含铜铸钢热处理工艺研究

周　杨　张苏星　李家驹　张亚才

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)



含铜铸钢热处理工艺研究

周杨张苏星李家驹张亚才

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

摘要：先通过小试块试验确定热处理工艺参数，再由大壁厚试块热处理后的性能结果验证工艺的有效性。结果表明，大壁厚含铜铸钢试块经热处理后能够满足性能要求，而且在一定回火温度范围内，较低的回火温度更易得到良好的综合力学性能，鼓风冷却的性能结果优于空冷得到的性能结果。

关键词：大壁厚；含铜铸钢；力学性能；热处理工艺

在科技迅速发展的今天，钢铁材料的发展也十分迅猛，铜对钢的影响早已不再止步于产生“铜脆”危害[1]，铜在钢中还有很多有益的作用[2-4]，如提高耐蚀性、强度、抗冲击性等等。众多研究人员对含铜钢进行了大量的研究[5-7]。本文研究的含铜铸钢材料就是含Cu约1%的低碳低合金钢，是一种焊接性很好的新型船舶及海洋工程用铸钢，经过铸造成型，可制造出大壁厚的大型铸件。铸件经热处理后，需得到良好的力学性能，性能要求见表1。可见，含铜铸钢材料需具有较高强度的同时还要有良好的低温韧性，为此，需制定合理的热处理工艺，使其既满足材料的性能要求，又便于实际操作，这对指导生产有重要意义。

1试验材料和方法

试验材料采用电弧炉冶炼，然后采用LF精炼，化学成分要求见表2。将钢水浇注成壁厚均为300 mm的A、B、C试块。A试块先进行预处理，为性能热处理做好成分和组织准备。再将试块A分解成四组小试块，进行正火+回火热处理，四组小试块正火空冷后，按照由低到高的回火温度进行回火。由A试块的性能结果选定适宜的回火温度。B试块按A试块确定的工艺执行从预处理到回火的全部热处理过程，热处理后将试块分解，分别取表面、T/4(T为试块厚度)、T/2三个位置的试样进行检验。C试块按B试块执行的工艺进行热处理，只是在正火冷却时，由空冷改为鼓风冷的方式，在回火后，取T/4位置的试样检验。所有室温拉伸试验按GB/T 228执行，所有-40℃冲击试验按GB/T 229执行。

2试验结果和讨论

2.1A试块性能结果

表1　含铜铸钢材料力学性能要求

表2　试验材料化学成分要求(质量分数，%)

A试块分解成的四组小试块经正火空冷后，按由低到高(1#～4#)的回火温度进行热处理，得到的性能结果见图1、图2。从图1可以看出，表明屈服强度和抗拉强度随着回火温度的升高而降低，且均满足强度要求。图2表明塑性随着回火温度的升高而略有升高，但韧性并没有随着回火温度的升高而明显改善，不过都远高于塑、韧性要求。可见，在一定温度范围内，回火温度的升高并不能显著提高试验材料的韧性，只是使强度降低。所以，要得到良好的综合力学性能，应选择相对较低的回火温度。

图1　回火温度对屈服强度和抗拉强度的影响

图2　回火温度对塑性和韧性的影响

2.2B试块性能结果

B试块按A试块确定的最优工艺进行热处理后，取自试块表面、T/4和T/2三个位置的试样的性能结果如图3所示。所有结果均满足性能要求。从表面到心部，屈服强度和抗拉强度无明显变化，表面和T/4处的冲击韧性基本一致，仅心部韧性降低，这是由于心部冷速较慢，使其韧性较低。这就说明300 mm厚的试块经以上热处理后，全截面都得到了良好的性能，则热处理工艺合理、有效。

2.3C试块性能结果

为了得到正火冷速对试块性能的影响，C试块按B试块执行的热处理工艺进行热处理，仅在正火冷却时采用鼓风冷的方式。B试块和C试块性能结果对比见图4。显然，不同的正火冷速配合相同的回火温度，C试块的强度和韧性都高于B试块，也就是说，相同的回火温度下，正火鼓风冷却与正火空冷相比，更能提高试验材料的综合力学性能。

图3　试块表面、T/4和T/2取样部位的

图4　不同正火冷却方式对性能的影响

2.4热处理过程

本文研究的含铜铸钢材料是用于制造船舶铸件的含铜钢，其热处理工艺过程的设计既要满足材料的使用性能，又要兼顾热处理工艺的可行性。首先，铸件晶粒粗大，组织疏松，铸件偏析严重，内应力大，铸造缺陷较多，尤其是大壁厚铸件。为了消除和减轻这些问题对铸钢力学性能的影响，在性能热处理前，需进行预处理。由于本材料含有铜，所以预处理时应避开“铜脆”温度，即低于1 100℃，这样既能得到理想的组织和成分，消除铸造缺陷，还能消除铜脆缺陷产生的不利影响。

试验试块选用正火+回火的方式进行性能热处理。选择正火是为了细化铸件的组织和晶粒，从而改善其力学性能。从工艺的操作性讲，含铜铸钢材料主要用于制造船用铸件，其形状复杂，其他冷却方式并不利于实际操作，而且性能结果可根据需要在正火冷却时选择空冷或鼓风冷的方式进行调整，再配合高温回火，得到理想的塑性和韧性。

3结论

本文研究的大壁厚的含铜铸钢试块经预处理和性能热处理后满足性能要求。

在一定回火温度范围内，强度随着回火温度的升高而降低，但其韧性并不随着回火温度的升高而显著升高，所以为了得到较高的韧性的同时具有较高的强度，应选择较低的回火温度。

同一回火温度下，正火冷却采用鼓风冷却的性能结果优于空冷的性能结果，故在生产中，可根据材料性能要求和实际操作的可行性进行选择。

参考文献

[1]江学强，吉卫.铜脆产生原因及防止措施[J].制造技术与实践，2006(5)：48-50.

[2]郭亮. 含铜含磷钢的品种开发[J]. 冶金译丛，1999(4)：89-93.

[3]李娜. 铜在钢中的作用综述[J]. 辽宁科技大学学报，2011,34(2):157-162.

[4]陈宇. 铜在钢中的作用[J]. 钢铁研究，1995(4):60-61.

[5]朱丽慧，赵钦新，顾海澄，等. 关于钢中用铜合金化的再认识[J]. 钢铁，1999,34(3)：71-74.

[6]王学敏，周桂峰，杨善武，等. 含铜低合金高强钢的时效行为[J]. 钢铁研究学报，2000,12(5)：40-45.

[7]毛卫民，任慧平，余永宁. 结构钢中含铜析出相的时效强化作用[J]. 材料热处理学报，2004, 25(2)：1-5.

Research on Heat Treatment Process of Copper Bearing Cast Steel

Zhou Yang, Zhang Suxing, Li Jiaju, Zhang Yacai

Abstract：By testing on the small blocks, the parameters of heat treatment process has been determined firstly. And then the validity of process has been verified by the property results of the thick wall test blocks after heat treatment. It turned out that the property requirements could be satisfied by the thick wall blocks of copper bearing cast steel after heat treatment. Furthermore, a good combined mechanical property could be achieved easier with the lower tempering temperature in a certain range of tempering temperature. The performance test results with air blast cooling were better than the results with air cooling.

Key words：thick wall; copper bearing cast steel; mechanical property; heat treatment process

作者简介：周杨(1984—)，女，硕士，工程师，从事大型铸锻件热处理工艺研究等。电话：15522577520，E-mail：zhouyang0475@126.com

收稿日期：2015—07—07

中图分类号：TG156

文献标志码：B