以得到很好的改善。由于優(yōu)化后的碳錳鋼材料具有高強度、高韌性的特點，因此可以代替部分低合金鋼材料使用，具有廣闊的市場前景。

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