微量鈦對低碳硼鋼沖擊韌性的影響

微量鈦對低碳硼鋼沖擊韌性的影響摘要研究了微量鈦對低碳硼鋼沖擊韌性的影響?結(jié)果表明：在-60°C?+20°C范圍內(nèi)，加入微量鈦的低碳硼鋼的沖擊韌性普遍較好，隨著溫度升高，沖擊韌性值增大，但其沖擊韌性值變化幅度不大?在-60C?+20C范圍內(nèi)，必須的鈦含量超出時，這些過剩的鈦對低碳硼鋼的沖擊韌性沒有明顯影響.關(guān)鍵詞低碳硼鋼；微量鈦；沖擊韌性中圖分類號TG142.1眾所周知，作為微量元素，硼對鋼的組織和性能有顯著的影響，是微量合金元素中用量少、效果最顯著的一個.如微量(0.0005%?0.003%)硼可成倍提高鋼的淬透性而代替較貴的合金元素，其作用與添加0.6%Mn,0.7%Cr,0.5%Mo或1.6%Ni相當(dāng)?在國外，相繼出現(xiàn)了含硼的超低碳貝氏體鋼、中碳硼鋼、壓力容器用鋼以及一些硼與鈮、鈦、釩等合金元素復(fù)合合金化的低合金鋼與合金鋼等.硼鋼在我國發(fā)展也較快，已形成了系列鋼種，如42MnBR，42SiMnB，40MnWB，25MnTiB，20SiMnVB，24SiMn2WMoTiB以及含硼鍋爐用鋼和含硼葉片鋼等等.由于硼鋼具有小的變形抗力，熱加工后易于冷成型，焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn)，故可廣泛用于汽車工業(yè)、石油管線及壓力容器等領(lǐng)域.然而，由于硼在鋼中用量少，且硼元素化學(xué)性能活潑，當(dāng)煉鋼工藝水平不高時，加入硼的效果往往不夠穩(wěn)定，重現(xiàn)性不好，如淬透性波動大，易于混晶，有時出現(xiàn)熱脆性和脆性等，特別是在電弧爐冶煉條件下(鋼中含氮量＞0.008%)其性能波動更大，因而影響了它的推廣應(yīng)用.對于硼鋼，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，結(jié)果表明，硼增加鋼的淬透性除與它在鋼中的含量有關(guān)外，還與其在鋼中的存在形式有關(guān)，而存在形式又受鋼中其他元素的制約.如氧和氮都對淬透性有強(qiáng)烈的影響，在鋼液中，硼很容易與這兩種元素化合，而降低硼對淬透性的有效性.因此，冶煉中加硼之前，必須把氧和氮含量降到很低，通常是向鋼中加入其他元素以中和鋼中的氧和氮.研究結(jié)果表明了向鋼水中加入強(qiáng)氮化物形成元素，例如鈦和鋯，由于它們能和氮形成穩(wěn)定的氮化物而減少氮對硼淬透性［1］作用的不良影響.本文在保證鋼中一定鋁含量的前提下，適當(dāng)添加鈦用以固氮護(hù)硼.但是，以鈦?zhàn)鳛樘砑觿┦欠駮︿摰臎_擊韌性［2］有不良影響，尚待深入探究.M.Paju等學(xué)者認(rèn)為鈦的加入因形成Ti(C,N)沉淀而對低碳硼鋼缺口韌性可能有不利影響.然而，迄今為止有關(guān)鈦對低碳含硼鋼沖擊韌性的影響程度到底如何，尚無定論.這方面的研究文獻(xiàn)也很少，且不深入.本文研究了鈦含量對低碳硼鋼的沖擊韌性的影響，試圖通過試驗(yàn)研究找出鈦對低碳硼鋼沖擊韌性的影響規(guī)律.試驗(yàn)方案1.1試驗(yàn)用鋼成分設(shè)計(jì)及冶煉本工作是以GB3077-88中的20MnVB鋼為基礎(chǔ)，在控制鋁含量一定的前提下，主要調(diào)整鈦含量而形成改良的20MnVB鋼.本試驗(yàn)用鋼是在陜西精密合金廠的ZG-10B真空感應(yīng)電爐上冶煉的?鋼錠重約7kg，所用原料為工業(yè)純鐵、石墨、結(jié)晶硅、金屬錳、重熔釩鐵、硼鐵、海綿鈦等.表1為6爐鋼的最終化驗(yàn)結(jié)果和GB中的20MnVB鋼的化學(xué)成分.

表1試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分/%爐號CMnSiPSVNAlBTi00.171.050.320.0040.00680.100.00320.35痕0.05210.181.130.290.0140.00720.100.00500.370.0040.02020.171.050.290.0150.00580.100.00540.310.0050.1230.201.190.330.0120.0090.0860.00910.330.00340.07040.211.120.320.00770.0110.090.00970.0600.00420.17560.211.140.310.00860.0160.100.00850.0520.00490.092GB3077-88中的20MnVB0.17/0.231.20/1.600.17/0.37<0.035<0.0350.07/0.120.0005/0.00351.2樣品制備對爐號0,1,3,4,6鋼進(jìn)行鍛造，并將爐號0,1,4鋼加工成梅氏沖擊試樣，將爐號3，4，6鋼加工成夏比沖擊試樣.這樣做目的有二：其一，研究不同缺口條件下，同一鋼種在各種溫度時沖擊韌性的變化趨勢；其二，對于改良的20MnVB鋼，本課題組曾做過多年的研究工作，這次研究可以和以往的研究工作進(jìn)行銜接.其試樣處理工藝流程為：真空冶煉(7kg錠)?鍛造(14mmX14mm)~初加工(55mmX12mmX12mm)~正火一900°C油淬+200°C回火一試樣精加工一做沖擊試驗(yàn)?系列沖擊韌性測量是在西安交通大學(xué)PendulumImpactTester上進(jìn)行.試驗(yàn)結(jié)果將試樣按上述工藝進(jìn)行熱處理后，作沖擊韌性試驗(yàn)，其結(jié)果見表2.圖1是試樣在U型和V型缺口條件下，沖擊韌性值與溫度的關(guān)系曲線圖.表2不同溫度下各爐號鋼種沖擊韌性a/(J.cm-2)k 爐號-60C-40C-20C0C室溫備 注98.892.5183.8138.0093.8150123.8110.0梅氏試樣83.897.576.3145.031.347.5136.0100.0190.038.851.3107.5梅氏試樣72.536.327.5112.577.587.5107.585.0178.8496.386.3110.0136.3113.8梅氏試樣86.368.8121.6152.5120.015.930.036.736.8316.545.333.141.0夏比試樣23.31929.034.91414.721.4432.4623.3夏比試樣15.313.517.7619.6017.7630.7533.0831.8515.3114.722.0517.76612.2517.1524.527.56夏比試樣18.3823.2823.2836.14注：梅氏試樣淬火溫度為870°C；夏比試樣淬火溫度為900°C.仙北2仙北2勺 0 20SfiE/V(a)U型 (b)V型圖1不同溫度下U型和V型缺口時的&瓦值由表2及圖1可知，加微量鈦后的低碳硼鋼都呈現(xiàn)出良好的韌性.試驗(yàn)鋼中的沖擊韌性值都有隨溫度升高而升高的趨勢，但不明顯?圖1(a)顯示，爐號0及爐號4鋼的U型缺口a值都高于爐號1鋼，且爐號4鋼尤為穩(wěn)定?從圖1(b)可知，爐號4k和爐號6鋼a值接近，而爐號3鋼較高，但隨溫度升高a值升高的趨勢是基本一致kk試驗(yàn)結(jié)果討論與分析根據(jù)文獻(xiàn)［3］所示的鋼中有效鈦和有效硼計(jì)算公式得出，所有試驗(yàn)鋼中都有過剩的鈦存在，其過剩鈦含量由高向低依次順序?yàn)闋t號4鋼，2鋼，6鋼，0鋼，3鋼和爐號1鋼，也就是說氮全部被鈦固定，所以，鋼中有效硼即為總硼量?為便于比較,本文引用了文獻(xiàn)［3］中A15鋼，其成分如表3所示.表3A15鋼的化學(xué)成分鋼號CMnSiPSVNAlBTiA150.201.290.260.0180.0100.070.00940.0460.00280.031同樣，由文獻(xiàn)［3］公式可得A15鋼有效硼為0.0016%，顯然無過剩鈦.A15鋼的梅氏試樣沖擊韌性值為121J/cm2，與爐號4鋼接近?通過比較，不難看出兩鋼種除鈦和過剩鈦差別很大外，其他成分相差無幾.由此可見，過剩鈦對低碳硼鋼沖擊韌性不會產(chǎn)生較大影響?這是因?yàn)?，過剩鈦是在低碳硼鋼中兩種相互矛盾行為作用的結(jié)果.一方面，鈦可形成碳鈦化合物細(xì)化晶粒，增加韌性；另一方面，Ti在鋼中形成的Ti(C,N)化物，具有多角形狀，沖擊時將可能會作為裂紋源，而影響沖擊韌性.故它們相互作用的結(jié)果，將對沖擊韌性不會產(chǎn)生較大的影響.現(xiàn)在，再來比較一下爐號1鋼和4鋼的成分差別?顯然，除鈦有較大差別外，鋁

含量也有所不同.通過比較可知，鋁量較高的爐號1鋼其沖擊韌性低于爐號4鋼.由

此可見，在-60°C至室溫之間，過高的鋁含量會給沖擊韌性帶來不良影響，同時也

降低鋼的硬度?這是因?yàn)殇X是縮小Y區(qū)的元素，它使A點(diǎn)升高，如果淬火溫度較低,3將影響低碳硼鋼的淬火組織.關(guān)于沖擊試樣斷口狀況及顯微組織，作者在另一篇文章中將有詳細(xì)分析.4結(jié)論（1）在-60C?+20C范圍內(nèi)，加入微量鈦的低碳鋼的沖擊韌性普遍較好，且隨著溫度的升高，沖擊韌性值增大，但其沖擊韌性值變化幅度不大.（2）在-60C?+20C范圍內(nèi)，鈦一旦超出必須的鈦含量，這些過剩鈦對低碳硼鋼的沖擊韌性沒有明顯影響.（3）過高的鋁含量將使鋼的A點(diǎn)升高，對低碳硼鋼的淬火組織有不利影響,3進(jìn)而對鋼的沖擊韌性產(chǎn)生不良影響.*原冶金工業(yè)部“有償與資助”專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（冶人教[1995]242號）作者簡介：翟克勇男，47歲，高級工程師作者單位：西安建筑