無碳化物貝氏體鋼重型釬桿的生產(chǎn)與應(yīng)用

葉凌云，高鵬舉，程巨強(qiáng)，劉志學(xué)

（1、湖北嘉裕管業(yè)股份有限公司，湖北嘉魚437200；2、西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西西安710032）

1 前言

目前國內(nèi)外重型釬桿廣泛應(yīng)用的材料主要為Cr-Ni-Mo合金鋼[1]，如S64（23CrNi3Mo），SKC31（12～25Cr2Ni3Mo）、EN36（18CrNi3）、4320（20 CrNi2Mo）、SAE8620（20 CrNiMnMo）等。高鎳型的釬具用鋼是國外釬具公司滲碳重型釬桿的主要用鋼之一，主要應(yīng)用于滲碳釬桿、連接套筒等方面，由于該類鋼合金元素含有較高的鎳和鉬等元素，具有良好的強(qiáng)韌性與工藝性能，但材料價(jià)格昂貴。國內(nèi)根據(jù)國外釬鋼用鋼的特點(diǎn)，結(jié)合我國國情也相繼研制了Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V、Cr-Ni-W系的釬鋼鋼種，如22SiMnNi2CrMo、18～23CrNi3Mo、18 CrNi3MoV等和經(jīng)濟(jì)型的Si-Mn-Mo系和Si-Mn-Mo-V系等新鋼種[2]，其中的55SiMnMo主要應(yīng)用于H22、H25小型釬桿。對(duì)于滲碳重型釬桿，目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的主要鋼種為Cr-Ni-Mo系和Cr-Ni-Mo-V系等，由于該類鋼中含有較高的鎳，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格偏高，限制了重型釬鋼材料的發(fā)展。因此，如何降低重型釬桿的成本和研制一種經(jīng)濟(jì)型的高品質(zhì)釬桿用滲碳鋼，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

2 無碳化物貝氏體鋼重型釬桿的生產(chǎn)

2.1 無碳化物貝氏體釬桿材料及制備和組織及力學(xué)性能

無碳化物貝氏體釬桿材料采用Cr-Mn-Si-Mo系合金鋼，主要的合金元素為錳、硅和少量鉻鉬及微合金化元素等。鋼的冶煉采用電爐冶煉+LF+VD精煉，模鑄或連鑄，熱軋成φ65～70mm的棒料。表1根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)定的規(guī)格為φ65 mm無碳化物貝氏體釬鋼材料的力學(xué)性能。可以看出，920℃空冷、200℃低溫回火狀態(tài)無碳化物貝氏體鋼在較高強(qiáng)度的同時(shí)，具有較高的沖擊韌度值，920℃水冷、200℃低溫回火，無碳化物貝氏體鋼達(dá)到超高強(qiáng)度水平，同時(shí)具有良好的沖擊韌度值。正火熱處理的力學(xué)性能和淬火熱處理力學(xué)性能相比，強(qiáng)度差別值較小，說明無碳化物貝氏體鋼具有良好的淬透性，無論正火或淬火處理具有良好的強(qiáng)韌性配合。利用無碳化物貝氏體鋼良好的空冷淬硬性和淬透性，生產(chǎn)釬桿時(shí)，熱處理時(shí)可以用空冷（或風(fēng)冷）替代淬火熱處理，以減少產(chǎn)品熱處理變形等缺陷，熱處理工藝簡(jiǎn)單，適用于實(shí)際釬桿的生產(chǎn)。

表1 無碳化物貝氏體釬鋼材料的力學(xué)性能

圖1是無碳化物貝氏體釬鋼材料920℃奧氏體化加熱空冷和淬火（水冷）200℃回火的顯微組織。從金相和電子顯微組織并結(jié)合X衍射物相分析，可以看出，無碳化物貝氏體鋼正火低溫回火組織為板條狀（圖1a），組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，無碳化物相存在，奧氏體分布在貝氏體鐵素體板條之間（圖1b）。淬火低溫回火無碳化物貝氏體鋼的組織也呈板條狀（圖1c），組織由馬氏體和奧氏體及其少量的貝氏體組成，淬火后的組織中存在殘余奧氏體相，殘余奧氏體分布在馬氏體板條之間（圖1d）。研究表明[3]，殘余奧氏體是韌性相，組織中存在一定量的殘余奧氏體，可以阻礙裂紋的擴(kuò)展，使裂紋擴(kuò)展過程分叉或裂紋尖端由于奧氏體的變形出現(xiàn)鈍化，提高材料抵抗裂紋的擴(kuò)展能力，提高材料的韌性。

2.2 無碳化物貝氏體中空鋼及其重型釬桿的制造

高溫回火狀態(tài)的無碳化物貝氏體鋼棒料，利用熱穿-熱軋法生產(chǎn)中空鋼。無碳化物貝氏體中空鋼的制造工藝為：棒料→下料→鉆中心孔→感應(yīng)加熱→熱軋穿孔→熱軋減徑及其定徑→冷床冷卻→高溫回火→螺紋加工→滲碳及其熱處理→成品釬桿。圖2為熱穿-減徑法生產(chǎn)的無碳化物貝氏體圓形截面和多邊形截面中空鋼的宏觀形貌，可以看出，中空鋼外表面質(zhì)量良好。因此，無碳化物貝氏體釬鋼具有良好的熱加工性能。

圖1 920℃不同熱處理200℃回火組織

圖2 熱穿-熱軋法生產(chǎn)的無碳化物貝氏體中空鋼

2.3 無碳化物貝氏體鋼重型釬桿的滲碳及其熱處理工藝

2.3.1 滲碳及其熱處理工藝

確定無碳化物貝氏體重型釬桿的滲碳及其熱處理工藝如圖3所示。

圖3 無碳化物貝氏體鋼重型釬桿滲碳及其熱處理工藝

2.3.2 滲碳處理后性能及其組織觀察

表2是滲碳熱處理后無碳化物貝氏體鋼重型釬桿實(shí)體檢驗(yàn)結(jié)果。從表2可以看出，滲碳緩冷880℃空冷+200℃低溫回火，無碳化物貝氏體鋼重型釬桿表面硬度HRC為58～59，滲層碳化物和馬氏體和奧氏體級(jí)別等滿足滲碳釬桿技術(shù)要求。

表2 無碳化物貝氏體鋼重型釬桿的滲碳檢驗(yàn)結(jié)果

圖4是920℃滲碳低溫回火無碳化物貝氏體鋼重型釬桿滲層截面硬度分布。從圖可以看出，內(nèi)外滲碳層表面硬度較高，HV為687（HRC59）內(nèi)表面HV648（HRC57），心部硬度較低，HV388（HRC41），表現(xiàn)出良好的空冷淬硬性。

圖5是無碳化合物貝氏體鋼重型釬桿實(shí)體桿滲碳層組織。圖5a為滲碳桿體截面圖，從宏觀照片可以看出，內(nèi)外表面滲碳層分布均勻。圖5b為滲層組織，從圖片可以看出，滲碳層組織細(xì)小，組織為高碳馬氏體和奧氏體組織，基體組織（圖5c）經(jīng)過長時(shí)間滲碳，組織細(xì)小無過分長大，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定晶粒度等級(jí)為7～8級(jí)，基體的TEM（圖5d）顯微組織為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組織，即無碳化物貝氏體組織，殘余奧氏體分布在板條貝氏體鐵素體之上或板條之間。

圖4 920℃滲碳低溫回火無碳化物貝氏體鋼重型釬桿截面滲層硬度分布

圖5 無碳化物貝氏體鋼滲碳層釬桿組織

通過上述工藝生產(chǎn)的無碳化物貝氏體鋼重型釬鋼50余噸，生產(chǎn)的T38、T45、T51和B35等各種型號(hào)和不同規(guī)格的重型釬桿，在2008年～2009年分別在國內(nèi)和國外用戶現(xiàn)場(chǎng)使用，用戶反映良好，用無碳化物貝氏體鋼制造的重型釬桿具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

（1）無碳化物貝氏體釬鋼正火低溫回火的力學(xué)性能為σb≥1300MPa，δ5≥13%，ψ≥56%，AKU≥120J，淬火低溫回火的力學(xué)性能為σb≥1500MPa，δ5≥10%，ψ≥53%，AKU≥100J，力學(xué)性能達(dá)到Cr-Ni型滲碳鋼力學(xué)性能指標(biāo)的要求。

（2）正火低溫回火無碳化物貝氏體鋼的組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，淬火低溫回火鋼的組織由馬氏體、殘余奧氏體和無碳化物貝氏體組織組成。無碳化物貝氏體鋼釬桿具有良好的滲碳性能，滲碳后空（風(fēng)）冷，表層硬度HRC≥57，具有良好的空冷淬硬性和淬透性。

（3）用無碳化物貝氏體鋼生產(chǎn)的重型釬桿，實(shí)際應(yīng)用使用效果良好，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]胡銘，董鑫業(yè).我國釬鋼釬具工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].特殊鋼，2000，（2）.

[2]徐曙光.我國釬鋼釬具的發(fā)展與進(jìn)步[J].特殊鋼，1990，11（5）：1～7.

[3]程巨強(qiáng)，劉志學(xué)，王元輝.新型貝氏體鋼的組織和沖擊疲勞性能研究[J].材料工程，2006，12：8～10.