關于4A材質沖擊性能的研究與應用

方鵬洲

（浙江英洛華裝備制造有限公司，浙江 金華 322118）

雙相鋼鑄件是我司發展的重要方向，多用于低溫承壓鑄件，要求有良好的低溫沖擊韌性和耐腐蝕性能。我司目前生產的4A材質鑄件成本高，沖擊性能不足，給我司帶來巨大的經濟損失和返工成本。因此有必要對4A材質鑄件的低溫沖擊進行研究整理。4A雙相鋼經固溶后組織為γ+α。其性能主要受α和γ兩相的比例影響。在平衡狀態下，α和γ兩相比例主要是由鋼中鉻當量(Creq)和鎳當量(Nieq)來決定的[1]。

通過本次研究，將揭示4A低溫沖擊性能與組織、化學成分之間的關系，給公司帶來更多的經濟效益。此次研究的主要內容是通過調整材質的化學成分，來控制鋼中鐵素體、奧氏體的含量，從而控制鋼的沖擊性能。我們知道，不銹鋼中的金屬元素主要可以分為兩大類，一種是擴大奧氏體相區或穩定奧氏體的元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。另一種是縮小奧氏體相區形成鐵素體的元素 ：Cr、Si、Ti、Nb、Mo、W、Al等。

合金元素是直接影響雙相鋼中α和γ的比例，從而影響鋼的性能。其中Ni元素主要是為了獲得奧氏體，從而提高鋼的抗蠕變性能和沖擊韌性。還能很好的調整各相的比例。Cr是主要的鐵素體形成元素，能提高鋼的強度，對提高鋼的高溫組織穩定性能有明顯效果，并能提高抗腐蝕性。但含鉻高的鋼，會導致鋼中鐵素體含量增多，焊接裂紋敏感性強，溫差應力也大。Mo也是鐵素體形成元素，可提高鋼的強度，特別是持久高強度的環境，但Mo元素過高會增加鋼的脆性。N是一種強烈的奧氏體形成元素，高溫時N穩定奧氏體的能力比Ni還大，而且N還能提高雙相鋼的耐孔蝕和耐縫隙腐蝕的能力。Mn可以提高鋼的常溫強度、硬度及耐磨性，含量過高時焊接應力增加。而且錳提高鋼的高溫短時強度，但對持久強度和蠕變極限沒有明顯的影響，對于雙相鋼來說，還能降低其耐孔蝕和耐縫隙腐蝕的能力。Si、Ti、Nb、W、Al等元素也是鐵素體形成元素，能增加鋼中鐵素體的含量，提高鋼的強度，降低鋼的韌性。S、P為雜質元素，在雙相鋼中屬于有害元素，能降低鋼耐孔蝕和耐縫隙腐蝕的能力。雙相鋼中耐孔蝕和耐縫隙腐蝕是一個重要的指標，也稱為耐點蝕當量，在氯化物環境下影響耐點蝕性能的元素主要是Cr、Mo、N。耐點蝕當量與元素的關系可表示為：PREN=Cr%+3.3*Mo%+X*N%(X=10～30，一般取X=16)對于4A雙相鋼，要求PREN≥34。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本次實驗材料為ASTM A890標準的4A材質，其標準化學成分如下表1所示。通過改變鋼中奧氏體形成元素和鐵素體形成元素，來控制鋼中的鎳當量和鉻當量，本次研究實驗了 5 組數據，其化學成分如下表2。

1.2 熱處理及試樣制備

熱處理是影響4A材質性能重要工序，選擇合適的熱處理工藝能獲得我們期待的組織和性能，本次研究的熱處理采用ASTMA890標準中所規定的熱處理工藝，要求1120℃保溫足夠時間，然后水冷，得到過飽和的奧氏體組織和鐵素體組織。熱處理后試塊不采用直接碳弧氣刨，或者氣割方式切割試棒，以免產生熱影響析出σ相，σ相雖能提高雙相鋼的強度，但對其沖擊性能是有害的。所以熱處理后直接線切割，獲得夏比沖擊試樣。

表1 4A材質標準化學成分

表2 試樣化學成分

通過線割得到的沖擊試樣，根據《ASTM A370鋼制品力學性能試驗的標準實驗方法和定義》的規定獲得標準規定的夏比V型缺口沖擊試樣，夏比缺口沖擊試樣的獲取如下圖所示。

圖1 標準夏比V型缺口沖擊試樣

1.3 沖擊試驗測試

將熱處理后的試塊按圖2規定的方案，用線割的方式獲得三組夏比沖擊試樣，按《ASTM A370鋼制品力學性能試驗的標準實驗方法和定義》中所規定的方法，每一種化學成分所對應的試塊進行-46℃沖擊試驗，獲得如下表3的數據。

表3 各化學成分所對應的沖擊值

1.4 金相組織

將沖擊殘樣進行金相分析，將殘樣放入氫氧化鈉和鐵氰化鉀溶液內加熱腐蝕，待溶液沸騰后取出，200倍下觀察金相，金相組織分別如下圖所示。

圖2 金相組織

根據ASTM A800中的規定，鋼中的鐵素體含量可以通過鉻當量和鎳當量的比值計算后查表得到，其計算公式如下：（Cre）/（Nie）=（Cr%+1.5Si+1.4Mo%+Nb%-4.99）/（Ni%+30C%+0.5Mn%+26（N%-0.02）+2.77），計算得到的Cre/Nie在下表4中即可查找出對應的鐵素體含量。

通過計算，得出（1）～（5）組試樣的鐵素體含量如下表4所示，從表中可以看出，隨著鋼中鐵素體含量的增加，其低溫沖擊值直線降低，但除此之外還可能因為（1）、（3）組試樣中存在較多的雜質，對實驗結果有著影響。但可以看出組織對 4A 材質的低溫沖擊性能影響是最直接的。當鋼中鐵素體含量較高時，其奧氏體含量則相對偏低，從而沖擊性能下降。該數據與金相顯示結果一致。

表4 各組試樣鐵素體含量與沖擊

2 實驗結果及分析

通過之前的金相、沖擊值、鐵素體含量可以看出，鋼中鐵素體含量越高，則相應的奧氏體含量則越低，從而鋼的沖擊性能也隨之降低。把之前所得到的數據進行從小到大排列，如下表所示，從表中可以看出，隨著Cre/Nie比值的降低，鋼中鐵素體含量也隨之降低，從而鋼的沖擊值也變高。

表5 鋼中鐵素體含量

所以，通過本次研究，影響4A材質沖擊性能的主要取決于鋼的顯微組織，其組織中奧氏體含量越高，鐵素體含量越低，則鋼的沖擊性能越好。要想提高鋼中奧氏體含量，則必須降低鉻當量，提高鎳當量。但對于4A材質來說，它需要保證耐點蝕當量PREN≥34，而鉻當量太低對PREN來說是壞事情，但是對于N元素，它既能提高PREN指標，又是強烈的奧氏體形成元素，在鋼中可適當提高。而且N對PREN指標的影響是30倍以下。一般我們都取16倍。

3 結論

通過本次研究對比，影響4A材質低溫沖擊性能的主要因素為鋼中奧氏體、鐵素體的含量。要想提高4A材質的低溫沖擊韌性，則需要降低鋼中鐵素體的含量，提高奧氏體含量。而影響鐵素體、奧氏體含量的主要因素為Cre和Nie。數據表明Cre/Nie比值越小，鋼中鐵素體含量越低，鋼的低溫沖擊性能越高。