第四节　低合金钢及其他钢材

所谓低合金钢通常认为是化学成分中添加元素的含量小于5％，降低合金元素一方面可以降低钢材成本，同时部分合金元素只需加入少量，并伴随适当的冶炼及热处理工艺就可以达到预期的性能要求。本节只介绍笔者参与研究过的相关钢材，包括低合金高强度结构钢和低合金抗磨钢，同时对高强度低导磁性的铸钢和低温铸钢的工艺做以介绍。其他钢材请读者查阅相关资料，这里不再赘述。

一、低合金高强度结构钢

所谓高强度通常是指拉伸强度σ_b≥600MPa（也有的称屈服强度，σ_0.2为300～800MPa）。这类钢多是用做机械结构件，故常被称为结构钢。此类钢材通常其含碳量较低，且具有冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其中一些牌号的钢经过淬火+回火（或称调质处理）可兼有较高的硬度，应用于有耐磨要求的高强度结构件的生产。

低合金铸钢品牌甚多，各国均有各自的钢号。美国ASTM标准国际上较通用。该标准系列中，要求拉伸强度大于617～1764MPa级的低合金铸钢就有几十个牌号。因为除C、Si、Mn、S、P元素之外，都附加有Cr、Ni、Mo之类的合金元素，要求铸件必须经热处理（正火+回火或淬火+回火）后应用。常用的35 CrNiMo铸钢的热处理工艺和性能如下。

35CrNiMo的化学成分：C 0.3％～0.35％，Si 0.3％～0.6％，Mn 0.8％～1.0％，Cr 0.6％～1.0％，Ni 0.6％～1.0％，Mo 0.4％～0.5％，S≤0.03％，P≤0.03％。其热处理工艺采用扩散退火，温度为960～930℃，保温3～4h随炉冷却。然后采用850～900℃固溶处理，保温2～4h，或按铸件壁厚1.5h/25mm计，油淬；回火温度为570～600℃，保温4h，空冷（不可炉冷以防发生回火脆性）。

经处理后钢材的屈服强度（σ_0.2）≥850MPa，断裂强度（σ_b）≥1010MPa，延伸率（δ）≥10％，断面缩小率（ψ）≥22％，布氏硬度（HB）320～340，冲击功（V形切口）> 13J。经热处理后显微组织（回火索氏体）如图2-3所示。

图2-3　铸钢35CrNiMo经热处理后的显微形貌（×250）

二、低合金抗磨钢

这里所说的低合金抗磨钢主要是与前面所述的高合金耐磨钢相区别，除了合金元素含量较低外，其热处理也有不同，以30CrMnSiMoRE为例，其化学成分为：C 0.27％～0.32％，Cr 1.1％～1.5％，Mn 1.2％～1.4％，Si 1.0％～1.4％，Mo 0.3％～0.5％，RE 0.015％。在冶炼时炉前冲入小颗粒稀土硅铁合金（含稀土约30％），占钢水重0.2％。

热处理工艺：首先进行扩散均质退火，温度940～960℃，保温3～4h；然后淬火处理，在920～890℃下保温1.5～2h，水冷（厚壁铸件按1.5h/15mm计）；最后回火处理，250～280℃，保温4h，空冷。

经热处理后钢材的抗拉断裂强度为1600～1800MPa，屈服强度为1300～1500MPa，延伸率3％～4％，冲击韧性70～80J/cm²，布氏硬度440～480。显微组织为回火马氏体。

三、高强度低导磁性钢

低导磁性钢材主要应用在电磁性材料，而高强度针对于载荷较高的环境中，因此高强度低导磁性的铸钢广泛应用在汽轮发电机的顶部重要件端环，该部件用来固定线圈绕组，避免因转子高速而甩出，故需要高强度加高塑性。防巨大离心力使环断裂，又须低导磁性，防止涡流引起转子发热而被迫停止发电。

其主要成分：C 0.4％，Mn 16％～17％，Cr 11％～12％，Ni 18％～22％，V 1.5％～2％，Ti 0.3％。钢材所采用的热加工为1150℃轧或压使之变形50％尺寸，于1000～1050℃水冷到室温；经650～700℃保温4.5h的时效强化处理。

经上述工艺后测得其性能：σ_b≥1300MPa/mm²，σ_0.2≥1100MPa/mm²，δ≥15％，ψ≥30％；测试磁导率为：（B为磁通量强度、H为磁场强度）。

四、低温铸钢

金属的低温脆性是材料选择时经常遇到的问题，以普通碳钢为例，有的铁素体钢的韧性-脆性转变温度仅为-20℃，这对于我国北方冬季来讲是常见的温度，这类钢材在该温度以下使用时，会出现韧性的突然下降。有些低温工作环境，如石油气深冷分离设备中，绝大部分的最低使用温度为-110℃，液氢生产贮运设备温度为-253℃，液氦设备工作温度为-269℃，这对低温材料提出了极高的要求。一般铁镍基和镍基合金具有较高低温韧性如ASTM标准中的A-286、Inconel718、InconelX-750等。这里仅介绍一种较常见的低温低锰铁素体型可硬化的低温铸钢A352 LCC。化学成分为：C 0.18％～0.25％，Mn 1.1％～1.2％，Si 0.6％～0.36％，S<0.04％，P<0.04％（碳由0.25％每降0.01％允许Mn升高0.04％，但Mn不可>1.4％）。铸件的热处理为水淬+回火（可以正火+回火），实测常温力学性能（淬火+回火）：σ_b为524MPa，σ_0.2为365MPa，δ为18％，ψ为29％。低温力学性能（试验温度-46℃）：对于α_k，单个试样≥16J/cm²，两个试样或三个平均值≥20J/cm²。