残余元素对船用碳锰钢材料的影响

陈江忠

摘要：随着船舶行业向着高、精、尖方向发展，对船用轴舵系铸件的性能要求也不断提高，不仅要求铸件具有较高的强度性能，同时具有低温高韧性，以便适应不同航线区域的需求。通过对传统的船用碳锰钢铸件材料的组分中的残余元素Cr、Ni、Mo进行有效控制和利用，并通过制订合理的热处理工艺，细化了晶粒，提高了铸件材料的综合力学性能。

关键词：船用碳锰钢;残余元素;细化晶粒;热处理工艺

中图分类号：U671

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.016

1 铸件材料成分与性能分析

船用轴舵系铸件作为船体和轮机的重要零部件，在铸件材料的选择上不仅要较高的强度性能，同时为了适应不同航行区域的气候，铸件材料具有低温高韧性。考虑到铸件与钢板焊接的需要，要求铸件材料具有良好的可焊性。因此，船用轴舵系铸件在设计上往往采用船用碳锰钢材料。船用碳锰钢材料制作船用轴舵系铸件时，其材料化学成分和力学性能一般要求如下。

化学成分：C含量小于等于0.23%，Mn含量小于等于1.60%，Si含量小于等于0.60%，S含量小于等于0.030%，P含量小于等于0.030。

残余元素：Cr含量小于等于0.30%，Ni含量小于等于0.40%，Mo含量小于等于0.15%，Cu含量小于等于0.30%。

力学性能：抗拉强度Rm≥400 MPa，屈服强度≥200 MPa，伸长率45≥25%，断面收缩率Z≥40%，冲击吸收功Akv（20℃）≥27 J（平均值）。

20℃的冲击韧性值为一般航行区域的试验要求，根据不同冰区加强要求，往往需要在0℃、- 10℃、- 20℃时冲击韧性值平均值超过27J。

2 铸件材料技术特点

2.1 材料特性分析

对符合常规标准要求的化学成分进行热处理后再进行力学性能测试发现，在满足强度要求时，材料的常温冲击吸收功Akv能满足平均值大于27J，在0℃时材料的冲击吸收功Akv也基本能满足要求。但实验温度降到- 20℃时，材料的低温冲击值很低，往往在10 J以下，分析材料的金相组织可以看出，热处理后的常温金相组织为索氏体+部分珠光体。根据金相组织分析，造成材料低温韧性值低主要原因是材料化学成分的组分构成决定了在热处理过程中，完全奥氏体化时晶粒的大小无法控制在相应机械性能要求的晶粒度范围。

2.2 材料调整优化方向和措施

该材料主体元素为C、Si、Mn、S、P，其中C、Si、Mn为三大主体元素，设计上只规定上限值，但对Mn/C比值一般要求大于3。而S、P为残余有害元素，因此在冶炼时往往要求尽可能去除，C、Si、Mn元素对提高材料的强度都有积极的作用，因此含量不宜过低。但是随着该三大元素含量的升高，特别是超过一定的量后，对于材料的韧性和焊接性能都会起反作用，尤其对于材料的韧性一脆性转变影响很大。

从提高韧性的角度出发，应降低C、Si、Mn元素的含量，但是C、Si、Mn元素含量的下调会造成材料强度性能的下降，为了保证强度不受影响，通过调整部分微量合金元素来细化晶粒，从而达到提高强度的目的。常规的碳锰钢铸件材料在生产时，原材料中会含有一定量的Cr、Ni、Mo、Cu等残余元素，但是这些残余元素的含量很少（往往都在0.10%以下，特别是Cu的含量微乎其微，基本上在O.0l%以下，因此不考虑Cu的影响），对材料的机械性能影响甚微。而这些残余元素中，Cr、Mo、Ni残余含量应控制在材料规定残留范围内，同时将它的残留量控制在一定范围，不仅不会对材料的焊接性产生影响，同时还会对钢能起到细化晶粒、提高材料的综合力学性能的作用。

Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。Mo对铁素体具有固溶强化作用，同时也可提高碳化物的穩定性，结构钢中加入Mo，能提高机械性能。还可以抑制回火脆性。Mo是铁素体形成元素，易出现铁素体6相或其他脆性相而使韧性降低，与Cr、Ni结合可大大提高钢的淬透性。

在结构钢和工具钢中，Cr是中等碳化物形成元素，在所有碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高强度、高硬度、高屈服点和高耐磨性。由于它能使组织细化而又均匀分布，所以塑性、韧性也较好;Cr可使奥氏体分解速度减缓，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于马氏体形成和提高马氏体的稳定性，所以Cr钢具有优良的淬透性，且淬火变形较小。Cr与Mo结合，能使淬火钢中残余奥氏体增加，而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相，提高结构钢的强度和塑性。

Ni能强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度和不降低钢的韧性，Ni和Fe能无限固溶，扩大Fe的奥氏体区，升高A4点，降低A3点，降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高钢的淬透性，具有耐腐蚀和抗氧化能力。

根据合金元素对钢晶粒度的不同影响，同时结合船用碳锰钢焊接性及该元素在材料中的最大允许残余量，将三种残余元素控制在如下范围：Cr为0.20% - 0.30%，Mo为0.lO% -0.15%，Ni为0.20% - 0.40%。综合以上，得出优化后的碳锰钢铸件的化学成分，如表1所示。

2.3 实验结果

用优化的碳锰钢材料生产的船用轴舵系铸件，采用专门的正火+回火热处理工艺。分别在常温20℃、0℃、- IO℃、- 20℃进行取样力学性能试验，所测冲击吸收功平均值均超过了27J，如表2所示。

3 结论

综上所述，通过控制船用碳锰钢中的残余元素Cr、Ni、Mo的残余含量，可以有效提高船用碳锰钢铸件的综合力学性能，尤其是低温力学性能可以得到很好的改善。由于优化后的碳锰钢材料具有高强度、高韧性的特点，因此可以代替部分低合金钢材料使用，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[l]铸钢手册编写组.铸钢手册[M].北京：机械工业出版社.1977.

[2]中国机械工程学会铸造专业学会.铸钢手册（第2卷： 铸钢）[M].北京：机械工业出版社，2012.

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