化學(xué)成分對(duì)ZGD410-700力學(xué)性能提升的影響

張雪洋 陳禮年 馬波

摘 ?要：近年來，隨著汽車輕量化要求不斷提升，對(duì)汽車用高強(qiáng)高韌鑄鋼的研究顯得非常重要。ZGD410-700為我公司高強(qiáng)高韌正火鋼典型材質(zhì)，本文通過添加Cr、Cu、V、Ni等合金元素，優(yōu)化原有成分，提升ZGD410-700材質(zhì)綜合力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加入0.2-0.3% Cu的試樣綜合力學(xué)性能明顯提升，屈服和抗拉強(qiáng)度分別為477Mpa、759Mpa，延伸率達(dá)到了19.1%。而分別添加Cr、V、Ni等元素，對(duì)強(qiáng)度及延伸的無明顯改善或略有降低，且隨著合金元素的過量添加，導(dǎo)致其強(qiáng)度富余而延伸率降低，若再高溫回火則其綜合力學(xué)性能明顯下降。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)高韌;ZGD410-700;合金元素;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ31 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0140-03

The Influence of Chemical Composition On The Improvement of Mechanical Properties of ZGD410-700

ZHANG Xue-yang， ?CHENG li-nian， MA bo

（ Dongfeng Investment Casting，Chaohu 238000， China ）

Abstract： In recent years， with the increasing requirements for lightweight automobiles， it is very important to study the high strength and high toughness cast steel used in automobiles. ZGD410-700 is the material produced by our company. In this paper， by adding Cr， Cu， V， Ni and other alloy elements， the original components are optimized to improve the comprehensive mechanical properties of ZGD410-700 material. The experimental results showed that the mechanical properties of the samples with 0.2-0.3% Cu were significantly improved， the yield and tensile strength were 477Mpa and 759Mpa， respectively， and the elongation reached 19.1%. When Cr， V， Ni and other elements were added respectively， the strength and extension were not significantly improved or slightly reduced， and with the excessive addition of alloying elements， the comprehensive mechanical properties of the elements were significantly reduced.

Key words： High Strength And High Toughness; ZGD410-700; Alloying Elements; Mechanical Property

張雪洋

畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)，工學(xué)碩士?，F(xiàn)就職于東風(fēng)精密鑄造有限公司，主要從事工藝（材料）研發(fā)，金屬材料和中溫蠟硅溶膠鑄造工藝，已發(fā)表論文2篇。

1 ? ?前言

鑄鋼件具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，其廣泛應(yīng)用于礦山、石油、冶金等制造業(yè)中[1]。當(dāng)前，隨著汽車輕量化的深入，鑄造碳鋼因其高強(qiáng)高韌性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)在輕量化過程中發(fā)揮著非常重要的作用[2]。根據(jù)某品牌客戶產(chǎn)品生產(chǎn)要求，經(jīng)過模擬受力分析，結(jié)合公司內(nèi)材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇熱處理為正火態(tài)的ZGD410-700材質(zhì)應(yīng)用于該產(chǎn)品。但由于該產(chǎn)品單重較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為安全使用考慮，希望在現(xiàn)生產(chǎn)ZGD410-700基礎(chǔ)上對(duì)綜合力學(xué)性能進(jìn)一步提高，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路通過Cu、Cr、V、Ni合金元素的加入提高鑄鋼的強(qiáng)度[3]，經(jīng)過多次試驗(yàn)及綜合力學(xué)性能對(duì)比，選擇滿足客戶性能要求的鑄鋼材料。

2 ? ?化學(xué)成分及工藝

表1為ZGD410-700的化學(xué)成分，為公司現(xiàn)生產(chǎn)材質(zhì)，通過加入少量合金元素的方法進(jìn)一步提升其力學(xué)性能。

2.1 ? 合金成分對(duì)力學(xué)性能影響

（1）碳作為對(duì)鋼的力學(xué)性能貢獻(xiàn)最大的元素，可以提高鋼的強(qiáng)度。碳在鋼中可以溶解成為間隙固溶體，起到固溶強(qiáng)化的作用，碳還可以和強(qiáng)碳化物形成元素形成碳化物析出，其到沉淀強(qiáng)化的作用[4]。與其他合金元素相比，碳對(duì)鋼的顯微組織、脫碳傾向、強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能的影響要大的多;當(dāng)然過多的碳會(huì)降低碳鋼的塑性、韌性，所以高強(qiáng)高韌鋼中碳含量不宜過高。

（2）硅的強(qiáng)化方式是固溶強(qiáng)化，它不與碳形成碳化物，是以固溶的狀態(tài)存于鋼中，是合金元素中固溶效果最好的元素。而且硅還可以提高鋼的屈服極限和屈強(qiáng)比。但是過高的硅會(huì)增加鋼的脫碳傾向。且硅還易與氧發(fā)生反應(yīng)，可以起到一定的脫氧作用。

（3）錳是提高淬透性能最有效的元素，它可以溶入鐵素體起固溶強(qiáng)化的作用，在熱處理時(shí)可以細(xì)化珠光體晶粒，提高材料的強(qiáng)度和硬度。但錳的含量超過1.5%時(shí)，鋼的韌性會(huì)明顯下降，故鋼中錳含量不宜過高。

（4）鉻作為強(qiáng)碳化物形成元素，會(huì)改善鋼的抗氧化、抗腐蝕作用，提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。鉻與碳有較強(qiáng)的親和作用，當(dāng)鉻含量在1%左右時(shí)，滲碳體以（Fe，Cr）3C為主，但是鉻在增加淬透性的同時(shí)也會(huì)增加鋼的回火脆性，當(dāng)零件較大時(shí)，易產(chǎn)生裂紋。

（5）鎳與鐵無限固溶，且不與碳形成碳化物，可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，是穩(wěn)定奧氏體的元素;鎳可以細(xì)化和增加珠光體的同時(shí)增加鐵素體，提高強(qiáng)度的同時(shí)對(duì)塑韌性影響較小，從而提升鋼的綜合力學(xué)性能。但鎳對(duì)鋼的淬透性影響不大，通常不作為調(diào)質(zhì)鋼的合金添加元素。

（6）銅也是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，在鐵中固溶度不大，且不與碳形成碳化物，可提高強(qiáng)度，特別是屈強(qiáng)比，還可提高鋼的疲勞強(qiáng)度，其固溶強(qiáng)化的方式與鎳相似，可部分替代鎳。

（7）釩是強(qiáng)碳化物形成元素，以細(xì)小的晶粒而彌散的VC存在于鋼中，起到沉淀強(qiáng)化的作用;釩是非常重要的晶粒細(xì)化元素，少于0.1%的釩就可有效的抑制晶粒長大，提高鋼的強(qiáng)度、硬度，特別是屈強(qiáng)比[5]。釩通常利用冷卻或回火過程析出強(qiáng)化相來提高鋼的強(qiáng)度，過高的釩會(huì)降低鋼的韌性。

2.2 ? 試驗(yàn)的材料及過程

本次試驗(yàn)所用原材料有：08廢鋼、增碳劑、硅鐵（FeSi75）、錳鐵（FeMn78）、鉻鐵（FeCr60）、電解銅、鎳板、釩鐵（FeV50）

熔煉過程：熔煉設(shè)備選擇中頻感應(yīng)爐，根據(jù)化學(xué)成分加入合金，通過光譜分析法控制爐前成分合格，出爐后進(jìn)行脫氧扒渣處理，將鋼水倒入試塊。

熱處理工藝：由于該產(chǎn)品單重較重，客戶對(duì)局部部位性能要求等綜合考慮，熱處理選擇正火工藝，既900℃保溫1.5 h出爐空冷。

3 ? ?試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

依次將加入不同合金的試塊正火熱處理后編號(hào)：1、現(xiàn)生產(chǎn)成分ZGD410-700;2、添加0.9-1.1%的Cr;3、添加0.05-0.08%的V;4、添加0.2-0.3%的Cu?；瘜W(xué)成分如下表2：

取ZGD410-700金相試樣放大100倍后組織如圖1所示：鐵素體和珠光體混合物，金相等級(jí)3級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從每種成分試塊上取4個(gè)試樣，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，其結(jié)果如下表3所示，1-4組硬度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);強(qiáng)度方面：（1）添加1% Cr的試樣平均抗拉強(qiáng)度為771MPa，與現(xiàn)生產(chǎn)成分的744MPa相比略有提升，而延伸率和屈服強(qiáng)度均有所下降;（2）添加少量V的試樣平均抗拉和屈服略高于標(biāo)準(zhǔn)成分，但延伸率也有所下降;（3）加入0.2-0.3%Cu的試樣屈服和抗拉強(qiáng)度分別為477Mpa、759Mpa，延伸率為19.1%，強(qiáng)塑積（抗拉強(qiáng)度與延伸率乘積）最大，綜合性能為四組中最好。

經(jīng)過上一輪試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)成分加Cu的試塊綜合性能最優(yōu)，為進(jìn)一步提升其性能，在加Cu成分的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化成分：5、添加入0.7-0.9%的Ni;6、減少Si含量至0.5-0.7的%，加入0.7-0.9%的Ni，0.1-0.15%的V?；瘜W(xué)成分如下表：

對(duì)5、6成分試塊進(jìn)行硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其硬度平均值為277 HB、273 HB，遠(yuǎn)高于要求值。將試塊在740℃保溫100 min退火處理，硬度都降至標(biāo)準(zhǔn)范圍后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如下表5所示：兩種成分的試塊綜合力學(xué)性能皆低于加Cu的一組，過多合金元素的添加并未對(duì)強(qiáng)度、延伸提升有幫助。

4 ? ?結(jié)論

1、在ZGD410-700現(xiàn)生產(chǎn)成分基礎(chǔ)上，添加少量 Cr、 V、 Cu的對(duì)比試驗(yàn)表明，添加少量Cu的試樣綜合力學(xué)性能最好，強(qiáng)塑積最高。

2、加入較高的Ni或V合金化，會(huì)導(dǎo)致正火后硬度偏高，延伸率偏低。若再進(jìn)行高溫回火，反而降低了綜合力學(xué)性能，強(qiáng)塑積降低。

5 ? ?后續(xù)工作

經(jīng)過本文試驗(yàn)后，可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究添加合金元素對(duì)鑄鋼性能的影響：1、改變Cu含量，確定出對(duì)性能提升最合適的添加量;2、添加多種元素時(shí)考慮加入總量，避免加入合金較多對(duì)性能起反作用;3、還可以考慮加入Mo、Nb等[6]金屬元素后對(duì)性能影響。

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