鎳元素對(duì)車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo組織及性能的影響

孫志娟，李小飛，李寶棟

（1．內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金與材料工程系，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；2．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051;3．內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

當(dāng)貨車運(yùn)行時(shí)，車鉤需要承受抗拉、抗壓、抗沖擊、抗彎以及其他力的綜合效應(yīng)，工況非常復(fù)雜，工作條件十分惡劣,從而使車鉤極易出現(xiàn)裂紋、變形、磨耗和三態(tài)作用（具有閉鎖、開鎖、全開3種作用位置）等許多不良的失效形式，引起安全問題，造成經(jīng)濟(jì)損失。所以,要求車鉤材料必須具備高強(qiáng)度以及足夠的韌性。目前我國(guó)鐵路部門主要開發(fā)及制造 ZG24SiMnVTi、ZG25MnCrNiMo和ZG32MnMoNiCu等高強(qiáng)度材料[1]。

內(nèi)蒙古某公司研制的火車車鉤鑄件材料ZG25MnCrNiMo，性能較為優(yōu)異。鎳元素在鋼中添加量為0.55%。鎳同碳元素不會(huì)形成碳化物，同鐵元素則以互溶的方式存在于α相及γ相中，使之強(qiáng)化，同時(shí)可以使α相的晶粒得到細(xì)化，因此改變鑄鋼的低溫性能；鎳元素可以有效穩(wěn)定奧氏體，在使低合金鋼淬透性提高的同時(shí)卻能夠使鋼的韌性不降低。鎳是最重要的奧氏體形成元素，可以使γ相區(qū)增大；它在γ鐵中是無限固溶的；在α鐵中的最大溶解度卻僅有10%左右[2]。因此進(jìn)一步探索鎳元素的添加量，改進(jìn)火車車鉤的化學(xué)成分，提升車鉤的綜合性能，具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 合金化學(xué)成分及熱處理試驗(yàn)方案

內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的ZG25MnCrNiMo鑄鋼，Ni元素添加量為0.55%，其他元素添加量見表1。為改善車鉤的組織及性能，探索Ni在ZG25Mn-CrNiMo鋼中的作用，本試驗(yàn)在現(xiàn)有成分配比的基礎(chǔ)上，調(diào)整Ni元素的添加量，分別添加0.35%和0.75%，測(cè)試鋼的性能，具體試驗(yàn)方案見表2。

為獲得優(yōu)異的性能指標(biāo)，本試驗(yàn)采用正火+淬火+回火的熱處理工藝。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試方案

熱處理完成后，進(jìn)行拉伸、沖擊以及金相觀察等試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)采用WDW-E3200微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，嚴(yán)格按照GB/T228-2002所規(guī)定的方法進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)按GB/T 18658-2002進(jìn)行，使用JBN-300B半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。金相組織觀察所采用的試樣截取自拉伸試驗(yàn)之后棒材的尾端部分，按照金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)工藝來制備，采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

表1 內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的ZG25MnCrNiMo鑄鋼化學(xué)成分 ωB/%

表2 調(diào)整Ni元素的添加量的試驗(yàn)方案 ωB/%

2 金相組織觀察結(jié)果及分析

本試驗(yàn)所用的試樣都是經(jīng)正火預(yù)處理，然后進(jìn)行淬火+回火熱處理好的試樣。試驗(yàn)過程中試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后，用3%～5%的硝酸酒精溶液腐蝕 10s～13s后用濾紙吸干，在金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。以下是現(xiàn)場(chǎng)采集的圖片（圖片均為1000倍下所采集的照片）。

不同鎳含量試樣的正火+淬火+高溫回火的顯微組織如圖所示。從圖中可以看出，經(jīng)正火預(yù)處理，然后淬火+高溫回火后，所有試樣的顯微組織均由回火索氏體組成。含鎳量為0.35%的試樣得到較均勻的回火索氏體組織，但與含Ni量為0.75%的試樣相比組織較粗大；含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的回火索氏體組織更加均勻細(xì)小。

總體說明，隨著Ni含量的增加，試樣中的回火索氏體組織變得細(xì)小，鎳元素在鋼中除固溶強(qiáng)化作用外，還有細(xì)化鐵素體晶粒的作用。隨著鎳含量的增加，細(xì)化作用增強(qiáng)，為調(diào)質(zhì)處理做準(zhǔn)備。

3 Ni元素對(duì)ZG25MnCrNiMo組織及性能的影響

3.1 拉伸、沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表3為Ni元素添加量不同的三種ZG25Mn-CrNiMo鑄鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)Ni元素的添加量0.35%和0.75%的兩種鋼，做了更多測(cè)試。圖1、圖2為拉伸試驗(yàn)曲線圖。表4為沖擊試驗(yàn)結(jié)果。

表5為內(nèi)蒙古某公司測(cè)定的車鉤鑄件材質(zhì)ZG25MnCrNiMo鑄鋼（不含微量元素鈮，鎳含量為0.55%）的力學(xué)性能值。本次試驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果與之相符。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 Ni元素添加量為0.35%

圖2 Ni元素添加量為0.75%

表4 Ni元素添加量為0.35%、0.75%時(shí)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 ZG25MnCrNiMo鑄鋼力學(xué)性能值（E+級(jí)鋼）

3.2 拉伸、沖擊試驗(yàn)測(cè)試分析

圖3 Ni元素添加量為0.35%

圖4 Ni元素添加量為0.75%

觀察拉伸試驗(yàn)后的試樣，不同試樣的斷裂位置基本都是中間部分，斷口形狀和斷裂時(shí)間大致相同，斷裂時(shí)，拉伸斷口的形貌呈45°剪切斷裂。

表3表明，當(dāng)鎳元素的含量增加時(shí)，棒材的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但變化不大。當(dāng)鎳元素的添加量從0.35%添加至0.75%的時(shí)候，抗拉強(qiáng)度值上漲55MPa左右、屈服強(qiáng)度值上漲15MPa左右。這表明鎳元素增加，能夠使屈服強(qiáng)度提高的能力更強(qiáng)一些。同時(shí)，棒材的斷后延伸率以及斷面收縮率也受到鎳元素的影響。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎳元素的含量增加時(shí)，棒材的斷后延伸率從6%上升到16.5%；斷面收縮率從14%上升到48%，呈較明顯上升趨勢(shì)，這表明隨著鎳含量的增加，試樣的塑性沒有降低，而是出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表4表明，隨鎳元素的增加，試樣的沖擊韌度增加。總體來看，當(dāng)材料的強(qiáng)度足夠時(shí)，可以增加鎳元素的含量來增加材料的塑形和韌性。

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)，調(diào)整鎳元素的添加量來調(diào)整低合金鋼ZG25MnCrNiMo的成分，試驗(yàn)中觀察鋼的顯微組織、測(cè)定力學(xué)性能，并詳細(xì)討論鎳在試驗(yàn)鋼中的作用，得出如下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Ni元素添加量的增加，鋼的塑性、沖擊韌性都有一定程度增加，強(qiáng)度略有增加，但變化不大。 當(dāng)Ni元素的添加量增加至0.75%時(shí)，鋼的性能較為優(yōu)異。

（2）Ni元素對(duì)于組織的晶粒細(xì)化會(huì)有一定程度的影響。當(dāng)Ni元素添加量增加時(shí)，回火索氏體晶粒變得更加細(xì)小。