含銅鑄鋼熱處理工藝研究

周　楊　張蘇星　李家駒　張亞才

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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含銅鑄鋼熱處理工藝研究

周楊張蘇星李家駒張亞才

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

摘要：先通過小試塊試驗確定熱處理工藝參數，再由大壁厚試塊熱處理后的性能結果驗證工藝的有效性。結果表明，大壁厚含銅鑄鋼試塊經熱處理后能夠滿足性能要求，而且在一定回火溫度范圍內，較低的回火溫度更易得到良好的綜合力學性能，鼓風冷卻的性能結果優于空冷得到的性能結果。

關鍵詞：大壁厚；含銅鑄鋼；力學性能；熱處理工藝

在科技迅速發展的今天，鋼鐵材料的發展也十分迅猛，銅對鋼的影響早已不再止步于產生“銅脆”危害[1]，銅在鋼中還有很多有益的作用[2-4]，如提高耐蝕性、強度、抗沖擊性等等。眾多研究人員對含銅鋼進行了大量的研究[5-7]。本文研究的含銅鑄鋼材料就是含Cu約1%的低碳低合金鋼，是一種焊接性很好的新型船舶及海洋工程用鑄鋼，經過鑄造成型，可制造出大壁厚的大型鑄件。鑄件經熱處理后，需得到良好的力學性能，性能要求見表1。可見，含銅鑄鋼材料需具有較高強度的同時還要有良好的低溫韌性，為此，需制定合理的熱處理工藝，使其既滿足材料的性能要求，又便于實際操作，這對指導生產有重要意義。

1試驗材料和方法

試驗材料采用電弧爐冶煉，然后采用LF精煉，化學成分要求見表2。將鋼水澆注成壁厚均為300 mm的A、B、C試塊。A試塊先進行預處理，為性能熱處理做好成分和組織準備。再將試塊A分解成四組小試塊，進行正火+回火熱處理，四組小試塊正火空冷后，按照由低到高的回火溫度進行回火。由A試塊的性能結果選定適宜的回火溫度。B試塊按A試塊確定的工藝執行從預處理到回火的全部熱處理過程，熱處理后將試塊分解，分別取表面、T/4(T為試塊厚度)、T/2三個位置的試樣進行檢驗。C試塊按B試塊執行的工藝進行熱處理，只是在正火冷卻時，由空冷改為鼓風冷的方式，在回火后，取T/4位置的試樣檢驗。所有室溫拉伸試驗按GB/T 228執行，所有-40℃沖擊試驗按GB/T 229執行。

2試驗結果和討論

2.1A試塊性能結果

表1　含銅鑄鋼材料力學性能要求

表2　試驗材料化學成分要求(質量分數，%)

A試塊分解成的四組小試塊經正火空冷后，按由低到高(1#～4#)的回火溫度進行熱處理，得到的性能結果見圖1、圖2。從圖1可以看出，表明屈服強度和抗拉強度隨著回火溫度的升高而降低，且均滿足強度要求。圖2表明塑性隨著回火溫度的升高而略有升高，但韌性并沒有隨著回火溫度的升高而明顯改善，不過都遠高于塑、韌性要求。可見，在一定溫度范圍內，回火溫度的升高并不能顯著提高試驗材料的韌性，只是使強度降低。所以，要得到良好的綜合力學性能，應選擇相對較低的回火溫度。

圖1　回火溫度對屈服強度和抗拉強度的影響

圖2　回火溫度對塑性和韌性的影響

2.2B試塊性能結果

B試塊按A試塊確定的最優工藝進行熱處理后，取自試塊表面、T/4和T/2三個位置的試樣的性能結果如圖3所示。所有結果均滿足性能要求。從表面到心部，屈服強度和抗拉強度無明顯變化，表面和T/4處的沖擊韌性基本一致，僅心部韌性降低，這是由于心部冷速較慢，使其韌性較低。這就說明300 mm厚的試塊經以上熱處理后，全截面都得到了良好的性能，則熱處理工藝合理、有效。

2.3C試塊性能結果

為了得到正火冷速對試塊性能的影響，C試塊按B試塊執行的熱處理工藝進行熱處理，僅在正火冷卻時采用鼓風冷的方式。B試塊和C試塊性能結果對比見圖4。顯然，不同的正火冷速配合相同的回火溫度，C試塊的強度和韌性都高于B試塊，也就是說，相同的回火溫度下，正火鼓風冷卻與正火空冷相比，更能提高試驗材料的綜合力學性能。

圖3　試塊表面、T/4和T/2取樣部位的

圖4　不同正火冷卻方式對性能的影響

2.4熱處理過程

本文研究的含銅鑄鋼材料是用于制造船舶鑄件的含銅鋼，其熱處理工藝過程的設計既要滿足材料的使用性能，又要兼顧熱處理工藝的可行性。首先，鑄件晶粒粗大，組織疏松，鑄件偏析嚴重，內應力大，鑄造缺陷較多，尤其是大壁厚鑄件。為了消除和減輕這些問題對鑄鋼力學性能的影響，在性能熱處理前，需進行預處理。由于本材料含有銅，所以預處理時應避開“銅脆”溫度，即低于1 100℃，這樣既能得到理想的組織和成分，消除鑄造缺陷，還能消除銅脆缺陷產生的不利影響。

試驗試塊選用正火+回火的方式進行性能熱處理。選擇正火是為了細化鑄件的組織和晶粒，從而改善其力學性能。從工藝的操作性講，含銅鑄鋼材料主要用于制造船用鑄件，其形狀復雜，其他冷卻方式并不利于實際操作，而且性能結果可根據需要在正火冷卻時選擇空冷或鼓風冷的方式進行調整，再配合高溫回火，得到理想的塑性和韌性。

3結論

本文研究的大壁厚的含銅鑄鋼試塊經預處理和性能熱處理后滿足性能要求。

在一定回火溫度范圍內，強度隨著回火溫度的升高而降低，但其韌性并不隨著回火溫度的升高而顯著升高，所以為了得到較高的韌性的同時具有較高的強度，應選擇較低的回火溫度。

同一回火溫度下，正火冷卻采用鼓風冷卻的性能結果優于空冷的性能結果，故在生產中，可根據材料性能要求和實際操作的可行性進行選擇。

參考文獻

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[2]郭亮. 含銅含磷鋼的品種開發[J]. 冶金譯叢，1999(4)：89-93.

[3]李娜. 銅在鋼中的作用綜述[J]. 遼寧科技大學學報，2011,34(2):157-162.

[4]陳宇. 銅在鋼中的作用[J]. 鋼鐵研究，1995(4):60-61.

[5]朱麗慧，趙欽新，顧海澄，等. 關于鋼中用銅合金化的再認識[J]. 鋼鐵，1999,34(3)：71-74.

[6]王學敏，周桂峰，楊善武，等. 含銅低合金高強鋼的時效行為[J]. 鋼鐵研究學報，2000,12(5)：40-45.

[7]毛衛民，任慧平，余永寧. 結構鋼中含銅析出相的時效強化作用[J]. 材料熱處理學報，2004, 25(2)：1-5.

Research on Heat Treatment Process of Copper Bearing Cast Steel

Zhou Yang, Zhang Suxing, Li Jiaju, Zhang Yacai

Abstract：By testing on the small blocks, the parameters of heat treatment process has been determined firstly. And then the validity of process has been verified by the property results of the thick wall test blocks after heat treatment. It turned out that the property requirements could be satisfied by the thick wall blocks of copper bearing cast steel after heat treatment. Furthermore, a good combined mechanical property could be achieved easier with the lower tempering temperature in a certain range of tempering temperature. The performance test results with air blast cooling were better than the results with air cooling.

Key words：thick wall; copper bearing cast steel; mechanical property; heat treatment process

作者簡介：周楊(1984—)，女，碩士，工程師，從事大型鑄鍛件熱處理工藝研究等。電話：15522577520，E-mail：zhouyang0475@126.com

收稿日期：2015—07—07

中圖分類號：TG156

文獻標志碼：B