钢材成分碳当量评价系数及应用

蒋克全，王宝龙，巢昺轩

(昌河飞机工业集团有限责任公司，江西 景德镇 333002)

我公司曾先后购进两批30CrMnSiA材料，一批是钢棒，制成零件经热处理后硬度为20～23 HRC，达不到图纸规定的要求(31～38 HRC)；另一批为退火状态的，交付规格为G50×2.5 mm的钢管，复验时发现其延伸率偏低(σb=761 MPa、δ=15.8%)，达不到标准所规定的值(σb≥490 MPa、δ10≥18%)，不能按要求入库验收。上述两批材料化学成分均在标准规定的范围内。我们知道，合格的原材料其化学元素均在标准规定的范围内波动，成分的偏差最终直接影响材料的力学性能和冶金组织，因此每批材料的力学性能和冶金组织是不同的。为客观评价不同批次材料的成分偏差，我们引进了碳当量评价系数概念，并根据评价结果给出相应的处理意见。

1 化学成分分析

30CrMnSiA钢棒的主要化学成分见表1。通过对其主要元素的分析，其主要化学成分的含量均在中间值以下，其中C、Mn含量更是接近下限值，其中C、Cr、Mn是影响力学性能的主要元素，因此通过化学成分分析可知，该批零件碳含量偏低是造成硬度不合格的主要原因。

表1 30CrMnSiA棒材的主要化学成分(质量分数，%)

30CrMnSiA钢管的主要化学成分见表2。可以看出，管材的主要化学成分均高于中间值，其中碳含量更是接近上限值。因此，碳含量偏高是造成塑性偏低的主要因素。

表2 30CrMnSiA管材主要化学成分(质量分数，%)

2 碳当量评价模型建立

为了客观评价不同批次材料的化学成分控制水平，本文引进碳当量的概念，通过碳当量的数值来评价不同批次材料成分的控制水平，并通过计算得出的评价系数来推荐材料的热处理工艺方法。碳当量是指把钢中合金元素(包括碳)的含碳量按其作用换算成碳的相当含量。

2.1 碳当量计算

常见的碳当量计算公式很多，本文设定的碳当量计算公式是在美国焊接协会(AWS)推荐公式的基础上，增加国际焊接学会(IIW)推荐公式中钒(V)和日本伊藤等学者推荐公式中硼(B)的碳当量[1]，并定义碳当量符号为CE，推出以下公式：

CE=ω(C)+1/6ω(Mn)+1/24ω(Si)+1/15ω(Ni)+1/5ω(Cr)+1/4ω(Mo)+1/13ω(Cu)+1/2ω(P)+1/5ω(V)+5ω(B)

(1)

式中：ω表示质量分数，如ω(Mn)表示Mn元素的质量分数。

2.2 碳当量评价模型

按照中值最优的标准正太分布原则，建立如图1的评价模型。

模型中的特性参数计算参见如下说明：

1)碳当量下限CEL:碳当量下限CEL是把材料标准中合金元素含量下限值代入公式(1)计算得到的碳当量值；

2)碳当量上限CEU:碳当量上限CEU是把材料标准中合金元素含量上限值代入公式(1)计算得到的碳当量值；

3)碳当量中值CEM:碳当量中值CEM是把材料标准中合金元素含量中间值代入公式(1)计算得到的碳当量值，或碳当量上限与碳当量下限的平均值，即：CEM=(CEU+CEL)/2；

图1 评价模型Fig.1 Evaluation model

4)碳当量实测值CET碳当量实测值CET是把材料合金元素含量实测值代入公式(1)计算得到的碳当量值；

5)极限偏差B:极限偏差B是碳当量上限CEU与碳当量下限CEL之差的一半，即B=(CEU-CEL)/2, 材料牌号及检测的合金元素确定后，B是一个定值；

6)实际偏差A:实际偏差A是碳当量实测值CET与碳当量中值CEM之差，即：A=CET-CEM。

2.3 评价系数K

评价系数K是极限偏差B与实际偏差A的比值，其计算过程参见公式(2)，即：

K=B/A=(CEU-CEL)/2(CET-CEM)=(CEU-CEL)/(2CET-CEU-CEL)

(2)

2.4 评价系数K的涵义

评价系数K的绝对值是一个≥1的常数，K的绝对值越大，说明碳当量越接近标准规定的中间值；K的绝对值越小，说明碳当量越接近规范规定的边界值,负值表示接近下限，正值表示接近上限。

3 评价系数应用

3.1 30CrMnSiA材料碳当量评定示例

表3是以30CrMnSiA棒料和管料为例的计算过程。从表3计算出的评价系数可以看出棒料的材料成分明显偏下限，管料的材料成分明显偏上限。因此，采用常规的热处理工艺生产很难满足图纸的设计技术要求。

3.2 碳当量评定结果的应用范围

碳当量评定结果可以用于评价钢材成分控制水平、钢材热处理工艺性、分析钢材热处理问题原因、评价钢材的焊接性。

表3 碳当量评价系数计算

1)当钢材的K的绝对值越大，说明钢材成分控制较好，或间接评价供应商较好；

2)当K的绝对值小于某值时，预判该材料热处理工艺性是有风险的，需进行试验验证[2]；

3)评价钢材热处理问题原因，指导工艺参数调整，奥氏体中化学成分是影响钢的Ms点重要因素，如C和Mn、Mn、Ni、Cr元素可降低Ms点，Ms点的高低往往决定高、中碳钢在室温时的马氏体转变量和残余奥氏体量，调节他们的相对量，可起到控制钢材零件的变形量和性能作用[3]。

4)当K的绝对值越小，且A=CET-CEM>0时，焊接性较差，焊丝碳当量越高，焊缝的强度也越大[4]。

4 结束语

对钢件的热处理通常要考虑其淬硬性和淬透性。钢的淬硬性主要与钢的碳当量及热处理工艺有关，但对于高速钢、不锈钢的淬硬性及热处理工艺还与合金元素含量密切相关[5]。而钢的碳当量变化将直接影响其淬硬性，钢的碳当量决定了钢材的热处理工艺参数的选择。因此钢材要有良好的工艺性、力学性能和冶金组织一定要控制好其化学成分，另外，通过原材料的控制水平的评价也可以作为评价合格供应商一种手段。