张彩红 王浩强 于海涛
(天津重型装备工程研究有限公司,天津300457)
化学成分对齿条高强度钢组织和性能的影响
张彩红 王浩强 于海涛
(天津重型装备工程研究有限公司,天津300457)
通过测定两种不同化学成分高强度钢的相变临界点、金相组织、维氏硬度以及连续冷却转变曲线(CCT曲线),考察了化学成分差异对齿条材料的相变、组织和力学性能的影响,并对其原因进行了分析。
齿条;高强度钢;相变;组织;性能
桩腿是海洋油气开发的重要部件之一,是建造自升式钻井平台中最关键和最困难的部分[1]。齿条是桩腿中的主要结构,它采用超高强度钢制造。当前受国内技术条件的限制,齿条主要向国外专业厂商购买,价格居高不下,在目前对海上油气能源的迫切需求下,对齿条材料的开发和对其热处理工艺的研究具有重要意义。齿条材料同样需要较高的低温韧性,因此其最佳的淬火组织应为强度和韧性都较好的贝氏体组织。本文主要研究了两种不同成分的高强度钢的相变临界点、金相组织、硬度、CCT曲线,模拟两种钢的热处理工艺,测量其力学性能,并据此分析了化学成分对齿条材料相变、组织和力学性能的影响。
本文熔炼了两种高强度钢的小钢锭,钢锭重量约40 kg,最终熔炼的钢锭成分如表1所示。
采用热锻压力机将钢锭锻成板坯,进行锻后热处理,然后从两种不同化学成分的坯料上切取∅3 mm×10 mm的试样,测量其相变临界点、不同冷速下的金相组织、维氏硬度以及CCT曲线。此外,切取∅10mm标准拉伸试样和10mm×10 mm×55 mm冲击试样进行模拟热处理工艺,测量其力学性能。
表1 两种高强度钢钢锭的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chem ical compositions of two kinds of high strength steel ingots(mass fraction,%)
2.1 相变临界点
采用DIL801热膨胀仪测量两种成分钢的相变临界点为:材料A的Ac1=735℃,Ac3=848℃;材料B的Ac1=705℃,Ac3=850℃。两种材料的Ac3比较接近,但是Ac1相差较大。Andrews搜集了英、德、法、美等国家的资料[2]并通过对大量试验数据进行回归分析,获得了根据钢的化学成分计算Ac1温度的经验公式:
式中,元素符号代表其含量(质量分数,%),适用钢的化学成分(质量分数,%)范围为:C≤0.6,Mn≤4.9,Cr≤5,Ni≤5,Mo≤5.4。
图1 材料A金相组织Figure 1 Metallographic structure ofmaterial A
图2 材料B金相组织Figure 2 Metallographic structure ofmaterial B
根据上式可知,材料B中能降低共析温度的合金元素,如锰和镍等含量[3]要远高于材料A,而能提高共析温度的合金元素,如铬等含量却低于材料A,从而使材料B的Ac1相对较低。
2.2 不同冷速下的金相组织
将两种化学成分的试样加热到900℃保温20 min,完全奥氏体化后以不同的冷却速度冷却到室温,利用光学显微镜观察不同冷速下的金相组织,如图1和图2所示。
从图中可以看出,材料A低速冷却的组织为铁素体和粒状贝氏体,而材料B组织中还含有少量珠光体。这是由于材料A的Ac1温度高于先共析铁素体的析出温度,相变发生的过冷度较大,铁原子扩散极为困难,转变成的珠光体量极少甚至不存在,以致在金相组织中没有观察到。先共析铁素体的强度较低,对高强度钢是不利的,应尽量避免其形成。两种材料以60℃/min冷却形成的组织均为粒状贝氏体和马氏体,没有铁素体的析出。
图3 两种材料以不同冷速冷却后的维氏硬度值Figure 3 The Vickers hardness values of twomaterials after cooling at different speeds
2.3 硬度
两种材料以不同冷速冷却后的维氏硬度值如图3所示。从图中可以看出,两种材料在冷速较低时,随着冷速增加,硬度值呈增加趋势;当冷速大于300℃/min后,硬度值基本不变。材料A低速冷却时硬度值略高于B,冷速增加到一定值后,材料B硬度值要高于A。这是由于材料B在冷速较低时组织中有少量珠光体,珠光体硬度高于铁素体,B硬度略高。随着冷速增加,没有铁素体析出,合金元素固溶于基体中且材料A含碳量高,使得A具有更强的淬硬性。
图4 两种材料的CCT曲线Figure 4 CCT curves of two kinds ofmaterials
2.4 CCT曲线
根据标准绘制出两种化学成分高强度钢的CCT曲线,如图4所示。
从图中可以看到,材料 A冷速高于20℃/ min,室温组织为贝氏体或马氏体;材料B冷速高于10℃/min,室温组织为贝氏体或马氏体。材料B中较多合金元素的自扩散系数低且降低了碳在奥氏体中的扩散系数,增加了奥氏体的稳定性,延长了铁素体的孕育期,提高了材料的淬透性,易在较低的冷速下(>10℃/min)得到较高强度和韧性的贝氏体。
2.5 力学性能
模拟两种材料的热处理工艺,将两种试样升温到900℃保温2 h后冷却,回火后测量其强度和冲击韧性值,如表2所示。
表2 两种材料的力学性能值Table 2 M echanical properties of two kinds ofmaterials
从表中可以看出,材料A的强度略高于B,而韧性却极低,这是由于碳和合金元素的存在均可提高材料的强度。材料A中两种因素对强度的综合贡献高于材料B,并且元素锰降低合金的脆性转变温度,而元素铬和碳的作用相反,铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮,可显著提高钢的冲击韧性。材料B提高锰和铝的含量、降低铬和碳的含量能明显提高其冲击韧性。
(1)材料B中能降低共析温度的合金元素,如锰和镍等含量要远高于材料A,其Acl较低;
(2)两种材料在低速冷却时得到的组织中均含有铁素体,对材料的强度不利,而以冷速60℃/ min冷却形成的组织均为粒状贝氏体和马氏体;
(3)材料B可以在较低的冷速下(>10℃/ min)得到较高强度和韧性的贝氏体;
(4)材料A强度略高,而材料B因为提高锰和铝的含量并降低铬和碳的含量能明显提高其冲击韧性。
[1] 黄俊宏.自升式平台桩腿的建造原则工艺分析.船舶工程,2010(1):32.
[2] 康大韬,郭成熊.工程用钢的组织转变与性能图册[M].北京:机械工业出版社,1992:35.
[3] 樊东黎,徐跃明,佟晓辉,等.热处理技术数据手册.北京:机械工业出版社,2000.
编辑 李韦萤
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
张彩红(1985—),女,助理工程师,硕士,从事大型铸锻件材料及热处理工艺方面的研究。