稀土对铬钼钢高温力学性能的影响

    摘要：在ZG35CrMo中加入不同量的RE得到两个新钢种，在650℃下进行了高温拉伸性能试验。用光学显微镜和扫描电镜对其组织和断口进行的分析表明，RE可以显著提高ZG35CrMo的高温强度。

    关键词：稀土；断口；高温强度

1、引言

    石油钻机刹车鼓用钢多为铸钢，使用状态为调质态。为了提高刹车鼓（主要是工作表面）具有良好的抗热疲劳能力、耐高温蠕变性能、耐磨性能等。国内外研究表明，稀土可提高低合金钢的铸造性能[¹,²]，也可提高耐热钢的抗高温氧化性能和耐磨性^[3]、蠕变强度^[4]、抗热疲劳性能[⁵，⁶，⁸]等。同时，稀土元素能延缓合金中碳化物沿晶界析出，阻碍碳化物的篚，改变碳化物的形态与分布。在一定热处理后，稀土能够改善钢的晶界状态，强化晶界以阻碍晶界裂纹的形成和扩展。与此同时，稀土元素还可以减弱或消除由于磷等杂质元素在晶界的偏聚所引起的低合金钢可逆回火脆性^[7]，从而改善石油钻机刹车鼓的力学性能。

2、试样制备及试验方法

    在不显著降低ZG35CrMo（0#）的塑韧性的前提下，提高其高温强度和硬度，用以提高材料抵抗变形的能力和耐磨性。为此设计了两种铸钢（1#和2#），其万分见表1。在1#钢中加入RE(0.38%)，为了提高材料的热强性，在2#钢中除加入RE外还加入了一定量的钒和硼。冶炼在DZG-0.025型真空感应电炉中进行。用失蜡铸造法浇铸成φ30mm*110mm的拉抻试棒。在调质热处理后，将试棒加工成拉伸试样。

    热处理工艺（调质）为：900℃*2h，油淬+620℃*3h，空冷。拉伸试验温度为650℃，试验按GB4338-84《金属高温拉伸试验方法》，在Instron1196型拉伸试验机上进行。用Amray-1000B型扫描电镜（SEM）观察断口形貌。用4X型光学显微镜对热处理后的显微组织进行分析。金相试样经2%硝酸+2%苦味酸乙醇溶液浸蚀。

3、试验结果与分析

    表2表明RE可提高ZG35CrMo钢650℃的强度和室温硬度，但伸长率和断面收缩率都有明显下降。试样断口形貌见图1，调质态显微组织见图2。

表1  0#、1#、2#钢的成分（质量分数，%）

表2  650℃力学性能^1）及调质后室温硬度值

注：1） 3根试样平均值

    由表2可见，1#钢的高温抗拉强度比0#钢提高了20%，同时塑性（断面收缩率）降低了18%，2#钢的高温抗拉强度比0#钢提高了60%，而塑性降低了64%。从化学成分上看，1#和2#钢比0#钢的稀土、钼和硅含量都高。因为稀土元素偏聚在钢的晶界上，强化了晶界强度，加之稀土元素对材料的变质作用净化钢液，稀土还有微合金化的作用。又因为钼是α固溶体强化元素，钼能增加钢的热强性和淬透性，能降低钢的热脆性倾向。硅也是固溶体强化元素，能提高钢的热强性降低其塑韧性。所以，1#钢和2#钢的热强性及硬度比0#钢有显著提高。

    又2#钢比1#钢屈服强度提高了37%；同时塑性降低了57%。这主要是V+Nb+B共同作用的结果，另外，2#钢的稀土含量也比1#钢高。因为钒是强烈形成碳化物元素，可细化晶粒，提高材料的屈服极限，和Nb+B共同作用强化效果会更明显。

    对于刹车鼓来说，除了强度以外，塑性也是一个很重要的因素。钒对钢强度虽有正面影响，但对塑性损失太大，所以应选择不加钒的1#钢进行成分优化。

    就1#和0#钢比较，主要区别是稀土含量高了0.066%，碳含量降低了0.06%，另外，钼含量提高了0.08%。碳元素能扩大奥氏体固溶体区域，对钢的高温力学性能、热强性及松弛稳定性等都有明显影响。增加碳还能提高钢的淬透性。碳含量太高，材料的强度和硬度会增高，但塑韧性会下降，这对高温需变和高温疲劳都不利。并且，碳含量太高，碳化物相积聚过程加剧，会降低材料的热疲劳寿命；从材料加工角度来看，碳含量太高，材料焊接性能下降，加工性能也变差。所以考虑在0#钢的基础上稍降低碳含量。

    从拉伸断口形貌可见（图1），0#钢韧窝比较多，为韧性断裂，有些大的空洞为组织夹杂物脱落后留下的。1#钢断口为韧窝加少量的冰糖断口，呈沿晶断裂状态，其余断口部位剪切唇较大，呈混合断裂形貌。2#钢断口为少量韧窝加大量冰断口，有脆性断裂倾向。将1#与0#钢比较可见，1#钢断口韧窝较小，较均匀。

    ZG35CrMo调质后得到回火索氏体组织（图2），稀土含量越高，其晶粒越细小。稀土元素含量为0.108%的钢种晶粒虽细小但出现大小不均匀现象，帮ZG35CrMo中RE含量必须在适当的范围内（0.015%-0.050%），不宜过高。

    众所周知，强度和塑性是两个矛盾的方面，热强性的提高必然导致其塑韧性的下降。由于铸钢本身在铸造时常发生偏析、树枝晶及缩松和缩孔等，使得材料成分和组织性能不均匀。为了对这一方面的情况有所了解，作者对1#和0#钢种的夹杂物进行了比较，结果发现1#比0#的夹杂物小而且比较均匀，但夹杂块的连续面积较大，其原因主要是浇铸时稀土的加入使大块RE-Si-O-S夹杂物等未浮出钢液表面而残留在钢液中，引起塑韧性的下降。而1#和2·钢的冰冰断口主要是因为偏析所造成的（可以在铸造后利用扩散退火减少偏析和树枝晶，或者在热处理前进行锻造处理）。

    对1#钢成分进行优化调整，把RE含量控制在0.015%-0.050%范围内，进行中试。研制出的新钢种正在试验过程中，尚未出现龟裂等热疲劳现象。

4、结论

（1）ZG35CrMO中加入适量的稀土可以明显改善钢种的组织状况，提高钢的热强性，从而显示了稀土对钢有净化、变质和微合金化的作用。

（2）在加入稀土的同时，应避免大块RE-Si-O-S夹杂物残留在钢中，从而引起塑韧性的降低。

（3）在1#钢的基础上，RE含量优化为0.015%-0.050%进行中试，目前尚未出现龟裂等热疲劳现象。

参考文献

[1] 秦紫瑞，赵军，钟蕊 稀土复合变质处理低合金铸钢的组织与性能[J] 汽车工艺与材料，1999，（1）：21-24

[2] 宋德宏，冯毛仁，王赏 稀土元素在铸钢中的应用试验[J] 煤矿机械，1998，（8）：15-16

[3] 陈和兴，金展鹏 含N，Nb，RE耐热钢的力学性能和高温特性[J] 中国有色金属学报，1999，9（7）：25-28

[4]胥继华，路岩 稀土元素对耐热钢热强性能影响的研究[J] 金属热处理，1999（8）：1-2

[5] 郝远，等 提高3Cr24Ni7钢热疲劳性的研究[J] 巨肃工业大学学报，1997 24（1）：26-31

[6] 杨庆祥，吴浩泉，郭景海 稀土元素对热轧辊钢60CrMoMn热疲劳性能的影响[J] 钢铁，1994，29（5）：50-54

[7] 稀土在钢铁中的应用编委会 稀土在钢铁中的应用[M] 北京：机械工业出版社，1987

[8] Meyer-olbersleben F,et al.The thermal fatigue behavior of the combustor alloys IN 617 and HAYNES 230 before and frter welding[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 1999,30A(4):981-989.

(作者：徐世珍，张敏，林香祝)