化学成分对ZGD410-700力学性能提升的影响

张雪洋 陈礼年 马波

摘  要：近年来，随着汽车轻量化要求不断提升，对汽车用高强高韧铸钢的研究显得非常重要。ZGD410-700为我公司高强高韧正火钢典型材质，本文通过添加Cr、Cu、V、Ni等合金元素，优化原有成分，提升ZGD410-700材质综合力学性能。实验结果表明：加入0.2-0.3% Cu的试样综合力学性能明显提升，屈服和抗拉强度分别为477Mpa、759Mpa，延伸率达到了19.1%。而分别添加Cr、V、Ni等元素，对强度及延伸的无明显改善或略有降低，且随着合金元素的过量添加，导致其强度富余而延伸率降低，若再高温回火则其综合力学性能明显下降。

关键词：高强高韧;ZGD410-700;合金元素;力学性能

中图分类号：TQ31      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）03-0140-03

The Influence of Chemical Composition On The Improvement of Mechanical Properties of ZGD410-700

ZHANG Xue-yang，  CHENG li-nian， MA bo

（ Dongfeng Investment Casting，Chaohu 238000， China ）

Abstract： In recent years， with the increasing requirements for lightweight automobiles， it is very important to study the high strength and high toughness cast steel used in automobiles. ZGD410-700 is the material produced by our company. In this paper， by adding Cr， Cu， V， Ni and other alloy elements， the original components are optimized to improve the comprehensive mechanical properties of ZGD410-700 material. The experimental results showed that the mechanical properties of the samples with 0.2-0.3% Cu were significantly improved， the yield and tensile strength were 477Mpa and 759Mpa， respectively， and the elongation reached 19.1%. When Cr， V， Ni and other elements were added respectively， the strength and extension were not significantly improved or slightly reduced， and with the excessive addition of alloying elements， the comprehensive mechanical properties of the elements were significantly reduced.

Key words： High Strength And High Toughness; ZGD410-700; Alloying Elements; Mechanical Property

张雪洋

毕业于安徽工业大学，工学硕士。现就职于东风精密铸造有限公司，主要从事工艺（材料）研发，金属材料和中温蜡硅溶胶铸造工艺，已发表论文2篇。

1    前言

铸钢件具有优良的综合力学性能，其广泛应用于矿山、石油、冶金等制造业中[1]。当前，随着汽车轻量化的深入，铸造碳钢因其高强高韧性、经济性等特点在轻量化过程中发挥着非常重要的作用[2]。根据某品牌客户产品生产要求，经过模拟受力分析，结合公司内材质标准，选择热处理为正火态的ZGD410-700材质应用于该产品。但由于该产品单重较大，结构复杂，为安全使用考虑，希望在现生产ZGD410-700基础上对综合力学性能进一步提高，本实验设计思路通过Cu、Cr、V、Ni合金元素的加入提高铸钢的强度[3]，经过多次试验及综合力学性能对比，选择满足客户性能要求的铸钢材料。

2    化学成分及工艺

表1为ZGD410-700的化学成分，为公司现生产材质，通过加入少量合金元素的方法进一步提升其力学性能。

2.1   合金成分对力学性能影响

（1）碳作为对钢的力学性能贡献最大的元素，可以提高钢的强度。碳在钢中可以溶解成为间隙固溶体，起到固溶强化的作用，碳还可以和强碳化物形成元素形成碳化物析出，其到沉淀强化的作用[4]。与其他合金元素相比，碳对钢的显微组织、脱碳倾向、强度、硬度、塑性、韧性等力学性能的影响要大的多;当然过多的碳会降低碳钢的塑性、韧性，所以高强高韧钢中碳含量不宜过高。

（2）硅的强化方式是固溶强化，它不与碳形成碳化物，是以固溶的状态存于钢中，是合金元素中固溶效果最好的元素。而且硅还可以提高钢的屈服极限和屈强比。但是过高的硅会增加钢的脫碳倾向。且硅还易与氧发生反应，可以起到一定的脱氧作用。

（3）锰是提高淬透性能最有效的元素，它可以溶入铁素体起固溶强化的作用，在热处理时可以细化珠光体晶粒，提高材料的强度和硬度。但锰的含量超过1.5%时，钢的韧性会明显下降，故钢中锰含量不宜过高。

（4）铬作为强碳化物形成元素，会改善钢的抗氧化、抗腐蚀作用，提高钢的淬透性和强度。铬与碳有较强的亲和作用，当铬含量在1%左右时，渗碳体以（Fe，Cr）3C为主，但是铬在增加淬透性的同时也会增加钢的回火脆性，当零件较大时，易产生裂纹。

（5）镍与铁无限固溶，且不与碳形成碳化物，可扩大奥氏体相区，是稳定奥氏体的元素;镍可以细化和增加珠光体的同时增加铁素体，提高强度的同时对塑韧性影响较小，从而提升钢的综合力学性能。但镍对钢的淬透性影响不大，通常不作为调质钢的合金添加元素。

（6）铜也是扩大奥氏体相区的元素，在铁中固溶度不大，且不与碳形成碳化物，可提高强度，特别是屈强比，还可提高钢的疲劳强度，其固溶强化的方式与镍相似，可部分替代镍。

（7）钒是强碳化物形成元素，以细小的晶粒而弥散的VC存在于钢中，起到沉淀强化的作用;钒是非常重要的晶粒细化元素，少于0.1%的钒就可有效的抑制晶粒长大，提高钢的强度、硬度，特别是屈强比[5]。钒通常利用冷却或回火过程析出强化相来提高钢的强度，过高的钒会降低钢的韧性。

2.2   试验的材料及过程

本次试验所用原材料有：08废钢、增碳剂、硅铁（FeSi75）、锰铁（FeMn78）、铬铁（FeCr60）、电解铜、镍板、钒铁（FeV50）

熔炼过程：熔炼设备选择中频感应炉，根据化学成分加入合金，通过光谱分析法控制炉前成分合格，出炉后进行脱氧扒渣处理，将钢水倒入试块。

热处理工艺：由于该产品单重较重，客户对局部部位性能要求等综合考虑，热处理选择正火工艺，既900℃保温1.5 h出炉空冷。

3    试验过程及数据分析

依次将加入不同合金的试块正火热处理后编号：1、现生产成分ZGD410-700;2、添加0.9-1.1%的Cr;3、添加0.05-0.08%的V;4、添加0.2-0.3%的Cu。化学成分如下表2：

取ZGD410-700金相试样放大100倍后组织如图1所示：铁素体和珠光体混合物，金相等级3级，符合标准要求。从每种成分试块上取4个试样，进行力学性能检测，其结果如下表3所示，1-4组硬度均在标准范围内;强度方面：（1）添加1% Cr的试样平均抗拉强度为771MPa，与现生产成分的744MPa相比略有提升，而延伸率和屈服强度均有所下降;（2）添加少量V的试样平均抗拉和屈服略高于标准成分，但延伸率也有所下降;（3）加入0.2-0.3%Cu的试样屈服和抗拉强度分别为477Mpa、759Mpa，延伸率为19.1%，强塑积（抗拉强度与延伸率乘积）最大，综合性能为四组中最好。

经过上一轮试验，标准成分加Cu的试块综合性能最优，为进一步提升其性能，在加Cu成分的基础上进一步优化成分：5、添加入0.7-0.9%的Ni;6、减少Si含量至0.5-0.7的%，加入0.7-0.9%的Ni，0.1-0.15%的V。化学成分如下表：

对5、6成分试块进行硬度检测，发现其硬度平均值为277 HB、273 HB，远高于要求值。将试块在740℃保温100 min退火处理，硬度都降至标准范围后进行力学性能测试，结果如下表5所示：两种成分的试块综合力学性能皆低于加Cu的一组，过多合金元素的添加并未对强度、延伸提升有帮助。

4    结论

1、在ZGD410-700现生产成分基础上，添加少量 Cr、 V、 Cu的对比试验表明，添加少量Cu的试样综合力学性能最好，强塑积最高。

2、加入较高的Ni或V合金化，会导致正火后硬度偏高，延伸率偏低。若再进行高温回火，反而降低了综合力学性能，强塑积降低。

5    后续工作

经过本文试验后，可以从以下几个方面继续研究添加合金元素对铸钢性能的影响：1、改变Cu含量，确定出对性能提升最合适的添加量;2、添加多种元素时考虑加入总量，避免加入合金較多对性能起反作用;3、还可以考虑加入Mo、Nb等[6]金属元素后对性能影响。

参考文献：

[1]冷宇. Nb及热处理对低碳铸钢显微组织和力学性能的影响[D]. 2016.

[2]唐正连，张新平，张红霞，等.汽车用低合金高性能铸钢材料的开发研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2014，42（4）：22-25.

[3]贺年兵，唐建新.合金元素对低合金耐磨铸钢力学性能的影响[J].热加工工艺，2005（01）：3-4.

[4]姚贵升. 汽车金属材料应用手册：汽车用铸铁 铸钢 有色金属和粉末冶金材料的要求 性能和选择[M]. 北京理工大学出版社， 2002.

[5]郭元秀，许光奎. 钒钛元素在铸钢中的作用机理[J]. 钢铁钒钛， 1989（03）：37-45+51.

[6]安立聪，刘腾轼，边璐，等.合金元素Mo和Nb对中碳低合金铸钢组织和性能的影响[J]. 铸造技术， 2015，036（004）：847-850.