金屬鈮對鉻鉬鑄鋼組織與性能的影響研究

孟 超

（焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南焦作）

鈮（Nb）和C，N有極強(qiáng)的親和力，能夠形成穩(wěn)定的碳、氮化物，提高鋼的硬度；同時(shí)可以細(xì)化晶粒，提高晶粒的粗化溫度，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性，提高鋼的強(qiáng)度和韌性及蠕變抗力等。Nb在鋼中形成碳化物，在再結(jié)晶過程中，因這些碳化物對位錯(cuò)的釘扎及亞晶界的遷移進(jìn)行阻止等作用，從而大大增加了再結(jié)晶的時(shí)間。微量的Nb就可使鋼得到極好的綜合性能。

一、試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)用鋼采用中頻感應(yīng)爐熔煉。出爐溫度控制在1550～1570℃。在材料試制過程中，將鑄造鋼坯鍛造成25 mm的厚板，再對其進(jìn)行熱處理及組織和性能檢測。

熱處理工藝按圖1所示曲線進(jìn)行。其中，淬火加熱與保溫時(shí)間由零件入爐到達(dá)制定工藝溫度所需升溫時(shí)間、透熱時(shí)間及組織轉(zhuǎn)變時(shí)間組成。組織轉(zhuǎn)變在升溫到大于Ac1時(shí)便發(fā)生，因而與透熱時(shí)間有交叉。保溫時(shí)間的選擇依據(jù)T=KD（min），其中D為工件的有效厚度，單位mm，K為加熱系數(shù)，K=1.5～2.5 min/mm，選擇T=40 min。

圖1 熱處理工藝曲線

根據(jù)試驗(yàn)材料所需組織和性能，在650℃以上應(yīng)緩慢冷卻，以降低臨界淬火速度，650～400℃應(yīng)快速冷卻，避免發(fā)生珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變。但在400℃以下Ms點(diǎn)附近的溫度區(qū)域，應(yīng)當(dāng)緩慢冷卻以減少馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力。根據(jù)各種介質(zhì)的特性，本試驗(yàn)熱處理選用10號機(jī)油為淬火介質(zhì)。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

在鍛造好的厚板上切取10 mm×10 mm×10 mm立方體，將表面打磨平整，進(jìn)行成分分析。對常規(guī)元素，用直讀光譜成分分析儀分析，成分見表1。試樣的成分跟試驗(yàn)設(shè)計(jì)成分差別不大，符合試驗(yàn)要求。

表1 化學(xué)成分分析 wt%

1.組織觀察與分析

（1）金相觀察。圖2為試樣經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的金相組織。由圖2可知，試樣經(jīng)過熱處理后，組織為細(xì)小的回火索氏體，并且隨著鈮含量的增加，組織得到細(xì)化。這是由于經(jīng)回火處理后，鈮的碳化物在鐵素體基體內(nèi)析出和沿晶界析出。加熱奧氏體化過程中，鈮的碳化物阻礙奧氏體晶粒的長大，鈮通過細(xì)小彌散的碳化物析出物進(jìn)一步細(xì)化奧氏體晶粒，得到細(xì)晶組織。

（2）X射線衍射物相分析。圖3為3#試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的X射線衍射圖譜。當(dāng)組織存在不同的物相時(shí)，一束單色X射線照在上面，這些物相分別在不同的衍射角上產(chǎn)生衍射峰。衍射峰標(biāo)定表明，熱處理后試樣基體組織主要由α和7C3兩相組成，由于鈮含量較小，所以對試樣的相組成影響不大。

（3）熱處理后的能譜分析。鈮在鋼中的存在形式有3種：①形成鈮的碳化物，熱處理過程中以第二相的形式析出；②與鋼中夾雜物結(jié)合；③鈮固溶于鋼中。對含Nb 0.039%的鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后試樣組織放大1000倍進(jìn)行能譜分析，觀察Nb元素在基體中的分布情況。Nb元素和C、N元素的分布位置相對應(yīng)，因此可以推斷Nb在調(diào)質(zhì)處理后的鋼中主要是以碳氮化物的形式存在，在基體組織中分布均勻。

圖2 熱處理后試樣的金相組織

圖3 3#試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的X射線衍射圖譜

2.力學(xué)性能檢測與分析

（1）鈮對試驗(yàn)材料硬度的影響。圖4是含鈮量與試驗(yàn)材料硬度的關(guān)系，材料的硬度隨著含鈮量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當(dāng)含鈮量達(dá)到0.059%時(shí)，材料硬度最高達(dá)到294 HBW。

圖4 材料含鈮量與硬度關(guān)系

圖5 材料含鈮量與抗拉、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率關(guān)系

圖6 調(diào)質(zhì)處理后試樣的沖擊韌性

（2）鈮對試驗(yàn)材料拉伸性能的影響。不同鈮含量調(diào)質(zhì)處理后的試樣的拉伸性能如圖5所示。含Nb量對材料強(qiáng)度和硬度的影響規(guī)律類似，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨含Nb量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)Nb含量達(dá)到0.057%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值1066 MPa和887 MPa。含Nb量繼續(xù)增加，強(qiáng)度反而下降。斷后伸長率也隨含Nb量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)試樣中的Nb含量為0.039%時(shí)，斷后伸長率達(dá)到最大值17.0%，含Nb量繼續(xù)增加斷后伸長率則開始降低，降低幅度較強(qiáng)度的大。

這是由于含Nb量在0～0.039%范圍，未固溶的鈮在奧氏體晶界處沉淀形成碳化物或氮化物產(chǎn)生釘扎力，阻止晶粒長大的作用和沉淀強(qiáng)化作用均隨其體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，在該范圍內(nèi)Nb細(xì)晶強(qiáng)化作用逐漸增大，因此隨著Nb含量的增加，材料硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均得到提高。當(dāng)試樣中的Nb含量＞0.039%之后，沉淀形成的碳化物或氮化物直徑增加較快，晶粒尺寸閾值變大，晶粒長大速度加快，從而使部分原來處于釘扎狀態(tài)的晶粒解釘而長大，細(xì)化晶粒作用開始變小，斷后伸長率開始下降。高溫下固溶于奧氏體中的鈮，在500℃回火時(shí)析出為細(xì)小彌散的NbC產(chǎn)生強(qiáng)化作用，始終提高材料的強(qiáng)度，因此材料的強(qiáng)度繼續(xù)增大然后降低，且降低幅度相對較小。

（3）鈮對試驗(yàn)材料沖擊韌度的影響。圖6為不同含鈮量試樣調(diào)質(zhì)后的室溫沖擊韌性，隨著Nb含量的增加，沖擊功先增加后降低，當(dāng)含Nb量為0.039%時(shí)，沖擊韌性達(dá)最高值121 J/cm2。

這是由于Nb對組織的細(xì)化作用，當(dāng)試樣中沒有添加Nb時(shí)，回火索氏體中鐵素體晶粒粗大，組織不均勻，因此其沖擊功最低；隨著含Nb量的增加，回火索氏體中鐵素體晶粒細(xì)小均勻，晶界面積也隨之增加，裂紋擴(kuò)展所需能量隨之增大，因此沖擊功隨之升高；但是含Nb量＞0.039%時(shí)，回火索氏體中鐵素體變?yōu)榧?xì)棒狀或者粗化，晶界面積比之前略有降低，導(dǎo)致了沖擊功開始降低。

3.沖擊斷口形貌分析

圖7為3#拉伸試樣斷口掃描電鏡宏觀形貌，觀察可知斷口宏觀形貌為典型的杯錐狀斷口，圖7中F所示中心區(qū)域?yàn)楸浚哂欣w維狀特征，為韌性斷口的宏觀形貌。S所示區(qū)域?yàn)殄F部斷口，與主應(yīng)力方向成45°角，又稱剪切唇。

圖8為拉伸試樣斷口微觀形貌，各試樣斷口形貌均呈現(xiàn)韌性斷裂的典型特征，斷口微觀上均為等軸韌窩。1#試樣中韌窩較粗大，大韌窩周圍分布著許多小韌窩，但是大韌窩數(shù)量比較多；2#試樣中粗大韌窩較1#尺寸明顯減小，而且數(shù)量也較 1#少；3#試樣中粗大韌窩尺寸與2#接近，但其數(shù)量更少，周圍分布著大量均勻細(xì)小的小韌窩；4#中韌窩數(shù)量不多，但個(gè)別粗大韌窩粗化，尺寸與1#中的大韌窩尺寸接近；5#中粗大韌窩數(shù)量又逐漸增多，同時(shí)存在韌窩粗化現(xiàn)象。

圖7 3#拉伸試樣斷口掃描電鏡宏觀形貌

圖8 拉伸試樣斷口微觀形貌

這與材料的力學(xué)性能相符合，含Nb量在0～0.039%范圍，鈮在奧氏體晶界處沉淀形成碳化鈮或碳氮化鈮產(chǎn)生釘扎力，阻止晶粒長大的作用和沉淀強(qiáng)化作用均隨其體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，細(xì)化晶粒作用亦不斷增大，隨著Nb含量的增加，試樣晶粒變得更加均勻細(xì)小，斷口的韌窩也越來越均勻細(xì)小，材料的強(qiáng)度和塑韌性隨之增高。3#試樣中粗大韌窩數(shù)量最少，主要為均勻細(xì)小的小韌窩，材料的塑性和韌性最好，因此其斷后伸長率最高。當(dāng)試樣中的Nb含量＞0.039%之后，隨著Nb含量的增加，沉淀形成碳化鈮的直徑增加較快，晶粒尺寸閾值變大，晶粒長大速度加快，從而使部分原來處于釘扎狀態(tài)的晶粒解釘而長大，細(xì)化晶粒作用開始變小，同時(shí)析出物的尺寸逐漸增大，造成晶格畸變程度的不斷加大，斷口中的粗大韌窩發(fā)生粗化現(xiàn)象。4#試樣晶格畸變程度不斷增大，出現(xiàn)個(gè)別粗大韌窩粗化，此時(shí)由于細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化共同作用，材料強(qiáng)度繼續(xù)增高，但是塑性開始降低。5#試樣中晶格畸變程度加大，粗大韌窩粗化數(shù)量加大，造成材料強(qiáng)度和塑性降低。

三、結(jié)論

材料的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率及沖擊韌性均隨著含鈮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律非常相似，當(dāng)試樣中的鈮含量為0.057%時(shí)，硬度達(dá)到最大值294 HBW，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值1066 MPa和887 MPa；鈮含量為0.039%時(shí)，斷后伸長率達(dá)到最大值17.0%，沖擊韌性達(dá)到121 J/cm2。由此可知，當(dāng)材料鈮含量在0.03%～0.05%時(shí)能夠達(dá)到良好的性能和組織匹配。