耐热耐磨ZG30Cr26Ni14化学成分对组织和性能的影响

黄曼曼，琚子来

保温时间的长短不同，铸钢奥氏体晶粒就会呈现出不同的化学作用反应。这种反应会受到所添加成分的影响，这些影响因素可决定它的晶体颗粒大小以及分布的均匀状态，从而影响到它的耐磨耐热性。耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14渗碳体溶解，里边的碳元素会迅速作用到铁素体中，从而形成奥氏体形核；当然，奥氏体平和的形成也并非不需要条件的界定。他的条件就是一定时间的保温效果来促使它形成。研究表明，耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14经过V 和W添加后，保温时间过长，会直接影响到它在实际生产中的效率生成。因此在实际生产中要特别注重保温时间的掌控，只有保温效果达到，才能够使材料形成相应的化学反应，以此来获得材料的本质属性性能。这对于生产质量的提升以及生产成本的降低都是十分重要的一环。而本文研究的主要问题点也是关于保温时间对耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14微观组织和力学性能的影响。

1 实验方法

本文以某钢铁企业提供的耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14为研究对象。采用沉积硬化方法向耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14材料中加入V(0.03%)和W（0.015%），并将Ni含量降低至1.2%，制备成新的钢种，并进行冷轧制成硬板。在实验过程中将冷轧用法进行相应的标准模式的操作通过热模拟试验的反应，使钢板达到退火的效果。根据热镀锌退火炉实际参数，当所进行的退火反应进行过程中，其标准工艺制度来进行操作，在这一过程中，可通过丰富经验的冶金师傅来进行科学的指导，在他们看来这口的温度是十分讲究的，只有达到800℃时钢材的延展性才能够达到最佳状态。并且屈强比低，这样钢材的塑性性能才能够得到进一步的增强。因此需要特别强调的便是退火的温度掌控，必须保证在800℃。这一温度的形成是需要持续加热而加热的速率每秒4℃，持续加温到800℃时，便可采取保温的操作时间为30s。在这一时间段内，钢材的均热段长度为95mm。这时如果加快生产速度，那么保温的时间也会相应的增加。在本次实验中将保温的时间分别设定为30s，60s，90s。随后经过退火降温处理降温的速率为每秒30℃。如果想要进行快速降温冷却则速率为每秒30℃。通过不同的温差处理从而形成不同的材料样本。当钢材经过快冷处理后，也就是每秒350℃。然后又经过快速加温，直到温度达到460℃。待退火后便可将试样切成12mm×6mm×6mm规格的样品，随后样品会进行相应的打磨程序操作。包括：预磨，粗磨、精磨和抛光。在全部处理完毕后再使用浓度为5%的硝酸酒精溶液对样本进行腐蚀，随后在Axio Scope A1型金相显微镜（由攀钢提供）下观察其显微组织。也可将样本拉制成标准试样模式，所使用的试样机械为三思泰捷牌万能材料试验机，你检测其拉伸的效果以及抗拉伸的能力及延展性的各项指标。对其进行退火处理，得到马氏体，铁素体以及少量的残余奥氏体构成的显微组织。利用拉伸试验机测量不同的预变形和力学性能，采用烘烤箱进行烘烤，然后把得到不同条件（a：预变形分别是30%、25%、15%、10%、3%、2%、1%，185℃烘烤20min；b：预变形为2%的试样，185℃分别烘烤1500h、950h、180h、95h、1.5h、0.8h、0.5h的试样放置在室温环境下3个月，再测得试样的烘烤硬化值。

2 实验结果

观察试样在不同的保温时间段下的退化效果以及它的组织变化。白色多块状组织为铁素体，灰黑色呈板条或块状的为马氏体。通过图样可得知在组织发生变化的临界保温时间点为30s。这是组织中所呈现的变化，是块状性分布，它的分布区域在铁素体晶粒之间，并且这种晶体的形态是以块状形态呈现。而组织发生的临界保温时间点达到60s时，这时组织所呈现的变化则更为均匀它的形态感更为细腻，与此同时晶粒也变小。组织发生的临近保温时间点达到90s时。组织变化中铁素体的含量也会大大减少。组织色泽呈现为灰黑色的马氏体组织。

考察实验钢在临界区加热温度保温不同的时间下测得的各项力学性能参数。通过以上数据分析得知，在保温时间不断变化的过程中，钢材的抗拉伸能力以及缺强能力也会随之发生变化，保温的时间越长，它的拉伸能力也随之降低。而屈服强度走会得到提升。延展性也会随着保温时间的加长而有所增强，但它的最佳状态并非是正向比例关系的变化，保温时间只有达到60s时，它的延展率才会最强。也就是说它的变化是曲线型的变化，先降低后增强，然后再降低的次序变化性。因此得出，在800℃保温60s后，耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14具有较好的冲压性能。

考察Cr25Ni20和ZG30Cr26Ni14钢拉伸试样断面收缩率与变形温度的变化曲线。Cr25Ni20钢在不同应变速率条件下，它的正面收缩率也会发生相应的变化所变化的不作为负向比例关系，并且这种变化也是曲线性变化。当变形速度加快时，断面收缩率也会随之增强，而随着速度的不断加快，其收缩率便又会随之降低。但这种影响性并未呈现出较为明显的变化。ZG30Cr26Ni14钢在不同应变速率条件下，它的断面收缩率也会因为变形速度的加快而得到提升。但在变形速度不断加快的过程中，也会曲线型的呈现出下降的趋势。在这一变化过程中应变速度的快慢，对于断面收缩率的影响有着较大的影响，它的作用关系为正向比例关系。并且与Cr25Ni20钢的断面收缩率相比，ZG30Cr26Ni14钢的断面收缩率较小。通常情况下，当应变速度保持恒定不变的状态时，其发生的作用关系以及作用程度会随着温度的上升而有所提升，他们之间是一种正向的运动变化过程当变化的速度以及动态达到一定程度时那么两种钢材的强度也会随之发生变化，变化的幅度趋向于小范围的减小，这样材料的热塑性反应便可得到提升。而当所进行的动态不用反应，并未呈现出均匀的分布时，那么它的应力集中现象也会有所降低，因此，当作用的应变速度达到恒定不变的状态时，那么材料在热速反应过程中也会使温度不断的得到提升。Cr25Ni20和ZG30Cr26Ni14钢的断面收缩率也随之增加。可当变形温度达到1200℃时，刚正面的收缩力就会产生迅速的降低，并且它的收缩的幅度范围中以及凝固的变化作用关系上都与组织形态变化相关。这两种钢材在凝固后所呈现出的共晶组织，其特性为熔点比较低，并且在晶界范围中它的变形温度设定为1200℃时组织变化会产生溶解反应，这不仅降低了钢材的热塑性反应也会使其质量有所降低。

对于Cr25Ni20钢，钢裂纹的形合位置发生在奥氏体晶界附近。当刚才的热塑性反应发生变化时，它的变形温度保持在恒定的状态，它的经济滑移的程度都会受到相应的影响，当应变速度不断的提升过程中，它的位错密度关系也会随之加大，错位的密度关系会产生相应的错胞反应。位错胞钉扎滑移系，这时钢材的强度会有所增强，但它的热速性也会随之降低应变速度的加大使它的晶界滑移产生的变形量会随之降低，那么钢材总体的变形变化点也会相应的降低，但它的热塑性会有所提升。因此，对于Cr25Ni20钢而言，其应变速率的变化并未对断面收缩率产生过多的影响。

对于ZG30Cr26Ni14钢，钢在较低应变速率条件下裂纹都在铁素体晶界附近形核；当所变化的速度在较高的状态下，电文所形成的附近群合，也会随之产生变化，变化的区域往往出现在铁素体和奥氏体晶界附近。当变形的温度保持在恒定不变的状态时，ZG30Cr26Ni14钢的热塑性与铁素体和奥氏体不协调变形程度有关。铁素体与奥氏体在作用关系中所呈现出的强度并非一致性反应。因此，与奥氏体相比，铁塑体在反应的过程中所受到的影响更大，其变形的作用状态也会更强。当应变速率下降时，铁素体和奥氏体在变形过程中也会呈现出不一致反应。两者的变化作用性会随之增强，其变形差异也随之增大。这种反应会加大铁素体和奥氏体在交界面之中的裂痕变化，变化的幅度会呈现为裂纹的产生，如果不采取有效的措施，这种裂纹会随着变化的增大而使钢材发生断裂。因此，在应变速度降低的同时，ZG30Cr26Ni14钢的断面收缩率也会随之降低。当应变速率提升的过程中，ZG30Cr26Ni14钢的位错密度也会随之增大，这种这种增大的效果会促使铁素体的强度有所提升。而作用的效果会最终减小铁素体和奥氏体强度之间的差异。因此，当反应的应变速率在提升的前提下，铁素体和奥氏体所作用的关系会呈现出较为协调的变化，使其变形的程度也会降低，ZG30Cr26Ni14钢的热塑性也会增加。

考察预变形量及烘烤时间对双相钢烘烤硬化值的影响曲线图。可以看出，烘烤硬化值随预变形量的不断增加而逐渐变大。当预变形量达到2%时，试样的烘烤硬化值就已经达到44MPa，这表明双相钢的烘烤硬化性能非常好。烘烤硬化值随着烘烤时间的不断延长而逐渐增加。当烘烤时间达到1500h，烘烤硬化值高达81MPa。考察不同处理工艺下的双相钢的位错形貌图像。从中可以发现，不同处理条件下的试样的位错都是呈网状的，且晶界也较平直，预变形量为10%条件下的位错密度比2%的要大些。经过烘烤处理的双相钢试样发生了一些变化，铁素体中发现碳化物析出，产生马氏体低温回火；残余奥氏体也转变成回火马氏体。因为析出的碳化物能够起到沉淀强化的效果，而回火马氏体的强度也比奥氏体要高，所以导致屈服强度的增加。考察预变形量为2%在185℃烘烤处理不同时间后双相钢的位错形貌图像。从中可以看出，在该实验条件下，位错都是呈网状的，位错密度随着烘烤时间的增加而不断的变小，在烘烤处理的过程中伴随碳化物的析出。考察不同预变形量条件下185℃烘烤20min后双相钢的温度和内耗的关系曲线图。从中可以明显看出，不同预变形量条件下随着温度的不断升高双相钢试样的内耗都是先增加再减小的态势，有比较明显的峰值出现，这表明烘烤处理后形成了柯氏气团。预变形量为2%的试样的内耗的峰值比15%的小很多，这主要是因为前者的位错密度大，内部C原子和位错的交互作用与后者相比差得多，所以柯氏气团的密度比相对比较大。所以，主要是碳化物的析出、残余奥氏体的分解、马氏体回火以及柯氏气团的形成影响双相钢材料的烘烤硬化性能。而其中柯氏气团对烘烤硬化值的影响最大，所以经过相同的烘烤处理后，预变形量比较大的试样内耗峰值较高。不同预变形量的双相钢试样经过室温时效处理前后的烘烤硬化值如下所列，2%：处理前45MPa、处理后38MPa、差值为-7MPa；3%：处理前58MPa、处理后54MPa、差值为-4MPa；10%：处理前66MPa、处理后71MPa、差值为5MPa。观察后发现二者之间没有明显的规律性。

3 分析与讨论

该实验表明，在铁素体与珠光体的反应关系中钢材会经过结晶退火的变化，形成铁素体和奥氏体两相。在设定不同的退火温度时，其保温的时间也会发生相应的改变，随着保温时间不断的增加其反应的效果也会随之增强作用，于原子扩散的关系其变化分布更显充分，奥氏体形核、长大后分布更加均匀，奥氏体形核和长大受原子扩散的影响。

耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14在加热过程中，当温度达到800℃时进行保温处理。其结晶的变化过程里边的铁素体也会随之发生相应的形体改变作用的关系，使其产生等轴的多边形块状形态。而渗碳体溶解后释放更多的碳原子，其碳含量的增加会直接产生相应的变化这种变化关系会使奥氏体晶核要早于渗碳体的形成。铁素体和渗碳体的结晶处的间隙会产生变化，呈现的特点为位错性变化，也可作为晶格缺陷的变化形态产生在间隙中，随着保温时间的不断增加，碳原子会通过晶界处的间隙不断的扩散。这时，碳元素本身在奥氏体中的产量就会不断的减少，即便是在冷却作用效果下，马氏体中的碳含量也会随之减少。由于合金元素在铁素体中，它的扩散速度明显要快于奥氏体中的扩散速度。这种缘由下，随着保温时间的不断增加。铁素体内的合金元素也会发生相应的变化，那么它所存在于晶界的间隙处也会随着这种变化而不断的向奥氏体扩散，也由此降低了铁素体的变化强度。由于耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14中的屈服强度主体因素是由铁素体来决定，因此这种作用关系会使钢本身的屈服强度不断下降。而奥氏体的含碳量也会不断的下降，最终低于渗碳体的含碳量。碳原子在不断扩散的过程中，会通过奥氏体向铁素体内部来进行，这时的铁素体的强度变化会呈现出增长的趋势，也就是说，钢本身的屈服强度最终会有所提升。延伸率先升高后降低。退火温度为800℃时，保温60s获得的耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14组织具有优异的力学性能。通过降低Ni元素含量，并添加V和W两种元素，可在实际生产中节省6%的成本。

当预变形量达到2%时，试样的烘烤硬化值就已经达到44MPa，其烘烤硬化性能非常好。烘烤硬化值随着烘烤时间的不断延长而逐渐增加。不同处理条件下试样的位错都是呈网状的，且晶界也较平直。经过烘烤处理的双相钢试样铁素体中发现碳化物析出，产生马氏体低温回火，残余奥氏体也转变成回火马氏体。随着预变形量的增加和烘烤时间的减少试样的位错密度变小。不同预变形量条件下随着温度的不断升高双相钢试样的内耗都是先增加再减小的态势，有比较明显的峰值出现，这表明烘烤处理后形成了柯氏气团。碳化物的析出、残余奥氏体的分解、马氏体回火以及柯氏气团的形成影响双相钢材料的烘烤硬化性能。该研究为机械材料的生产及应用提供了可靠依据。

4 结论

保温时间的确定要结合现场生产环境，选择一个最优的保温时间参数，在保温时间为60s时，实验钢屈强比最小，延伸率最大，有利于冲压加工。一般来说保温时间的影响和其它工艺参数相比处于次要地位。在生产实践中，保温时间的长短对板形有影响，保温时间过长，会造成带钢在炉内过烧等缺陷，并会影响生产效率，增加成本。因此，在保证钢板的表面、板形质量和好的组织力学性能的前提下，需尽可能缩短保温时间，提高生产率。在本实验中，退火温度为800℃时，保温60s时，耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14具有优异的力学性能。