耐熱耐磨ZG30Cr26Ni14化學(xué)成分對(duì)組織和性能的影響

黃曼曼，琚子來(lái)

保溫時(shí)間的長(zhǎng)短不同，鑄鋼奧氏體晶粒就會(huì)呈現(xiàn)出不同的化學(xué)作用反應(yīng)。這種反應(yīng)會(huì)受到所添加成分的影響，這些影響因素可決定它的晶體顆粒大小以及分布的均勻狀態(tài)，從而影響到它的耐磨耐熱性。耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14滲碳體溶解，里邊的碳元素會(huì)迅速作用到鐵素體中，從而形成奧氏體形核；當(dāng)然，奧氏體平和的形成也并非不需要條件的界定。他的條件就是一定時(shí)間的保溫效果來(lái)促使它形成。研究表明，耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14經(jīng)過(guò)V 和W添加后，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)直接影響到它在實(shí)際生產(chǎn)中的效率生成。因此在實(shí)際生產(chǎn)中要特別注重保溫時(shí)間的掌控，只有保溫效果達(dá)到，才能夠使材料形成相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，以此來(lái)獲得材料的本質(zhì)屬性性能。這對(duì)于生產(chǎn)質(zhì)量的提升以及生產(chǎn)成本的降低都是十分重要的一環(huán)。而本文研究的主要問(wèn)題點(diǎn)也是關(guān)于保溫時(shí)間對(duì)耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文以某鋼鐵企業(yè)提供的耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14為研究對(duì)象。采用沉積硬化方法向耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14材料中加入V(0.03%)和W（0.015%），并將Ni含量降低至1.2%，制備成新的鋼種，并進(jìn)行冷軋制成硬板。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將冷軋用法進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模式的操作通過(guò)熱模擬試驗(yàn)的反應(yīng)，使鋼板達(dá)到退火的效果。根據(jù)熱鍍鋅退火爐實(shí)際參數(shù)，當(dāng)所進(jìn)行的退火反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，其標(biāo)準(zhǔn)工藝制度來(lái)進(jìn)行操作，在這一過(guò)程中，可通過(guò)豐富經(jīng)驗(yàn)的冶金師傅來(lái)進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)，在他們看來(lái)這口的溫度是十分講究的，只有達(dá)到800℃時(shí)鋼材的延展性才能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。并且屈強(qiáng)比低，這樣鋼材的塑性性能才能夠得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。因此需要特別強(qiáng)調(diào)的便是退火的溫度掌控，必須保證在800℃。這一溫度的形成是需要持續(xù)加熱而加熱的速率每秒4℃，持續(xù)加溫到800℃時(shí)，便可采取保溫的操作時(shí)間為30s。在這一時(shí)間段內(nèi)，鋼材的均熱段長(zhǎng)度為95mm。這時(shí)如果加快生產(chǎn)速度，那么保溫的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的增加。在本次實(shí)驗(yàn)中將保溫的時(shí)間分別設(shè)定為30s，60s，90s。隨后經(jīng)過(guò)退火降溫處理降溫的速率為每秒30℃。如果想要進(jìn)行快速降溫冷卻則速率為每秒30℃。通過(guò)不同的溫差處理從而形成不同的材料樣本。當(dāng)鋼材經(jīng)過(guò)快冷處理后，也就是每秒350℃。然后又經(jīng)過(guò)快速加溫，直到溫度達(dá)到460℃。待退火后便可將試樣切成12mm×6mm×6mm規(guī)格的樣品，隨后樣品會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的打磨程序操作。包括：預(yù)磨，粗磨、精磨和拋光。在全部處理完畢后再使用濃度為5%的硝酸酒精溶液對(duì)樣本進(jìn)行腐蝕，隨后在Axio Scope A1型金相顯微鏡（由攀鋼提供）下觀察其顯微組織。也可將樣本拉制成標(biāo)準(zhǔn)試樣模式，所使用的試樣機(jī)械為三思泰捷牌萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，你檢測(cè)其拉伸的效果以及抗拉伸的能力及延展性的各項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)其進(jìn)行退火處理，得到馬氏體，鐵素體以及少量的殘余奧氏體構(gòu)成的顯微組織。利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量不同的預(yù)變形和力學(xué)性能，采用烘烤箱進(jìn)行烘烤，然后把得到不同條件（a：預(yù)變形分別是30%、25%、15%、10%、3%、2%、1%，185℃烘烤20min；b：預(yù)變形為2%的試樣，185℃分別烘烤1500h、950h、180h、95h、1.5h、0.8h、0.5h的試樣放置在室溫環(huán)境下3個(gè)月，再測(cè)得試樣的烘烤硬化值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察試樣在不同的保溫時(shí)間段下的退化效果以及它的組織變化。白色多塊狀組織為鐵素體，灰黑色呈板條或塊狀的為馬氏體。通過(guò)圖樣可得知在組織發(fā)生變化的臨界保溫時(shí)間點(diǎn)為30s。這是組織中所呈現(xiàn)的變化，是塊狀性分布，它的分布區(qū)域在鐵素體晶粒之間，并且這種晶體的形態(tài)是以塊狀形態(tài)呈現(xiàn)。而組織發(fā)生的臨界保溫時(shí)間點(diǎn)達(dá)到60s時(shí)，這時(shí)組織所呈現(xiàn)的變化則更為均勻它的形態(tài)感更為細(xì)膩，與此同時(shí)晶粒也變小。組織發(fā)生的臨近保溫時(shí)間點(diǎn)達(dá)到90s時(shí)。組織變化中鐵素體的含量也會(huì)大大減少。組織色澤呈現(xiàn)為灰黑色的馬氏體組織。

考察實(shí)驗(yàn)鋼在臨界區(qū)加熱溫度保溫不同的時(shí)間下測(cè)得的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得知，在保溫時(shí)間不斷變化的過(guò)程中，鋼材的抗拉伸能力以及缺強(qiáng)能力也會(huì)隨之發(fā)生變化，保溫的時(shí)間越長(zhǎng)，它的拉伸能力也隨之降低。而屈服強(qiáng)度走會(huì)得到提升。延展性也會(huì)隨著保溫時(shí)間的加長(zhǎng)而有所增強(qiáng)，但它的最佳狀態(tài)并非是正向比例關(guān)系的變化，保溫時(shí)間只有達(dá)到60s時(shí)，它的延展率才會(huì)最強(qiáng)。也就是說(shuō)它的變化是曲線型的變化，先降低后增強(qiáng)，然后再降低的次序變化性。因此得出，在800℃保溫60s后，耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14具有較好的沖壓性能。

考察Cr25Ni20和ZG30Cr26Ni14鋼拉伸試樣斷面收縮率與變形溫度的變化曲線。Cr25Ni20鋼在不同應(yīng)變速率條件下，它的正面收縮率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化所變化的不作為負(fù)向比例關(guān)系，并且這種變化也是曲線性變化。當(dāng)變形速度加快時(shí)，斷面收縮率也會(huì)隨之增強(qiáng)，而隨著速度的不斷加快，其收縮率便又會(huì)隨之降低。但這種影響性并未呈現(xiàn)出較為明顯的變化。ZG30Cr26Ni14鋼在不同應(yīng)變速率條件下，它的斷面收縮率也會(huì)因?yàn)樽冃嗡俣鹊募涌於玫教嵘５谧冃嗡俣炔粩嗉涌斓倪^(guò)程中，也會(huì)曲線型的呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在這一變化過(guò)程中應(yīng)變速度的快慢，對(duì)于斷面收縮率的影響有著較大的影響，它的作用關(guān)系為正向比例關(guān)系。并且與Cr25Ni20鋼的斷面收縮率相比，ZG30Cr26Ni14鋼的斷面收縮率較小。通常情況下，當(dāng)應(yīng)變速度保持恒定不變的狀態(tài)時(shí)，其發(fā)生的作用關(guān)系以及作用程度會(huì)隨著溫度的上升而有所提升，他們之間是一種正向的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程當(dāng)變化的速度以及動(dòng)態(tài)達(dá)到一定程度時(shí)那么兩種鋼材的強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化，變化的幅度趨向于小范圍的減小，這樣材料的熱塑性反應(yīng)便可得到提升。而當(dāng)所進(jìn)行的動(dòng)態(tài)不用反應(yīng)，并未呈現(xiàn)出均勻的分布時(shí)，那么它的應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)有所降低，因此，當(dāng)作用的應(yīng)變速度達(dá)到恒定不變的狀態(tài)時(shí)，那么材料在熱速反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)使溫度不斷的得到提升。Cr25Ni20和ZG30Cr26Ni14鋼的斷面收縮率也隨之增加?？僧?dāng)變形溫度達(dá)到1200℃時(shí)，剛正面的收縮力就會(huì)產(chǎn)生迅速的降低，并且它的收縮的幅度范圍中以及凝固的變化作用關(guān)系上都與組織形態(tài)變化相關(guān)。這兩種鋼材在凝固后所呈現(xiàn)出的共晶組織，其特性為熔點(diǎn)比較低，并且在晶界范圍中它的變形溫度設(shè)定為1200℃時(shí)組織變化會(huì)產(chǎn)生溶解反應(yīng)，這不僅降低了鋼材的熱塑性反應(yīng)也會(huì)使其質(zhì)量有所降低。

對(duì)于Cr25Ni20鋼，鋼裂紋的形合位置發(fā)生在奧氏體晶界附近。當(dāng)剛才的熱塑性反應(yīng)發(fā)生變化時(shí)，它的變形溫度保持在恒定的狀態(tài)，它的經(jīng)濟(jì)滑移的程度都會(huì)受到相應(yīng)的影響，當(dāng)應(yīng)變速度不斷的提升過(guò)程中，它的位錯(cuò)密度關(guān)系也會(huì)隨之加大，錯(cuò)位的密度關(guān)系會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的錯(cuò)胞反應(yīng)。位錯(cuò)胞釘扎滑移系，這時(shí)鋼材的強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)，但它的熱速性也會(huì)隨之降低應(yīng)變速度的加大使它的晶界滑移產(chǎn)生的變形量會(huì)隨之降低，那么鋼材總體的變形變化點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)的降低，但它的熱塑性會(huì)有所提升。因此，對(duì)于Cr25Ni20鋼而言，其應(yīng)變速率的變化并未對(duì)斷面收縮率產(chǎn)生過(guò)多的影響。

對(duì)于ZG30Cr26Ni14鋼，鋼在較低應(yīng)變速率條件下裂紋都在鐵素體晶界附近形核；當(dāng)所變化的速度在較高的狀態(tài)下，電文所形成的附近群合，也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，變化的區(qū)域往往出現(xiàn)在鐵素體和奧氏體晶界附近。當(dāng)變形的溫度保持在恒定不變的狀態(tài)時(shí)，ZG30Cr26Ni14鋼的熱塑性與鐵素體和奧氏體不協(xié)調(diào)變形程度有關(guān)。鐵素體與奧氏體在作用關(guān)系中所呈現(xiàn)出的強(qiáng)度并非一致性反應(yīng)。因此，與奧氏體相比，鐵塑體在反應(yīng)的過(guò)程中所受到的影響更大，其變形的作用狀態(tài)也會(huì)更強(qiáng)。當(dāng)應(yīng)變速率下降時(shí)，鐵素體和奧氏體在變形過(guò)程中也會(huì)呈現(xiàn)出不一致反應(yīng)。兩者的變化作用性會(huì)隨之增強(qiáng)，其變形差異也隨之增大。這種反應(yīng)會(huì)加大鐵素體和奧氏體在交界面之中的裂痕變化，變化的幅度會(huì)呈現(xiàn)為裂紋的產(chǎn)生，如果不采取有效的措施，這種裂紋會(huì)隨著變化的增大而使鋼材發(fā)生斷裂。因此，在應(yīng)變速度降低的同時(shí)，ZG30Cr26Ni14鋼的斷面收縮率也會(huì)隨之降低。當(dāng)應(yīng)變速率提升的過(guò)程中，ZG30Cr26Ni14鋼的位錯(cuò)密度也會(huì)隨之增大，這種這種增大的效果會(huì)促使鐵素體的強(qiáng)度有所提升。而作用的效果會(huì)最終減小鐵素體和奧氏體強(qiáng)度之間的差異。因此，當(dāng)反應(yīng)的應(yīng)變速率在提升的前提下，鐵素體和奧氏體所作用的關(guān)系會(huì)呈現(xiàn)出較為協(xié)調(diào)的變化，使其變形的程度也會(huì)降低，ZG30Cr26Ni14鋼的熱塑性也會(huì)增加。

考察預(yù)變形量及烘烤時(shí)間對(duì)雙相鋼烘烤硬化值的影響曲線圖?？梢钥闯觯婵居不惦S預(yù)變形量的不斷增加而逐漸變大。當(dāng)預(yù)變形量達(dá)到2%時(shí)，試樣的烘烤硬化值就已經(jīng)達(dá)到44MPa，這表明雙相鋼的烘烤硬化性能非常好。烘烤硬化值隨著烘烤時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而逐漸增加。當(dāng)烘烤時(shí)間達(dá)到1500h，烘烤硬化值高達(dá)81MPa?？疾觳煌幚砉に囅碌碾p相鋼的位錯(cuò)形貌圖像。從中可以發(fā)現(xiàn)，不同處理?xiàng)l件下的試樣的位錯(cuò)都是呈網(wǎng)狀的，且晶界也較平直，預(yù)變形量為10%條件下的位錯(cuò)密度比2%的要大些。經(jīng)過(guò)烘烤處理的雙相鋼試樣發(fā)生了一些變化，鐵素體中發(fā)現(xiàn)碳化物析出，產(chǎn)生馬氏體低溫回火；殘余奧氏體也轉(zhuǎn)變成回火馬氏體。因?yàn)槲龀龅奶蓟锬軌蚱鸬匠恋韽?qiáng)化的效果，而回火馬氏體的強(qiáng)度也比奧氏體要高，所以導(dǎo)致屈服強(qiáng)度的增加?？疾祛A(yù)變形量為2%在185℃烘烤處理不同時(shí)間后雙相鋼的位錯(cuò)形貌圖像。從中可以看出，在該實(shí)驗(yàn)條件下，位錯(cuò)都是呈網(wǎng)狀的，位錯(cuò)密度隨著烘烤時(shí)間的增加而不斷的變小，在烘烤處理的過(guò)程中伴隨碳化物的析出。考察不同預(yù)變形量條件下185℃烘烤20min后雙相鋼的溫度和內(nèi)耗的關(guān)系曲線圖。從中可以明顯看出，不同預(yù)變形量條件下隨著溫度的不斷升高雙相鋼試樣的內(nèi)耗都是先增加再減小的態(tài)勢(shì)，有比較明顯的峰值出現(xiàn)，這表明烘烤處理后形成了柯氏氣團(tuán)。預(yù)變形量為2%的試樣的內(nèi)耗的峰值比15%的小很多，這主要是因?yàn)榍罢叩奈诲e(cuò)密度大，內(nèi)部C原子和位錯(cuò)的交互作用與后者相比差得多，所以柯氏氣團(tuán)的密度比相對(duì)比較大。所以，主要是碳化物的析出、殘余奧氏體的分解、馬氏體回火以及柯氏氣團(tuán)的形成影響雙相鋼材料的烘烤硬化性能。而其中柯氏氣團(tuán)對(duì)烘烤硬化值的影響最大，所以經(jīng)過(guò)相同的烘烤處理后，預(yù)變形量比較大的試樣內(nèi)耗峰值較高。不同預(yù)變形量的雙相鋼試樣經(jīng)過(guò)室溫時(shí)效處理前后的烘烤硬化值如下所列，2%：處理前45MPa、處理后38MPa、差值為-7MPa；3%：處理前58MPa、處理后54MPa、差值為-4MPa；10%：處理前66MPa、處理后71MPa、差值為5MPa。觀察后發(fā)現(xiàn)二者之間沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

3 分析與討論

該實(shí)驗(yàn)表明，在鐵素體與珠光體的反應(yīng)關(guān)系中鋼材會(huì)經(jīng)過(guò)結(jié)晶退火的變化，形成鐵素體和奧氏體兩相。在設(shè)定不同的退火溫度時(shí)，其保溫的時(shí)間也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，隨著保溫時(shí)間不斷的增加其反應(yīng)的效果也會(huì)隨之增強(qiáng)作用，于原子擴(kuò)散的關(guān)系其變化分布更顯充分，奧氏體形核、長(zhǎng)大后分布更加均勻，奧氏體形核和長(zhǎng)大受原子擴(kuò)散的影響。

耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14在加熱過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí)進(jìn)行保溫處理。其結(jié)晶的變化過(guò)程里邊的鐵素體也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的形體改變作用的關(guān)系，使其產(chǎn)生等軸的多邊形塊狀形態(tài)。而滲碳體溶解后釋放更多的碳原子，其碳含量的增加會(huì)直接產(chǎn)生相應(yīng)的變化這種變化關(guān)系會(huì)使奧氏體晶核要早于滲碳體的形成。鐵素體和滲碳體的結(jié)晶處的間隙會(huì)產(chǎn)生變化，呈現(xiàn)的特點(diǎn)為位錯(cuò)性變化，也可作為晶格缺陷的變化形態(tài)產(chǎn)生在間隙中，隨著保溫時(shí)間的不斷增加，碳原子會(huì)通過(guò)晶界處的間隙不斷的擴(kuò)散。這時(shí)，碳元素本身在奧氏體中的產(chǎn)量就會(huì)不斷的減少，即便是在冷卻作用效果下，馬氏體中的碳含量也會(huì)隨之減少。由于合金元素在鐵素體中，它的擴(kuò)散速度明顯要快于奧氏體中的擴(kuò)散速度。這種緣由下，隨著保溫時(shí)間的不斷增加。鐵素體內(nèi)的合金元素也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，那么它所存在于晶界的間隙處也會(huì)隨著這種變化而不斷的向奧氏體擴(kuò)散，也由此降低了鐵素體的變化強(qiáng)度。由于耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14中的屈服強(qiáng)度主體因素是由鐵素體來(lái)決定，因此這種作用關(guān)系會(huì)使鋼本身的屈服強(qiáng)度不斷下降。而奧氏體的含碳量也會(huì)不斷的下降，最終低于滲碳體的含碳量。碳原子在不斷擴(kuò)散的過(guò)程中，會(huì)通過(guò)奧氏體向鐵素體內(nèi)部來(lái)進(jìn)行，這時(shí)的鐵素體的強(qiáng)度變化會(huì)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，鋼本身的屈服強(qiáng)度最終會(huì)有所提升。延伸率先升高后降低。退火溫度為800℃時(shí)，保溫60s獲得的耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14組織具有優(yōu)異的力學(xué)性能。通過(guò)降低Ni元素含量，并添加V和W兩種元素，可在實(shí)際生產(chǎn)中節(jié)省6%的成本。

當(dāng)預(yù)變形量達(dá)到2%時(shí)，試樣的烘烤硬化值就已經(jīng)達(dá)到44MPa，其烘烤硬化性能非常好。烘烤硬化值隨著烘烤時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而逐漸增加。不同處理?xiàng)l件下試樣的位錯(cuò)都是呈網(wǎng)狀的，且晶界也較平直。經(jīng)過(guò)烘烤處理的雙相鋼試樣鐵素體中發(fā)現(xiàn)碳化物析出，產(chǎn)生馬氏體低溫回火，殘余奧氏體也轉(zhuǎn)變成回火馬氏體。隨著預(yù)變形量的增加和烘烤時(shí)間的減少試樣的位錯(cuò)密度變小。不同預(yù)變形量條件下隨著溫度的不斷升高雙相鋼試樣的內(nèi)耗都是先增加再減小的態(tài)勢(shì)，有比較明顯的峰值出現(xiàn)，這表明烘烤處理后形成了柯氏氣團(tuán)。碳化物的析出、殘余奧氏體的分解、馬氏體回火以及柯氏氣團(tuán)的形成影響雙相鋼材料的烘烤硬化性能。該研究為機(jī)械材料的生產(chǎn)及應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

保溫時(shí)間的確定要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，選擇一個(gè)最優(yōu)的保溫時(shí)間參數(shù)，在保溫時(shí)間為60s時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼屈強(qiáng)比最小，延伸率最大，有利于沖壓加工。一般來(lái)說(shuō)保溫時(shí)間的影響和其它工藝參數(shù)相比處于次要地位。在生產(chǎn)實(shí)踐中，保溫時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)板形有影響，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成帶鋼在爐內(nèi)過(guò)燒等缺陷，并會(huì)影響生產(chǎn)效率，增加成本。因此，在保證鋼板的表面、板形質(zhì)量和好的組織力學(xué)性能的前提下，需盡可能縮短保溫時(shí)間，提高生產(chǎn)率。在本實(shí)驗(yàn)中，退火溫度為800℃時(shí)，保溫60s時(shí)，耐熱耐磨鑄鋼ZG30Cr26Ni14具有優(yōu)異的力學(xué)性能。