镍元素对车钩铸件材料ZG25MnCrNiMo组织及性能的影响

孙志娟，李小飞，李宝栋

（1．内蒙古机电职业技术学院 冶金与材料工程系，内蒙古呼和浩特 010070；2．内蒙古工业大学 材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 010051;3．内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古包头 014030）

当货车运行时，车钩需要承受抗拉、抗压、抗冲击、抗弯以及其他力的综合效应，工况非常复杂，工作条件十分恶劣,从而使车钩极易出现裂纹、变形、磨耗和三态作用（具有闭锁、开锁、全开3种作用位置）等许多不良的失效形式，引起安全问题，造成经济损失。所以,要求车钩材料必须具备高强度以及足够的韧性。目前我国铁路部门主要开发及制造 ZG24SiMnVTi、ZG25MnCrNiMo和ZG32MnMoNiCu等高强度材料[1]。

内蒙古某公司研制的火车车钩铸件材料ZG25MnCrNiMo，性能较为优异。镍元素在钢中添加量为0.55%。镍同碳元素不会形成碳化物，同铁元素则以互溶的方式存在于α相及γ相中，使之强化，同时可以使α相的晶粒得到细化，因此改变铸钢的低温性能；镍元素可以有效稳定奥氏体，在使低合金钢淬透性提高的同时却能够使钢的韧性不降低。镍是最重要的奥氏体形成元素，可以使γ相区增大；它在γ铁中是无限固溶的；在α铁中的最大溶解度却仅有10%左右[2]。因此进一步探索镍元素的添加量，改进火车车钩的化学成分，提升车钩的综合性能，具有十分重要的意义。

1 试验方案

1.1 合金化学成分及热处理试验方案

内蒙古某公司生产的ZG25MnCrNiMo铸钢，Ni元素添加量为0.55%，其他元素添加量见表1。为改善车钩的组织及性能，探索Ni在ZG25Mn-CrNiMo钢中的作用，本试验在现有成分配比的基础上，调整Ni元素的添加量，分别添加0.35%和0.75%，测试钢的性能，具体试验方案见表2。

为获得优异的性能指标，本试验采用正火+淬火+回火的热处理工艺。

1.2 力学性能测试方案

热处理完成后，进行拉伸、冲击以及金相观察等试验。拉伸试验采用WDW-E3200微机控制电子万能试验机，严格按照GB/T228-2002所规定的方法进行。冲击试验按GB/T 18658-2002进行，使用JBN-300B半自动冲击试验机进行测试。金相组织观察所采用的试样截取自拉伸试验之后棒材的尾端部分，按照金相试样制备标准工艺来制备，采用光学金相显微镜进行组织观察。

表1 内蒙古某公司生产的ZG25MnCrNiMo铸钢化学成分 ωB/%

表2 调整Ni元素的添加量的试验方案 ωB/%

2 金相组织观察结果及分析

本试验所用的试样都是经正火预处理，然后进行淬火+回火热处理好的试样。试验过程中试样经粗磨、精磨、抛光后，用3%～5%的硝酸酒精溶液腐蚀 10s～13s后用滤纸吸干，在金相显微镜下进行显微组织观察。以下是现场采集的图片（图片均为1000倍下所采集的照片）。

不同镍含量试样的正火+淬火+高温回火的显微组织如图所示。从图中可以看出，经正火预处理，然后淬火+高温回火后，所有试样的显微组织均由回火索氏体组成。含镍量为0.35%的试样得到较均匀的回火索氏体组织，但与含Ni量为0.75%的试样相比组织较粗大；含镍质量分数为0.75%的回火索氏体组织更加均匀细小。

总体说明，随着Ni含量的增加，试样中的回火索氏体组织变得细小，镍元素在钢中除固溶强化作用外，还有细化铁素体晶粒的作用。随着镍含量的增加，细化作用增强，为调质处理做准备。

3 Ni元素对ZG25MnCrNiMo组织及性能的影响

3.1 拉伸、冲击试验测试结果

表3为Ni元素添加量不同的三种ZG25Mn-CrNiMo铸钢的拉伸试验结果。针对Ni元素的添加量0.35%和0.75%的两种钢，做了更多测试。图1、图2为拉伸试验曲线图。表4为冲击试验结果。

表5为内蒙古某公司测定的车钩铸件材质ZG25MnCrNiMo铸钢（不含微量元素铌，镍含量为0.55%）的力学性能值。本次试验的测定结果与之相符。

表3 拉伸试验结果

图1 Ni元素添加量为0.35%

图2 Ni元素添加量为0.75%

表4 Ni元素添加量为0.35%、0.75%时的冲击试验结果

表5 ZG25MnCrNiMo铸钢力学性能值（E+级钢）

3.2 拉伸、冲击试验测试分析

图3 Ni元素添加量为0.35%

图4 Ni元素添加量为0.75%

观察拉伸试验后的试样，不同试样的断裂位置基本都是中间部分，断口形状和断裂时间大致相同，断裂时，拉伸断口的形貌呈45°剪切断裂。

表3表明，当镍元素的含量增加时，棒材的抗拉强度以及屈服强度呈现上升趋势，但变化不大。当镍元素的添加量从0.35%添加至0.75%的时候，抗拉强度值上涨55MPa左右、屈服强度值上涨15MPa左右。这表明镍元素增加，能够使屈服强度提高的能力更强一些。同时，棒材的断后延伸率以及断面收缩率也受到镍元素的影响。分析发现，当镍元素的含量增加时，棒材的断后延伸率从6%上升到16.5%；断面收缩率从14%上升到48%，呈较明显上升趋势，这表明随着镍含量的增加，试样的塑性没有降低，而是出现增长趋势。

表4表明，随镍元素的增加，试样的冲击韧度增加。总体来看，当材料的强度足够时，可以增加镍元素的含量来增加材料的塑形和韧性。

4 结论

本文通过试验，调整镍元素的添加量来调整低合金钢ZG25MnCrNiMo的成分，试验中观察钢的显微组织、测定力学性能，并详细讨论镍在试验钢中的作用，得出如下结论：

（1）试验结果表明，随着Ni元素添加量的增加，钢的塑性、冲击韧性都有一定程度增加，强度略有增加，但变化不大。 当Ni元素的添加量增加至0.75%时，钢的性能较为优异。

（2）Ni元素对于组织的晶粒细化会有一定程度的影响。当Ni元素添加量增加时，回火索氏体晶粒变得更加细小。