化學成分對齒條高強度鋼組織和性能的影響

張彩紅 王浩強 于海濤

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

化學成分對齒條高強度鋼組織和性能的影響

張彩紅 王浩強 于海濤

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

通過測定兩種不同化學成分高強度鋼的相變臨界點、金相組織、維氏硬度以及連續冷卻轉變曲線(CCT曲線)，考察了化學成分差異對齒條材料的相變、組織和力學性能的影響，并對其原因進行了分析。

齒條;高強度鋼;相變;組織;性能

樁腿是海洋油氣開發的重要部件之一，是建造自升式鉆井平臺中最關鍵和最困難的部分［1］。齒條是樁腿中的主要結構，它采用超高強度鋼制造。當前受國內技術條件的限制，齒條主要向國外專業廠商購買，價格居高不下，在目前對海上油氣能源的迫切需求下，對齒條材料的開發和對其熱處理工藝的研究具有重要意義。齒條材料同樣需要較高的低溫韌性，因此其最佳的淬火組織應為強度和韌性都較好的貝氏體組織。本文主要研究了兩種不同成分的高強度鋼的相變臨界點、金相組織、硬度、CCT曲線，模擬兩種鋼的熱處理工藝，測量其力學性能，并據此分析了化學成分對齒條材料相變、組織和力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

本文熔煉了兩種高強度鋼的小鋼錠，鋼錠重量約40 kg，最終熔煉的鋼錠成分如表1所示。

采用熱鍛壓力機將鋼錠鍛成板坯，進行鍛后熱處理，然后從兩種不同化學成分的坯料上切取?3 mm×10 mm的試樣，測量其相變臨界點、不同冷速下的金相組織、維氏硬度以及CCT曲線。此外，切取?10mm標準拉伸試樣和10mm×10 mm×55 mm沖擊試樣進行模擬熱處理工藝，測量其力學性能。

表1 兩種高強度鋼鋼錠的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chem ical compositions of two kinds of high strength steel ingots(mass fraction，%)

2 結果與分析

2.1 相變臨界點

采用DIL801熱膨脹儀測量兩種成分鋼的相變臨界點為:材料A的Ac1=735℃，Ac3=848℃;材料B的Ac1=705℃，Ac3=850℃。兩種材料的Ac3比較接近，但是Ac1相差較大。Andrews搜集了英、德、法、美等國家的資料［2］并通過對大量試驗數據進行回歸分析，獲得了根據鋼的化學成分計算Ac1溫度的經驗公式:

式中，元素符號代表其含量(質量分數，%)，適用鋼的化學成分(質量分數，%)范圍為:C≤0.6，Mn≤4.9，Cr≤5，Ni≤5，Mo≤5.4。

圖1 材料A金相組織Figure 1 Metallographic structure ofmaterial A

圖2 材料B金相組織Figure 2 Metallographic structure ofmaterial B

根據上式可知，材料B中能降低共析溫度的合金元素，如錳和鎳等含量［3］要遠高于材料A，而能提高共析溫度的合金元素，如鉻等含量卻低于材料A，從而使材料B的Ac1相對較低。

2.2 不同冷速下的金相組織

將兩種化學成分的試樣加熱到900℃保溫20 min，完全奧氏體化后以不同的冷卻速度冷卻到室溫，利用光學顯微鏡觀察不同冷速下的金相組織，如圖1和圖2所示。

從圖中可以看出，材料A低速冷卻的組織為鐵素體和粒狀貝氏體，而材料B組織中還含有少量珠光體。這是由于材料A的Ac1溫度高于先共析鐵素體的析出溫度，相變發生的過冷度較大，鐵原子擴散極為困難，轉變成的珠光體量極少甚至不存在，以致在金相組織中沒有觀察到。先共析鐵素體的強度較低，對高強度鋼是不利的，應盡量避免其形成。兩種材料以60℃/min冷卻形成的組織均為粒狀貝氏體和馬氏體，沒有鐵素體的析出。

圖3 兩種材料以不同冷速冷卻后的維氏硬度值Figure 3 The Vickers hardness values of twomaterials after cooling at different speeds

2.3 硬度

兩種材料以不同冷速冷卻后的維氏硬度值如圖3所示。從圖中可以看出，兩種材料在冷速較低時，隨著冷速增加，硬度值呈增加趨勢;當冷速大于300℃/min后，硬度值基本不變。材料A低速冷卻時硬度值略高于B，冷速增加到一定值后，材料B硬度值要高于A。這是由于材料B在冷速較低時組織中有少量珠光體，珠光體硬度高于鐵素體，B硬度略高。隨著冷速增加，沒有鐵素體析出，合金元素固溶于基體中且材料A含碳量高，使得A具有更強的淬硬性。

圖4 兩種材料的CCT曲線Figure 4 CCT curves of two kinds ofmaterials

2.4 CCT曲線

根據標準繪制出兩種化學成分高強度鋼的CCT曲線，如圖4所示。

從圖中可以看到，材料 A冷速高于20℃/ min，室溫組織為貝氏體或馬氏體;材料B冷速高于10℃/min，室溫組織為貝氏體或馬氏體。材料B中較多合金元素的自擴散系數低且降低了碳在奧氏體中的擴散系數，增加了奧氏體的穩定性，延長了鐵素體的孕育期，提高了材料的淬透性，易在較低的冷速下(＞10℃/min)得到較高強度和韌性的貝氏體。

2.5 力學性能

模擬兩種材料的熱處理工藝，將兩種試樣升溫到900℃保溫2 h后冷卻，回火后測量其強度和沖擊韌性值，如表2所示。

表2 兩種材料的力學性能值Table 2 M echanical properties of two kinds ofmaterials

從表中可以看出，材料A的強度略高于B，而韌性卻極低，這是由于碳和合金元素的存在均可提高材料的強度。材料A中兩種因素對強度的綜合貢獻高于材料B，并且元素錳降低合金的脆性轉變溫度，而元素鉻和碳的作用相反，鋁在鋼中的主要作用是細化晶粒、固定鋼中的氮，可顯著提高鋼的沖擊韌性。材料B提高錳和鋁的含量、降低鉻和碳的含量能明顯提高其沖擊韌性。

3 結論

(1)材料B中能降低共析溫度的合金元素，如錳和鎳等含量要遠高于材料A，其Acl較低;

(2)兩種材料在低速冷卻時得到的組織中均含有鐵素體，對材料的強度不利，而以冷速60℃/ min冷卻形成的組織均為粒狀貝氏體和馬氏體;

(3)材料B可以在較低的冷速下(＞10℃/ min)得到較高強度和韌性的貝氏體;

(4)材料A強度略高，而材料B因為提高錳和鋁的含量并降低鉻和碳的含量能明顯提高其沖擊韌性。

［1］ 黃俊宏.自升式平臺樁腿的建造原則工藝分析.船舶工程，2010(1):32.

［2］ 康大韜，郭成熊.工程用鋼的組織轉變與性能圖冊［M］.北京:機械工業出版社，1992:35.

［3］ 樊東黎，徐躍明，佟曉輝，等.熱處理技術數據手冊.北京:機械工業出版社，2000.

編輯 李韋螢

Effects of Chemical Composition on Microstructure and Properties of High-strength Steel for Gear Rack

Zhang Caihong，W ang Haoqiang，Yu Haitao

Through the determination of the critical pointof phase transformation，metallurgical structure，Vickers hardness and continuous cooling transformation curve(CCT curve)of high-strength steels with two kinds of different chemical compositions，this article investigates the effects of chemical compositions differences on the phase transformation，microstructure and mechanical properties of gear rack material.

gear rack;high strength steel;phase transformation;microstructure;properties

U463.212+.42

B

2013—03—25

張彩紅(1985—)，女，助理工程師，碩士，從事大型鑄鍛件材料及熱處理工藝方面的研究。