微钙高硬高韧结构钢的研究

0I:10.13374/i.issn1001053x.1993.01.007 第15卷第1期 北京科技大学学报 Vol.15 No.1 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jn.1993 微钙高硬高韧结构钢的研究 李承基*陆丰·曹凤豫· 张永祥*· 陈永刚· 摘要：本文研究了一种新型的高硬度(HRC>58以、高韧性(a>40】/cm)的结构钢的化学成分 及热处理对冲击韧性的影响。实验结果表明，微量钙对改善钢在淬火一低温回火态的冲击韧性有 重要作用，铬含量及钥/硅比对冲击韧性也有一定的彩响。 关键词：高硬高韧结构钢，微钙合金化，晶界偏聚，铜/硅比 An Investigation of Macro-Calcium Steel with High-Hardness and High-Toughness Li Chengi Lu Feng'Cao Fengyu'Zhang YongxiangChen Younggang' ABSTRACT:The effects of chemical composition and heat-treatment on the impact toughness of a new type of micro-calcium steel with high-hardness (HRC>58)and high-toughness (as40J/cm)have been investigated.The results show that the micro-calcium play an important role in the improving of impact toughness of quened-tempered steels.The impact toughness of steels were also controlled by the content of chromium and the ratio of copper silicon in steels. KEY WORDS:high-hardness and high-toughness steel,micro-alloying of calcium,grain boundary segregation,ratio of Cu/Si 高硬度(HRC>58)、高韧性（a>40J/cm)的结构钢，是现代机床制造业发展的 希要。目前国内机床主轴、丝杠等所用GCrl5、GCrl5SiMn、CrMnMo、50CrV、 20CMo渗碳钢等，由于冲击韧性较低而不能适应机床制造业的发展。因此，研究高硬 度、高韧性而又经济的机床零件用钢，引起了人们的关注。苏联最新的高硬、高韧结构钢 (B3C-60),在主要性能指标上是目前国际上最先进的，也是较经济的高硬度、高韧性结 构钢(HRC=59~61,a240J/cm)。本文的目的，是研究微钙在改善高碳淬火-低温 回火钢的冲击韧性方面的可能性，为研制新型的高硬度、高韧性结构钢提供合金化基础。 1实验用钢及方法 1992-06-20收稿 ◆北京科技大学(University of Science and Technology Beijing) *幸北京机床研究所(Beijing Institute of Machine Tool) 第一作者李承基男57故投

第 巧 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 一， 年 月 。 皿 。 微钙高硬高韧结构钢 的研究 李承基 陆 丰 曹凤 像 ’ 张永祥 ’ 陈永 刚 ” 摘要 本文研究 了一种新型的 高硬 度 、 高韧性 气 乃的结构钢的 化学成分 及热处理对冲击韧性的 影响 。 实鉴结果表明 ， 徽 钙对改善钢在淬火一低温回 火态的冲击韧性有 重要作用， 铬含 及铜 硅 比对冲击韧性也有一定的影响 。 关键词 高硬高韧结构钢 ， 微钙合金化 ， 晶界偏聚 ， 铜 硅 比 乙 人 灯 一 一 一 乙 凡 盯 ‘ 口 岁 ” 路。 ” 价 一 加 一 一 一 ， ， 一 而 一 一 一 ， 一 ， ， 高 硬 度 、 高韧性 叭 的 结构钢 ， 是现代 机床 制 造业发 展 的 需 要 。 目 前 国 内 机 床 主 轴 、 丝 杠 等 所 用 、 、 、 、 加 。 渗 碳 钢等 ， 由于 冲 击 韧性 较 低而不 能 适应 机 床 制 造业 的发 展 。 因此 ， 研究高硬 度 、 高韧性 而 又经济的机床零件用 钢 ， 引起 了人 们的关 注 。 苏联 最新的 高硬 、 高韧结构钢 一 ， 在主要性能指标上是 目前 国际上最 先进 的 ， 也是较经济的 高硬 度 、 高韧性结 构钢 一 ， 。 留 叮 ， 。 本文 的 目的 ， 是研究微钙在改 善高碳 淬火 一 低 温 回火钢的冲击韧性 方面的 可能性 ， 为研制新型的高硬 度 、 高韧性 结构钢提供合金化基础 。 实验用 钢 及方法 一 一 收稿 北京科技大学 盯 户 二 北京机床研究所 乡 第一作者 李承基 男 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．01．007

Vol.15 No.1 微钙高硬高韧结构钢的研究 ·39· 实验用锅在40kW感应炉治炼，钙以Ca-Si合金加入。钢锭锻成相应规格的棒材，经 退火后分别机加工成相应实验项目的试样。冲击试样经淬火-回火后再磨削缺口。试验钢的 化学成分如表1所示。在盐浴炉中加热淬油，在油浴炉中回火。淬透性试验按GB225-63 标准规定进行。CCT、TTT曲线用DT-1000型全自动记录淬火膨张仪上进行，俄歇能谱 分析是在Microlab MK2型俄歇谱仪上进行的。冲击试样全部采用梅氏试样。 表1实验用钢的化学成分，% Table 1 The Compositions of experimental steels 编号 Si Mn Cr Cu Ca P 1A 0.59 0.60 0.65 1.12 0.48 0.11 0.006 0.019 0.019 8A 0.58 0.77 0.63 1.10 0.47 0.11 0.019 0.019 1B 0.60 0.25 0.78 0.99 0.39 0.14 0.005 0.020 0.018 6B 0.58 0.30 0.72 0.94 0.36 0.13 0.020 0.018 58Cr 0.58 0.32 0.76 1.10 0.03 0.009 0.022 2B 0.59 0.25 0.88 1.36 0.61 0.14 0.005 0.020 0.018 4B 0.61 0.24 0.97 1.86 0.35 0.09 0.005 0.020 0.018 3B 0.57 0.24 0.58 1.92 0.37 0.20 0.005 0.020 0.018 【注】58Cr钢为电弧炉冶炼的商品钢材。 2 实验结果 2.1微量钙对低温回火态的冲击韧性的影响 1B(含钙)和6B(无钙)钢经预先调质处理(950℃淬油、650℃回火)后再经淬火 和200℃回火试样的冲击韧性值与淬火温度的关系，如图1所示。从图1可以看到，两种 钢的冲击韧性均随淬火温度的升高而降低。但含钙钢(1B)的冲击韧性，在3个淬火温 度均高于无钙钢(6B)约10J/cm2。这个差别，对于59(HRC)的高硬度水平来说， 是显著的。图2所示是未经预先调质处理就进行淬火和200℃低温回火试样的冲击韧性与 淬火温度的关系。从图2可以看到，在低于900℃淬火时，含钙钢仍有较高的冲击韧性 值，而在900℃以上淬火时则低于无钙钢的冲击韧性值。 HRC=58-0 5096 RC=58一60 40 后 40 . 30 西 o1B ●6B 20L 20 830 8560 890 920 860 890 920 90 淬火温度/℃ 淬火温度/℃ 图1淬火温度对冲击韧性的影响 围2淬火温度对冲击韧性的影响 Fig.1 Effect of quenching temperature on the impact Fig.2 Effect of quencbing temperature on the impact toughness toughness

徽钙高硬高韧结构钢的研究 实验用 钢在 感应炉冶炼 ， 钙以 一 合金加人 。 钢锭锻成相应规格的棒材 ， 经 退火后分别机加工成相应实验项 目的试样 。 冲击试样经淬火一 回火后再磨削缺 口 。 试验钢的 化学成分如表 所示 。 在盐浴 炉 中加热淬油 ， 在油浴炉 中回 火 。 淬透性试验按 一 标准规定进行 。 、 曲线 用 一 型全 自动记录淬火膨胀仪上进行 ， 俄歇能谱 分析是在 型俄歇谱仪上进行的 。 冲击试样全部采用梅 氏试样 。 表 实验用钥的化学成分 ， ，坦坦 喧皿旦鱼 烦位。 些 旦 尹 。 但红生 丝坦 一 ︸一‘八了， 龟‘ ， 伪甘 ︸，上 八 … 冉九﹃ ︸八八︸﹄︸ 峥八‘ ︸，︸ … 名 ︸，，盆盆 ，」斤月哎产少了产﹃石勺汽，户了﹄ … 肠︸一 ”八“︸︸ 【注】 钢为 电弧炉冶炼的商品钢材 。 实验结果 微 钙对低温 回火态的冲击韧性的影响 含钙 和 无钙 钢经预先调质处 理 ℃ 淬油 、 ℃ 回火 后再经淬火 和 ℃ 回火试样的 冲击韧性值与淬火温度的关 系 ， 如 图 所示 。 从 图 可 以看到 ， 两种 钢的冲击韧性均 随淬火温 度的升高而降低 。 但含钙钢 的 冲击韧性 ， 在 个淬火温 度均 高 于 无 钙钢 约 。 这 个 差别 ， 对于 的 高硬 度水 平来说 ， 是显著的 。 图 所示是未经预 先调质处 理就进行淬火和 ℃ 低温回火 试样的冲击韧性与 淬火 温 度的 关 系 。 从 图 可 以看 到 ， 在低 于 ℃ 淬火 时 ， 含钙钢仍 有较 高的 冲击韧性 值 ， 而在 ℃ 以上淬火时则低于无钙钢的冲击韧性值 。 寻 石 二 印 － 亡 卞卜 ， 吞 日、 又 绍 仍 一 、 、 卜 一 、 、 ‘ 、 。 …一 、 、 、 、 淬火温度 ℃ 如 加 淬火浪度 ℃ 图 淬火温度对冲击韧性的影响 碑 如一 图 淬火温度对冲击韧性的影响 油

·40 北京科技大学学报 1993年No.1 2.2原始组织对含钙钢低温回火态的冲击韧性的影响 图3所示为不同原始组织的1B钢(1B-1的原始组织为调质态，1B-2为退火态)， 其低温回火试样的冲击韧性值与淬火温度的关系。从图3可以看到，预先经调质处理的试 样在3个淬火温度均具有较高的冲击韧性。在较低的淬火温度(860℃)，两者的差别更 大。 2.3铬含置对含钙钢低温回火态冲击韧性的影响 1B、2B、3B、4B4炉含钙钢主要的成分差别，在于铬含量的不同。为合理控制钢中 的铬含量，比较了不同铬含量的含钙钢各自的最佳热处理状态的冲击韧性值，如图4所 60 50 RC=58-60 50 1B 40 后 2B 0 40 4B- A o IB 30 2 20 20 RC-80 860 890 920 1.00 1.50 200 淬火温度/℃ C,% 图3淬火温度对冲击韧性的影响 围4铬含量对含钙钢的低温回火态冲击韧性的影响 Fig.3 Effect of quenching temperature on the jmpact Fig.4 Effect of Cr%on the impact toughness of toughness tow-temperature tempered steels 示，实验结果发现，在所研究的铬含量范围 o无Ca 内，随铬含量的增加，低温回火态的冲击韧 40 ●Ca 性呈线性降低（增加1%Cr,约降低冲击韧 性13J/cm2)。 号 30 2.4铜/硅含量比对低温回火钢的冲击韧· ●0 性的影响 西 实验结果发现，60 CrCuVCa及 60 CrCuV钢的低温回火态冲击韧性，与铜 10HRC=58~60 /硅含量比呈现出一定的规律性，如图5所 0 1.0 20 示。从图5可以看到，随着铜/硅含量比的 Cu/Si 围5钢/硅含量比对低温回火钢的冲击韧性的影响 增加，冲击值开始提高，到一·定比值后又降 低。最佳的铜/硅含量比，对含钙钢约为 Fig.5 Effect of the ratio of Cu/Si on the impact 1.50~1.60;对于无钙钢，这个比值约为 toughness of low-temperature tempered steels 1.20左右

北 京 科 技 大 学 学 报 年 原始 组织对含钙 钢低温 回 火 态的 冲击韧性 的影响 图 所 示为 不 同 原始 组 织 的 钢 一 的 原 始 组 织为 调 质态 ， 一 为 退 火 态 ， 其低 温回 火 试样的 冲 击 韧性值 与淬火温 度的关 系 。 从 图 可 以看到 ， 预先经调质处理的 试 样在 个 淬 火 温 度 均 具有 较 高的 冲 击 韧 性 。 在 较 低的淬 火 温 度 ℃ ， 两者 的 差 别更 大 。 铬含 对 含钙钢低温 回火 态冲击韧性的影响 、 、 、 炉 含钙钢主 要的 成 分差别 ， 在 于 铬含量的不 同 。 为 合理控制钢 中 的铬含量 ， 比较 了 不 同铬含量 的含钙 钢 各 自的 最 佳热处 理 状态的 冲击 韧性 值 ， 如 图 所 门口。产 幻幻 旨 卜皿 邹 团 、 入 、 、 、 、 一 寻 ，、 ‘ ， 卜 、 伙 一弓漪 班识 二 绍 印 。 奋 印 如 淬火沮度 ℃ 图 淬火温度对冲击韧 性的影响 碑 加 ， 图 格含 对含钙钢的低泥回火态冲击韧性的影响 一 示 。 实验 结果 发现 ， 在 所研究的铬 含量范 围 内 ， 随 铬 含量的 增加 ， 低 温回火 态的 冲 击韧 性 呈 线性 降 低 增加 ， 约 降 低 冲击韧 性 ’ 。 铜 硅 含 工 比 对低温 回 火 钢的 冲 击 韧 性的影 响 实 验 结 果 发 现 ， 及 钢 的 低 温 回 火 态 冲 击韧性 ， 与锅 硅 含量 比 呈现 出一 定的规律性 ， 如 图 所 示 。 从 图 可 以 看到 ， 随 着铜 硅含 量 比 的 增加 ， 冲 击值开 始提 高 ， 到 一 定 比值后 又降 低 。 最 佳 的 铜 硅 含 量 比 ， 对 含 钙 钢 约 为 一 伍 对 于 无 钙 钢 ， 这 个 比 值 约 为 左 右 。 无〔 远 少 一 、 、 。口﹄ 介 了、 一了 ’ · 奋 巴丛过些理 图 铜 硅含 比对低温 回火钢的冲击韧性的影响 · 一 伴

Vol.15 No.1 微钙高硬高韧结构钢的研究 ·41 3讨论 3.1微钙在改善钢的低温回火态冲击韧性的作用 通过喷硅钙粉或喂丝的炉外精炼技术，在钢中添加微量钙，作为脱氧去硫的净化剂， 改变硫化物夹杂形态，提高钢材的塑性和韧性，已有较多研究和应用。但是，微量钙在钢 中的合金化作用（如对淬透性、相变的影响、品界偏聚等)的研究还很少。文献[1~4]报 导，在铸钢中添加钙能消除魏氏组织，细化晶粒，改善冲击韧性。俄歇能谱分析证 实5)，微钙在60 CrCuV钢（本文表1中的7A、8A)的奥氏体晶界有十分明显的晶界 偏聚现象（奥氏体晶界的钙含量比钢中的平均含量高60倍），并且促进C、Si、C在类 氏体晶界的偏聚，但对Mn的偏聚无影响。微钙可提高低温回火态17Si2Mn2V钢在零下 80℃~室温的冲击韧性(6：。本文实验结果再次证实微钙可提高低温回火态60 CrCuV钢 的冲击韧性。微钙在改善低温回火态钢的作用，一方面是钙在钢水精炼时的净化作用；另 一方面，还可能有合金化的作用，如钙的晶界偏聚。根据含钙钢冲击断口的沿晶断裂断口 面积减少的现象(：，可以推断，钙在原奥氏体晶界的偏聚可能直接或间接地有利于提高 原奥氏体晶界的结合强度。对于高硬度高韧性结构钢，其硬度和显微组织相当于工具钢。 其冲击韧性水平与一般结构钢相比是很低的。其断裂型态，通常为穿晶断裂（解理为主） 和脆性的沿晶断裂。提高这类钢的冲击韧性的关键在于提高原奥氏体晶界的结合强度，减 少沿晶断裂的比例。含钙钢经预先调质处理（650℃回火)后再经淬火-低温回火（图3 曲线1B-1),其冲击韧性明显高于未经预先调质处理的试样（图3曲线1B-2)。这个结 果难以归因于钙的净化作用，可能是在调质处理(650℃回火)时促进钙的晶界偏聚有 关。 3.2最佳铬含量的控制 在微钙钢中，当铬含量大于1%时，低温回火态的冲击韧性随铬含量的增加而降低， 如图4所示。此外，微钙钢的淬透性则随铬含量的增加而显著增加？；俄歇能谱分析证 实(6)，微钙钢（本文的7A钢）的铬在奥氏体晶界有偏聚现象（偏聚比为1.76），而无钙 钢（本文的8A钢）的偏聚比则小于0.25，即属于负偏聚。根据上述3个实验结果的综合 分析可以认为铬在微钙钢奥氏体晶界的偏聚，是显著提高淬透性及降低淬火-低温回火态 冲击韧性的主要原因。如果综合考虑冲击韧性和淬透性的要求，合理的铬含量应在0.95 ~1.25%。 33铜/硅含量比的意义 铜/硅含量比，实质上是硅含量问题。俄歇能谱分析表明〔6)，在含铜钢中（本文的 8A钢)的奥氏体晶界，未发现有铜的偏聚，但有硅的偏聚（偏聚比为1S8)。钙促进硅 的偏聚（本文7A钢的硅偏聚比增加到2.46）。那么硅在奥氏体品界的偏聚对低温回火的 冲击韧性可能产生什么影响呢？硅在奥氏体晶界的偏聚，可以提高晶界处奥氏体的稳定 性，阻止碳化物在晶界的优先析出，有可能在晶界处残留下奥氏体膜，使晶界韧化；另一 方面，硅是有效的固溶强化元素，可以使晶品界的奥氏体膜得到强化。上述两点使晶界强韧 化，减小沿晶断裂的倾向。但是，如果钢中的硅含量过高，硅在晶粒内的固溶强化也将增 强，使得沿晶断裂的倾向反而增加，导致冲击韧性的降低

一 微钙高硬高韧结构钢的研究 讨 论 微钙在改善钢 的低温回火 态 冲击韧性的作用 通过喷硅 钙粉或喂丝 的炉外精炼技术 ， 在钢 中添加 微量钙 ， 作为脱氧去硫的净化剂 ， 改变硫化物夹杂形态 ， 提高钢材的 塑性和 韧性 ， 已有较多研究和应用 。 但是 ， 微量钙在钢 中的 合金 化 作 用 如 对淬透性 、 相 变 的影 响 、 晶界偏聚等 的研究还 很 少 。 文献汇一 雌 导 ， 在 铸 钢 中添 加 钙 能 消除 魏 氏 组 织 ， 细 化 晶粒 ， 改 善 冲 击 韧 性 。 俄 歇 能 谱 分 析 证 实 〔 〕 ， 微钙 在 钢 本文表 中的 、 的奥 氏体 晶界有十分 明显 的 晶界 偏聚 现象 奥 氏体 晶界的钙含量比钢 中的平 均含量 高 倍 ， 并且促 进 、 、 在 奥 氏体 晶界的 偏聚 ， 但对 的 偏聚 无 影响 。 微钙可 提高低温 回 火态 钢 在零下 ℃ 一 室温 的 冲击韧 性 “ 二。 本文 实验结果 再次 证 实微钙可 提 高低 温回 火 态 钢 的 冲击韧性 。 微钙在改善低温 回 火态钢的 作用 ， 一方 面是钙在钢 水精炼时的净化作 用 另 一方面 ， 还可 能有合金化的作 用 ， 如钙的 晶界偏聚 。 根据含钙钢 冲击 断 口 的沿 晶断裂断 口 面积 减少的 现象 〔 ’二 ， 可 以推断 ， 钙在原奥 氏体晶界的偏 聚可 能直接或 间接地 有利于提高 原奥 氏体 晶界 的结合强 度 。 对 于 高硬度高韧性结构钢 ， 其硬度和显 微组 织相 当于工具锅 。 其 冲击韧性水平与一般结构钢相 比是 很低的 。 其断裂型态 ， 通常 为 穿晶断裂 解理为主 和脆性的沿 晶断裂 。 提高这类钢的 冲击韧性的关键在于提高原奥 氏体 晶界的 结合强 度 ， 减 少沿 晶 断裂的 比 例 。 含钙钢经 预先调质处 理 ℃ 回火 后再经淬火 一 低温 回火 图 曲线 一 ， 其冲击韧性 明显 高于未 经 预 先调质 处理 的 试样 图 曲线 一 。 这个结 果难 以 归 因 于 钙 的 净化 作 用 ， 可 能是在 调 质处 理 ℃ 回 火 时 促进钙 的 晶界 偏聚 有 关 。 最佳铬含量的控制 在 微钙 钢 中 ， 当铬 含量大 于 时 ， 低 温回 火态的 冲击 韧性 随铬 含量 的增 加 而 降低 ， 如 图 所示 。 此外 ， 微钙钢的 淬透性则随铬含量的增加而显著增 加 川 俄 歇能谱分析证 实 “ 〕 ， 微钙钢 本文的 钢 的铬在奥氏体晶界有偏聚现象 偏聚比为 ， 而无钙 钢 本文的 钢 的偏聚 比则小于 。 ， 即属于 负偏聚 。 根据上 述 个实验结果的综合 分析可 以认为铬在微钙 钢奥 氏体 晶界的偏聚 ， 是显著提高淬透性及 降低淬火一 低温 回火 态 冲击韧性的主要 原 因 。 如果综 合考虑 冲击 韧性和 淬透性的要 隶 ， 合理 的铬含量应在 一 。 铜 硅含量 比的意义 铜 硅 含量 比 ， 实质上是 硅 含量 问题 。 俄歇能谱分析表 明 闹 ， 在含铜钢 中 本文的 钢 的奥 氏体 晶界 ， 未发 现 有铜 的偏聚 ， 但 有硅 的偏聚 偏聚 比 为 。 钙 促进硅 的偏聚 本文 钢 的硅 偏聚 比 增加 到 。 那 么硅 在奥 氏体 晶界的 偏聚 对低 温 回 火 的 冲击 韧性可 能产生什么影响呢 硅 在 奥 氏体 晶界的偏聚 ， 可 以提 高 晶界处 奥 氏体的稳定 性 ， 阻 止碳化物在晶界的优先析 出 ， 有可能在晶界处残 留下奥 氏体膜 ， 使晶界韧化 另一 方面 ， 硅是有效的固溶强化元素 ， 可以使晶界的奥氏体膜得到强 化 。 上述两点使 晶界强 韧 化 ， 减小沿晶 断裂的倾向 。 但是 ， 如果钢 中的硅 含量过高 ， 硅在 晶粒 内的 固溶强化也将增 强 ， 使得沿晶断裂的倾向反而增加 ， 导致冲击韧性的降低

·42· 北京科技大学学报 1993年No.1 4结论 (1)微量钙可明显改善58 CrCuV钢低温回火态的冲击韧性。经最佳工艺热处理后， 在高硬度(HRC>58)时，可获得高的冲击韧性(ak>40J/cm)。 (2)根据冲击韧性和淬透性的综合考虑，最佳的铬含量控制范围为0.95~1.25%。最 佳的铜/硅含量比约为1.5。 参考文献 1 Staronka A,Zajac M.Giesserei-Praxis,1987,21:318 2 Orgigan V S,Fedotove A B.CTam.1979,8:340 3 Reikhrt VA,Dudina T P.Crann,1989,4:182 4 Witson R K.Welding Research Supplement,1982,6:182 5陆丰，曹凤豫，李承基，张永祥，陈永刚.金属学报，1992,28(6)：A243 6曹凤豫，陆丰，李承基.钙对17Si2M2V钢低温回火态冲击韧性的影响，北京科 技大学金相教研室内部资料，1990 7陆丰.北京科技大学材料科学与工程系，硕土论文，1991

北 京 科 技 大 学 学 报 年 结 论 微 量 钙 可 明显 改 善 钢低 温 回 火 态 的 冲 击 韧性 。 经 最 佳 工 艺 热 处 理后 ， 在高硬度 时 ， 可 获得 高的 冲 击 韧性 。 根据 冲击 韧 性和淬透性的 综 合 考虑 ， 最 佳的 铬 含量控制范 围为 一 。 最 佳的 铜 硅 含量 比约 为 。 参 考 文 献 ， 一 ， ， ， 翻 ， ， ， 几 ， ， ， ， 陆 丰 ， 曹凤豫 ， 李承基 ， 张永祥 ， 陈 永刚 金属学报 ， ， 曹凤豫 ， 陆 丰 ， 李承基 钙 对 钢低 温回 火 态 冲 击韧性的 影 响 ， 北京科 技大 学金相 教研室 内部资料 ， 陆 丰 、 北京科技大学 材料科学 与工程 系 ， 硕士 论文