铸钢成分设计及分析：探究新型高强度铸钢的力学性能

为了进行新型高强度铸钢的化学成分设计，我们查阅了国内外铸钢方面的有关资料。现将其中强度较高的具有代表性的典型牌号的成分、力学性能列入表1，以便对比分析。

根据一机部重型机械标准ZB25—1962，我国目前采用的铸钢，抗拉强度70kgf/mm²算是最高一级的^[1]，其主要合金元素为Cr-Mo系和Cr-Mn-Si系。如表1所示，国外虽有强度较高的铸钢，如美国的Grade175-145和Grade150-125，日本的SCNCrM2B，其强度均在100kgf/mm²以上，但其塑性较差，延伸率和断面收缩率分别不超过10%和30%，而且含有较高的镍。例如，SCNGrM2B含镍量为1.60%～2.00%。苏联的40XHTЛ含镍量1.50%～1.90%，且强度仅有90kgf/mm²。美国材料试验学会（ASTM）高强度铸钢中，虽只规定了硫、磷，其余成分不定，但为了保证力学性能，往往加入一定量的镍、铬、硅、锰、钼等元素。显而易见，在现有铸钢中，国内的钢种强度较低，国外虽有强度较高的牌号，但塑性较差，且含有贵重元素镍，均不宜采用。为了满足D-Q型吊钳和KPY23-210防喷器的技术要求，研制一种强度和塑性韧性都较高，并且符合我国资源情况的新型高强度铸钢，则成为摆在我们面前的重要课题。

长期以来，绝大多数调质钢的碳含量取中碳范围。合金结构钢铸钢也毫不例外地沿用这一传统碳含量。碳固然是一个提高淬透性和强度的非常有效，并且很便宜的元素。但是，当进一步提高铸钢的强度水平时，碳含量则对塑性韧性有明显的影响，转化为不利因素。为了获得高强度与大塑性韧性的配合，在能够达到所要求的强度的前提下，碳含量应尽量选得低一些。众所周知，碳含量较低的钢和碳含量较高的钢淬火回火至同一硬度时，前者有较高的塑性韧性。

对铸钢而言，除具备良好的力学性能外，还应有较好的工艺性能。热裂敏感性便是铸钢最主要的工艺性能之一。一般认为，碳对热裂形成过程有很大的影响。根据图1的数据，无论浇注温度是1550℃或1600℃，在包晶点J（≈0.18%C），钢具有最大的抗热裂性。含碳量0.18%的钢，之所以热裂倾向最小，是由于凝固范围狭小和较快地进行包晶反应（δ+液→γ），将所有溶液和δ-固溶体都耗尽，因而得到均匀的组织并迅速获得强度，故能较好地支持住收缩应力^[5]。此外，含碳低的钢有较好的焊接性，热处理过程的变形开裂倾向也较小。

综上所述，新型高强度铸钢的碳含量应在低碳范围。成分设计时，冶炼了含碳0.12%、0.18%、0.25%三组钢进行对比试验，以确定最佳的含碳量。

对淬火高温回火状态使用的高强度铸钢而言，合金元素的主要作用是：①提高淬透性；②改善力学性能；③改善工艺性能；④提高回火稳定性；⑤消除回火脆性。

锰能显著地提高钢的淬透性。与中碳合金结构相比，由于降低碳含量而损失的淬透性，必须用合金元素来补充。这里，锰就成为一个提高淬透性的主要元素。含锰钢在淬火低温回火状态，可以提高钢的塑性和韧性，起码不致降低塑性和韧性。但在淬火高温回火状态，过高的锰会使冲击值降低。为了确定最佳的锰含量范围，我们曾冶炼了锰含量1.1%～1.3%，1.3%～1.6%，1.3%～1.9%三组钢，进行试验对比。

图1 碳对热裂性及形成热裂的温度的影响^[5]

○—不平衡的液相线温度 ●—热裂形成温度 △▲钢的含锰量～0.8% □■—钢的含锰量～0.4% ▲■—浇注温度1600℃ △□—浇注温度1500℃(www.xing528.com)

表1 各国现行标准中强度较高的铸钢牌号汇总表

①标距为2英寸。

铬能提高钢的淬透性。含铬的碳化物较小，且呈圆形，从而提高钢的塑性。因此，铸钢中常用铬合金化。通常，铬含量取0.6%～0.9%，过高的含量使钢的流动性降低。

钼对提高淬透性和改善力学性能有重大贡献。并且，钼还可以消除由于铬、锰等元素而引起的回火脆性。通常用0.4%～0.5%的含量即可满足要求。

表2 试验用钢的化学成分

硅在铸钢中能够改善流动性，并能和锰配合在一起，进一步提高淬透性。在成分设计时，硅含量定为0.4%～0.7%。

钒能细化晶粒，改善钢的塑性韧性，并能显著提高回火稳定性。在成分设计时，进行了含钒与不含钒的对比试验，以确定钒在钢中的作用程度。

为了摸索出较合理的合金元素含量，在本厂100kW中频感应炉和3吨电弧炉内冶炼了几炉不同成分的钢，其化学成分见表2。第一组主要试验碳的影响，第二组主要试验锰的影响，第三组主要试验钒的影响。拉力和冲击试样均为梅花试样经热处理后加工而成。端淬试样也由梅花试样加工，按GB225—1963进行试验。现将试验结果分析如下：