石秋英，逯登堯

（1西寧特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司，青海 西寧810005；2中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州213011）

1 前言

由于錨鏈在低溫條件下使用，考驗(yàn)錨鏈的一個重要的技術(shù)性能指標(biāo)就是低溫沖擊韌性。目前，在各國船級社標(biāo)準(zhǔn)中，均采用Mn2鋼為二、三級錨鏈的原料，其中CM490是二級錨鏈用鋼，在制鏈并正火處理后使用，其金相組織為鐵素體＋珠光體；而CM690是三級錨鏈用鋼，該產(chǎn)品制鏈經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后使用，其金相組織為高溫回火索氏體。為了錨鏈在海水中抗蝕性能和耐低溫沖擊性能達(dá)到最佳狀態(tài)，一方面，在保證強(qiáng)度和塑性的前提下，錨鏈通過適當(dāng)?shù)幕鼗鹨垣@取最均勻的索氏體組織；另一方面，制造成本在可接受的范圍內(nèi)，通過向鋼中添加細(xì)化晶粒元素獲取更加細(xì)小的奧氏體晶粒。鋼中添加Nb、V、Ti、Al等細(xì)化晶粒元素可不同程度地提高鋼的低溫韌性。Nb和V是相對比較貴重的稀有元金屬素，一般來說鋼廠很少采用，而Ti和Al易獲得，價格又比較便宜，使用比較廣泛。對于大規(guī)格三級錨鏈鋼（Φ90～Φ130 mm），在鋼中除了添加Al，另外添加適量的Ti可以使鋼的0℃沖擊值提高25～40 J，這在錨鏈的生產(chǎn)中得到證實(shí)。

本研究探討了錨鏈鋼微合金化過程和熱處理方法對低溫沖擊性能的影響，并取得了令人滿意的結(jié)果。

2 試驗(yàn)條件和方法

2.1 試驗(yàn)材料及生產(chǎn)工藝

試驗(yàn)鋼的牌號為CM490和CM690，規(guī)格為Φ 43、Φ114和Φ130 mm。鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

試驗(yàn)鋼采用兩種工藝條件生產(chǎn)：1）電爐＋精煉＋連鑄＋半連軋方法生產(chǎn)。150 mm×150 mm連鑄坯，生產(chǎn)Φ43 mm規(guī)格產(chǎn)品，壓縮比為15.5；2）轉(zhuǎn)爐＋精煉＋連鑄＋半連軋方法生產(chǎn)。260 mm×300 mm連鑄坯，生產(chǎn)Φ130 mm規(guī)格產(chǎn)品，壓縮比為5.9；生產(chǎn)Φ114 mm，壓縮比為7.6。

2.2 試驗(yàn)方法

截取200 mm毛坯試樣，熱處理后從試樣1/3半徑處制取縱向拉伸、沖擊試樣和橫向沖擊試樣（橫向沖擊試樣以試樣橫截面1/3半徑處為中心沿橫向并平行于中心線截?。?。拉伸試樣的直徑為Φ14 mm，試驗(yàn)溫度為+20℃；沖擊試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為 20、0、-20和-40℃。每組試驗(yàn)中，拉伸試樣1支，沖擊試樣3支。試驗(yàn)設(shè)備為WAW-1000C型100 t電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，JBN-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)，DWC-60沖擊試驗(yàn)低溫槽，574R型洛氏硬度計(jì)（Wilson）和Formaster F2型相變膨脹儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同組織狀態(tài)下的沖擊韌性

選擇直徑為43 mm的CM490進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖1、圖2。從表2看出：CM490鋼在不同的冷卻速度下，其拉伸性能基本沒有變化，但沖擊性能不管是縱向還是橫向均有顯著變化（見圖1）。

從沖擊試樣的斷口可以觀察到冷卻條件對組織的影響，由圖2c可以看到：正火狀態(tài)的沖擊試樣斷口上有明顯的剪切唇，表征材料的韌性很好，而軋后空冷和軋后緩冷兩種狀態(tài)的沖擊試樣斷口上的剪切唇則不明顯（見圖2a、b）。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 Φ43 mm CM 490鋼在不同試驗(yàn)溫度下的沖擊韌性

圖2 Φ43 mm CM490鋼0℃沖擊試樣斷口

3.2 不同試驗(yàn)溫度下的沖擊韌性

選擇直徑130 mm的CM690和CM490，對母材和焊縫材料進(jìn)行不同溫度的夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。Mn2鋼作為錨鏈材料時，其焊縫的沖擊韌性是考核錨鏈的一個重要指標(biāo)。按船級社標(biāo)準(zhǔn)，其焊縫在-20℃的沖擊值應(yīng)滿足≥19 J的要求。在認(rèn)可試驗(yàn)中，母材一般要通過20、0、-20和-40℃4個溫度下的沖擊試驗(yàn)，而母材和焊縫材料要通過0℃和-20℃兩個溫度的沖擊試驗(yàn)。

由圖3看出：兩種材料隨試驗(yàn)溫度的變化呈線性關(guān)系，焊縫與母材的沖擊值比約為0.78。

圖3 鋼母材和焊縫縱向沖擊韌性隨試驗(yàn)溫度的變化

3.3 不同回火溫度下的沖擊韌性

CM690鋼經(jīng)850℃保溫30 min水冷淬火，再分別在600和630℃保溫60 min水冷回火后，加工成沖擊試樣，分別在0、-20和-40℃3個溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4看出：在600℃回火的沖擊韌性值，其縱向是橫向的2.4倍；在630℃回火的沖擊韌性值，其縱向是橫向的2.8倍。沖擊韌性與試驗(yàn)溫度之間基本呈線性關(guān)系。

圖4 CM690鋼不同回火溫度下沖擊韌性隨試驗(yàn)溫度的變化

在材料確定、試驗(yàn)溫度一定的情況下，鋼的韌性與回火組織相關(guān)。將材料加工成Φ25 mm毛坯試樣，經(jīng)850℃保溫30 min水冷淬火處理，在不同溫度保溫60 min水冷回火處理，再加工成沖擊試樣在-20℃進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。由圖5看出：在400～460℃，由于鋼的冷脆性，其韌性發(fā)生劇烈變化，超過460℃后，其變化明顯減緩，460℃是一個拐點(diǎn)。

圖5 回火溫度對CM 690鋼-20℃縱向沖擊韌性的影響

在CM690圓鋼Φ130 mm上截取200 mm長試樣，經(jīng)890℃保溫40 min空冷，870℃保溫30 min水冷處理后在不同溫度保溫60 min水冷回火處理，然后加工成橫向沖擊試樣進(jìn)行0和-20℃沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見圖6?？梢钥闯觯?70～670℃回火，鋼的橫向沖擊韌性與回火溫度呈線性關(guān)系。

圖6 回火溫度對CM690鋼橫向沖擊韌性的影響

4 結(jié)果分析

4.1 淬火介質(zhì)溫度的影響

錨鏈的熱處理介質(zhì)一般采用水。在實(shí)際生產(chǎn)中使用水冷卻時，冬季和夏季的水溫有較大的區(qū)別。在冬季，環(huán)境溫度5～15℃，循環(huán)水的冷卻條件較好，水溫一般在25～35℃，錨鏈熱處理后性能較好；而夏季的環(huán)境溫度高達(dá)30～40℃，循環(huán)水的冷卻條件差，水溫一般在45～55℃，錨鏈熱處理后強(qiáng)度低、韌性值也不高。

母材的試驗(yàn)也同樣存在上述問題。冬季實(shí)驗(yàn)室冷卻水溫度9～11℃，而夏季實(shí)驗(yàn)室的冷卻水溫度在28～32℃。雖然兩種條件下的水溫均滿足淬火和回火水溫不超過30℃的規(guī)定，但從試驗(yàn)結(jié)果來看，差距仍較大。表3是CM690鋼Φ114 mm母材在900℃保溫90 min水冷淬火，并在600℃保溫90 min水冷回火，在半徑1/3處截取縱向試樣后進(jìn)行室溫拉伸和0℃沖擊試驗(yàn)，在冬季和夏季不同水溫條件下的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果。

表3 CM 690鋼母材在冬季和夏季的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表3看出：在冬季，由于冷卻水溫下降，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比同時上升，沖擊韌性下降。由于受冷卻介質(zhì)本身溫度變化的影響，鋼在淬火后形成的馬氏體數(shù)量不同；水溫低時，淬火后形成的馬氏體和貝氏體數(shù)量就多，回火后強(qiáng)度高、韌性值低；而水溫高時，淬火后形成的馬氏體和貝氏體數(shù)量就少，回火后強(qiáng)度低、韌性值高。

4.2 淬火溫度的影響

為驗(yàn)證不同淬火溫度對Φ130 mm CM690鋼沖擊性能的影響，試樣淬火溫度分別為840℃和800℃，保溫30 min，水冷；在600℃保溫60 min水冷，在半徑1/3處截取縱向試樣在不同溫度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊值僅8～26 J，斷口呈脆性，結(jié)果見圖7。金相分析表明：840℃淬火，試樣組織為回火索氏體＋帶狀鐵素體（見圖7a）；800℃淬火，試樣組織為回火索氏體＋塊狀或網(wǎng)狀鐵素體，晶粒粗大（見圖7b）。出現(xiàn)這種組織的情形說明：在淬火時溫度太低，在A3線附近發(fā)生鐵素體相變，淬火后保留下來，回火時無法消除，而鐵素體組織韌性極差，在常溫和低溫下幾乎顯示脆性，與沖擊試驗(yàn)溫度的高低關(guān)系已經(jīng)不大。

圖7 CM690鋼不同溫度淬火后試樣的金相組織

4.3 回火溫度的影響

不管是縱向沖擊性能還是橫向沖擊性能，鋼的低溫韌性受回火溫度的影響較大。由圖4可知，在630℃回火的縱向沖擊韌性值是600℃回火韌性值的1.6～1.8倍，在630℃回火的橫向沖擊韌性值是600℃回火韌性值的1.3～1.5倍。由圖5看到：鋼的沖擊韌性與材料本身的組織狀態(tài)密切相關(guān)，在400～460℃之間，鋼的組織為珠光體＋鐵素體＋回火貝氏體，隨著回火溫度的進(jìn)一步升高，回火貝氏體量不斷增加，珠光體片狀逐漸轉(zhuǎn)化為粒狀，鋼的韌性不斷得到改善；在460～550℃，組織完全轉(zhuǎn)化為回火貝氏體，此時鋼的韌性值變化減緩。

4.4 冷卻速度的影響

對于CM490，鋼的組織為鐵素體＋珠光體，但在不同的冷卻條件下其組織狀態(tài)則不同，由此使鋼獲得的沖擊韌性值有著明顯的不同。由圖1看出：在軋后正火條件下，鋼的組織達(dá)到平衡狀態(tài)，其0℃條件下的韌性值達(dá)到150 J；而軋后空冷條件下獲得的組織為非平衡組織，由于受生產(chǎn)條件的限制，鋼材的冷卻速度較慢，鋼中形成的鐵素體組織較多，從而導(dǎo)致其韌性值降低，在0℃條件下的韌性值僅50 J，是正火狀態(tài)下的1/3；同樣，軋后緩冷條件下獲得的組織也為非平衡組織，在此條件下，鋼材的冷卻速度更慢，鋼中形成的鐵素體組織更多，其韌性值更低，在0℃條件下的韌性值僅30 J，是正火狀態(tài)下的1/5。就試驗(yàn)溫度而言，鋼材的韌性與試驗(yàn)溫度基本上呈線性關(guān)系；但對于軋后緩冷試樣而言，由于鋼材在300～500℃條件下堆冷，24 h后才能降到150℃，在此種條件下，除生成鐵素體＋珠光體組織，還會生成一部分羽毛狀的上貝氏體組織，這種組織的韌性要比針狀貝氏體差得多。

在CM690圓鋼Φ114 mm半徑1/3處截取200 mm長試樣，經(jīng)900℃保溫90 min水冷，然后在試樣中部（距端部100 mm處）橫向截取厚度15 mm硬度試樣，測試依據(jù)GB/T 230.1—2009標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)在574R型洛氏硬度計(jì)（Wilson）上進(jìn)行。測試時，先畫上通過試樣中心的直線（A1-A2，A3-A4，兩條直線的交角近似90°），然后每2 mm測試1個硬度值。按此要求在不同方向測試2組，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 CM 690鋼的淬硬性試驗(yàn)曲線

由圖8可以看出：在試樣表層1 mm處的硬度為HRC 53～HRC 54，從2 mm處開始，硬度隨距離的增加而降低，直到距試樣表層13 mm處，試樣淬火后的硬度為HRC 31.7（相當(dāng)于HV315），從此點(diǎn)開始，硬度值變化逐漸減少，到26 mm處基本上趨于穩(wěn)定。從半徑1/3處鉆取的拉伸和沖擊試樣參與試驗(yàn)的部分應(yīng)在距表面10～26 mm區(qū)域內(nèi)，是圖8曲線由陡變緩的拐點(diǎn)處，其代表性顯著。

為確定冷卻速度對鋼材組織性能的影響，測定了CM690鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線。試樣從Φ 130 mm規(guī)格半徑1/3R處鉆取，制取毛坯樣Φ6 mm后車削為Φ3 mm×10 mm成品試樣并磨光。成品試樣置于入相變膨脹儀后，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，用100 s的時間內(nèi)升溫到900℃，保溫5 min，而后以不同的冷卻速度冷卻到室溫，測得的CCT曲線見圖9。由圖9可知，試樣表層13 mm處對應(yīng)的組織為貝氏體＋馬氏體＋鐵素體＋珠光體。圖10為從左側(cè)開始算起的第3條曲線證實(shí)了這種混合組織的存在。

由于貝氏體+馬氏體混合組織的存在，使Φ130 mm鋼材在調(diào)質(zhì)處理后能夠獲得良好的沖擊韌性，在0℃下的沖擊韌性值達(dá)到140～160 J。

4.5 鑄態(tài)組織的影響

圖9 CM 690鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）

圖10 CM690鋼冷速100℃/s、硬度為HV306時的組織

由于CM690鋼產(chǎn)材規(guī)格較大，其壓縮比僅為5.9，軋制后其晶粒粗大的鑄態(tài)組織雖已改善，但不可能完全消除，從縱向沖擊和橫向沖擊的試驗(yàn)結(jié)果可觀察到這一顯著的影響。從軋材的低倍檢驗(yàn)結(jié)果來看：其一般疏松和方框偏析為1.0級、中心疏松1.0～1.5級，鑄態(tài)組織仍有保留，顯然對低溫韌性是有影響的。圖11是Φ130 mm和Φ114 mm軋材宏觀組織對比。顯然，隨著壓縮比增大，鋼的鑄態(tài)組織逐漸得到改善，在Φ130 mm軋材上存在的方形偏析，在Φ114 mm軋材上已變得不太明顯。

圖11 CM 690鋼不同規(guī)格軋材宏觀組織對比 0.5×

采用閃光焊接工藝的CM690和CM490鋼，焊接后形成焊縫貧碳區(qū)，從縱向宏觀組織上看，出現(xiàn)寬度不超過1 mm的白亮帶；將白亮帶的組織與熱影響區(qū)和基體進(jìn)行對比，其組織沒有明顯的差別（如圖12所示）。

4.6 微量元素的影響

除向鋼中添加Al來實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的目的外，加入微量的Ti（約0.02%）也可以細(xì)化鑄態(tài)組織，提高鑄件的強(qiáng)度和塑性［1］。鈦是極強(qiáng)的碳化物形成元素，它在鋼中形成很穩(wěn)定的特殊碳化物，有強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒作用。在奧氏體分解過程中，細(xì)小的碳化物有促進(jìn)成核的作用［2］。由于鋼中加入0.02%的鈦后，形成較多的TiC質(zhì)點(diǎn)，淬火時溶于固溶體，回火時就會呈彌散狀析出，回火溫度越高，其析出的傾向就越大，彌散度越高其細(xì)化晶粒的作用也就越大，因此，碳化物高度彌散分布是鋼的低溫韌性提高的重要原因。

圖12 CM 690鋼焊縫、熱影響區(qū)及基體的金相組織 500×

對于鈦含量在鋼中的有效性及合理范圍，王有銘［3］等認(rèn)為：鈦含量在0.01%～0.02%較為合理，過低的鈦就沒有足夠的TiN阻止晶粒的長大，過高的鈦將導(dǎo)致粗大的液態(tài)析出TiN，也不能阻止晶粒的長大。wTi/wN理想化學(xué)配比為3.4左右，超出這個比例時，鋼中TiN的粒子顯著粗化，TiN的晶粒細(xì)化作用減弱，多余的鈦會與碳結(jié)合形成TiC，隨著含鈦量的增加，TiC在低溫下形成細(xì)小而彌散的顆粒析出，起到強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化的效果。

對于CM690鋼，含鈦鋼在0℃下的沖擊韌性值可以達(dá)到140～160 J，而不含鈦的鋼在0℃下的沖擊韌性值僅達(dá)到95～125 J，相差35～40 J。可見，在鋼中加入0.02%的鈦，其作用是顯著的。

5 結(jié)論

5.1 CM490鋼在正火狀態(tài)下的低溫韌性值是軋后空冷的3倍，是軋后堆冷的5倍。其主要原因是3種狀態(tài)具有不同的組織，空冷和堆冷狀態(tài)下生成的羽毛狀上貝氏體組織是鋼的韌性下降的主要原因。

5.2 提高CM690鋼大規(guī)格材的低溫沖擊韌性的方式：1）在630℃附近回火，嚴(yán)格控制回火溫度的波動范圍，最好在±10℃以內(nèi)，可收到良好的效果；2）向鋼中添加細(xì)化晶粒元素Ti，其總量控制在0.015%～0.025%之間，可提高沖擊韌性值35～40 J。

5.3 在800℃附近淬火時，因鐵素體大量析出，導(dǎo)致貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)化量減少，回火時仍存在大量的鐵素體帶或網(wǎng)，使鋼的韌性嚴(yán)重降低；淬火水溫超過30℃時，因冷卻速度下降，鋼的淬透能力減弱，會降低鋼的強(qiáng)度和韌性。

［1］ 孫珍寶，朱譜藩，林慧國，等.合金鋼手冊（上冊）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：103.

［2］ 大連工學(xué)院《金屬學(xué)與熱處理》編寫小組.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：科學(xué)出版社，1975：393.

［3］ 王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009：50-66.