含銅鑄鋼熱處理工藝研究

周　楊　張?zhí)K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?zhí)K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(yàn)確定熱處理工藝參數(shù)，再由大壁厚試塊熱處理后的性能結(jié)果驗(yàn)證工藝的有效性。結(jié)果表明，大壁厚含銅鑄鋼試塊經(jīng)熱處理后能夠滿足性能要求，而且在一定回火溫度范圍內(nèi)，較低的回火溫度更易得到良好的綜合力學(xué)性能，鼓風(fēng)冷卻的性能結(jié)果優(yōu)于空冷得到的性能結(jié)果。

關(guān)鍵詞：大壁厚；含銅鑄鋼；力學(xué)性能；熱處理工藝

在科技迅速發(fā)展的今天，鋼鐵材料的發(fā)展也十分迅猛，銅對(duì)鋼的影響早已不再止步于產(chǎn)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(qiáng)度、抗沖擊性等等。眾多研究人員對(duì)含銅鋼進(jìn)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(jīng)過鑄造成型，可制造出大壁厚的大型鑄件。鑄件經(jīng)熱處理后，需得到良好的力學(xué)性能，性能要求見表1。可見，含銅鑄鋼材料需具有較高強(qiáng)度的同時(shí)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(shí)際操作，這對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)有重要意義。

1試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料采用電弧爐冶煉，然后采用LF精煉，化學(xué)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(jìn)行預(yù)處理，為性能熱處理做好成分和組織準(zhǔn)備。再將試塊A分解成四組小試塊，進(jìn)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(jìn)行回火。由A試塊的性能結(jié)果選定適宜的回火溫度。B試塊按A試塊確定的工藝執(zhí)行從預(yù)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(gè)位置的試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。C試塊按B試塊執(zhí)行的工藝進(jìn)行熱處理，只是在正火冷卻時(shí)，由空冷改為鼓風(fēng)冷的方式，在回火后，取T/4位置的試樣檢驗(yàn)。所有室溫拉伸試驗(yàn)按GB/T 228執(zhí)行，所有-40℃沖擊試驗(yàn)按GB/T 229執(zhí)行。

2試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1A試塊性能結(jié)果

表1　含銅鑄鋼材料力學(xué)性能要求

表2　試驗(yàn)材料化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

A試塊分解成的四組小試塊經(jīng)正火空冷后，按由低到高(1#～4#)的回火溫度進(jìn)行熱處理，得到的性能結(jié)果見圖1、圖2。從圖1可以看出，表明屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著回火溫度的升高而降低，且均滿足強(qiáng)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(yuǎn)高于塑、韌性要求。可見，在一定溫度范圍內(nèi)，回火溫度的升高并不能顯著提高試驗(yàn)材料的韌性，只是使強(qiáng)度降低。所以，要得到良好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)選擇相對(duì)較低的回火溫度。

圖1　回火溫度對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響

圖2　回火溫度對(duì)塑性和韌性的影響

2.2B試塊性能結(jié)果

B試塊按A試塊確定的最優(yōu)工藝進(jìn)行熱處理后，取自試塊表面、T/4和T/2三個(gè)位置的試樣的性能結(jié)果如圖3所示。所有結(jié)果均滿足性能要求。從表面到心部，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(jīng)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(jié)果

為了得到正火冷速對(duì)試塊性能的影響，C試塊按B試塊執(zhí)行的熱處理工藝進(jìn)行熱處理，僅在正火冷卻時(shí)采用鼓風(fēng)冷的方式。B試塊和C試塊性能結(jié)果對(duì)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(qiáng)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(fēng)冷卻與正火空冷相比，更能提高試驗(yàn)材料的綜合力學(xué)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(duì)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(shè)計(jì)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(yán)重，內(nèi)應(yīng)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(duì)鑄鋼力學(xué)性能的影響，在性能熱處理前，需進(jìn)行預(yù)處理。由于本材料含有銅，所以預(yù)處理時(shí)應(yīng)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(chǎn)生的不利影響。

試驗(yàn)試塊選用正火+回火的方式進(jìn)行性能熱處理。選擇正火是為了細(xì)化鑄件的組織和晶粒，從而改善其力學(xué)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(fù)雜，其他冷卻方式并不利于實(shí)際操作，而且性能結(jié)果可根據(jù)需要在正火冷卻時(shí)選擇空冷或鼓風(fēng)冷的方式進(jìn)行調(diào)整，再配合高溫回火，得到理想的塑性和韌性。

3結(jié)論

本文研究的大壁厚的含銅鑄鋼試塊經(jīng)預(yù)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(nèi)，強(qiáng)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(shí)具有較高的強(qiáng)度，應(yīng)選擇較低的回火溫度。

同一回火溫度下，正火冷卻采用鼓風(fēng)冷卻的性能結(jié)果優(yōu)于空冷的性能結(jié)果，故在生產(chǎn)中，可根據(jù)材料性能要求和實(shí)際操作的可行性進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)

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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(jiǎn)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(hào)：TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B