PCrNi3MoVA鋼回火脆性相關(guān)問(wèn)題的討論

王洪剛(東北特鋼集團(tuán)北滿特鋼質(zhì)量處，黑龍江161041)

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PCrNi3MoVA鋼回火脆性相關(guān)問(wèn)題的討論

王洪剛
(東北特鋼集團(tuán)北滿特鋼質(zhì)量處，黑龍江161041)

摘要:通過(guò)對(duì)炮鋼身管材料的試驗(yàn)分析和對(duì)回火脆性相關(guān)問(wèn)題的研究討論，提出了影響回火脆性的原因及控制措施。針對(duì)鋼中化學(xué)成分元素的影響作用機(jī)理從實(shí)踐到理論進(jìn)行了分析討論。

關(guān)鍵詞:PCrNi3MoVA鋼;回火脆性;轉(zhuǎn)變溫度

1　對(duì)PCrNi3　MoVA鋼的試驗(yàn)分析

試驗(yàn)證明炮鋼身管材料經(jīng)電渣重熔后，對(duì)鋼的綜合性能有很大提高，這對(duì)于提高此鋼種的使用強(qiáng)度具有現(xiàn)實(shí)意義。為此，我們根據(jù)實(shí)際情況，選用PCrNi3MoVA鋼結(jié)合厚壁火炮身管材料進(jìn)行了回火脆性試驗(yàn)研究。

技術(shù)要求為Rp≥1 059 MPa( 105 kg/mm2) ; Z ≥20%;αk≥29 J/cm2( 3．0 kg·M/cm2) ;αk(－40℃)≥19 J/cm2( 2．0 kg·M/cm2)。結(jié)合130 mm身管進(jìn)行一輪試驗(yàn)。身管壁厚為132．5 mm，共7支，解剖2支，檢測(cè)結(jié)果見表1。

從表1兩支解剖身管可以明顯看出，其Rp、Z值均可達(dá)到1 029 MPa強(qiáng)度等級(jí)，而韌性指標(biāo)ak值偏低，尤其是回火脆性更為嚴(yán)重。為此針對(duì)減輕該鋼回火脆性傾向進(jìn)行進(jìn)一步探討。

關(guān)于低合金鋼的可逆性回火脆性現(xiàn)象早已引起人們的重視，并做了大量的研究工作。有些冶金工作者對(duì)回火脆性研究多采用階梯冷卻和等溫脆性法，測(cè)定回火脆性鋼的FATT。用SEM觀察其斷口斷裂形態(tài)，并用AES觀察晶界上析出雜質(zhì)元素和合金元素濃度來(lái)研究鋼的回火脆性。其研究結(jié)果表明，F(xiàn)ATT溫度越高，△FATT溫度增量越大，鋼的回火脆性斷裂形態(tài)均呈沿晶斷裂，其晶界上析出雜質(zhì)元素。

引起回火脆性的主要因素是以雜質(zhì)存在的P、Sb、Sn、As等作為合金元素使用的Si、Mn等脆化元素及增加脆化雜質(zhì)脆化作用的元素Ni、Cr、C等向原始奧氏體晶界可逆偏析引起的。

在產(chǎn)生回火脆性的過(guò)程中，合金元素和脆化雜質(zhì)元素向奧氏體晶界析出不是一個(gè)孤立行為，而是互相影響、相互制約的，是并存的行為。有的冶金工作者指出，奧氏體晶粒尺寸、顯微組織也是控制鋼的回火脆性的主要元素。

鑒于上述研究結(jié)果，如何使PCrNi3MoVA鋼在Rp≥1029MPa( 105kg /mm2)情況下，其回火

表1　試樣力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 1　Test results of mechanical properties of specimen

脆性傾向減少到最低程度，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到1 029 MPa強(qiáng)度等級(jí)，這是當(dāng)前研究的主要課題。為了進(jìn)一步提高該鋼的韌性，減少其回火脆性傾向，認(rèn)為在PCrNi3MoV鋼化學(xué)成分規(guī)定范圍內(nèi)，必須對(duì)某些元素進(jìn)行合理的調(diào)整，在冶煉過(guò)程中加以嚴(yán)格控制。就實(shí)際情況看，對(duì)雜質(zhì)元素Sb、Sn、As從技術(shù)管理角度尚無(wú)良好的控制措施，但對(duì)P、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、C等諸元素還是完全可以進(jìn)行合理的調(diào)整并加以嚴(yán)格控制的，并通過(guò)熱處理實(shí)現(xiàn)細(xì)化鋼的晶粒、獲得滿意的顯微組織。為此對(duì)PCrNi3MoV鋼提出以下幾點(diǎn)看法。

2　化學(xué)成分調(diào)整

P: P是引起回火脆性最主要的雜質(zhì)元素，而P在晶界脆化問(wèn)題上有許多方面和其它雜質(zhì)元素Sb、Sn、As的情況是不同的。在奧氏體化的過(guò)程中，就發(fā)生相當(dāng)程度的晶界偏析，所以在正?；鼗饡r(shí)也發(fā)生沿晶斷裂。P含量過(guò)高，不僅對(duì)渣鋼質(zhì)點(diǎn)偏析有很大的影響，同時(shí)使炸破韌性AB值也有明顯降低。國(guó)內(nèi)專家指出，調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼P(yáng)每增加0．01%，提高冷脆界23℃，增加回火脆性傾向△T50℃的沿界值40℃。國(guó)外厚壁炮鋼對(duì)于P的含量也有嚴(yán)格要求，如美、法等國(guó)厚壁炮鋼的P含量均控制在0．01%以下，尤其是高強(qiáng)度后壁火炮用鋼更是如此。

Mn、Si: Mn、Si已經(jīng)確定為脆化元素。在產(chǎn)生回火脆性的鋼中發(fā)現(xiàn)Mn，Si也向奧氏體原始晶界偏析，并促進(jìn)鋼的脆化。兩者對(duì)室溫韌性影響不大，但低溫韌性隨Mn、Si含量的增高而脆性顯著增大。降低Si含量，不僅降低回火脆性敏感性，而且也導(dǎo)致奧氏體晶粒的細(xì)化。所以Si、Mn在滿足脫氧作用的情況下，應(yīng)盡可能降低。故該鋼Mn含量在0．25%～0．35%，Si含量在0．20% ～0．30%為宜。

Ni、Cr: Ni、Cr在鋼中同時(shí)存在時(shí)對(duì)鋼的回火脆性影響更為突出。

從圖1可以看出，Ni、Cr同時(shí)存在引起的回火脆性要比這兩個(gè)元素任何一個(gè)元素單獨(dú)存在時(shí)嚴(yán)重得多。又可以看出Cr和P組合產(chǎn)生的脆性與Ni、Cr、P組合的情況相近。還可以看出Ni的轉(zhuǎn)變溫度增量反而比另兩個(gè)鋼種都小。這說(shuō)明P引起回火脆性不需要Ni的存在，但P與Cr組合引起回火脆性時(shí)卻有密切關(guān)系。所以應(yīng)控制該鋼Ni含量在3．3%～3．5%范圍，Cr含量在1．2%～1．4%范圍為宜。

圖1　0．40%C，3．5%Ni，1．7%Cr，0．05%P鋼回火脆性變化Figure 1　 Temper brittleness change of steel with 0．40%C，3．5%Ni，1．7%Cr，0．05%P

C:碳素鋼雖然含有大量脆化雜質(zhì)元素，但卻不發(fā)生回火脆性，而含雜質(zhì)元素的無(wú)碳Fe-Cr-Ni鋼卻產(chǎn)生嚴(yán)重的回火脆性傾向。所以C本身不是脆化元素，也不是引起回火脆性必要存在的元素，但是對(duì)回火脆性傾向較大的鋼會(huì)起到促進(jìn)作用。如果將引起回火脆性的必要元素Mn、Si、Cr控制在最低限，勢(shì)必降低鋼的淬透性。如何在減輕回火脆性的同時(shí)，還要確保鋼的淬透性，研究認(rèn)為C含量控制在0．36%～0．42%為宜。生產(chǎn)實(shí)踐證明，電渣鋼的脆裂傾向較小，故C含量提高到中上線是可行的。

Mo: Mo是防止產(chǎn)生回火脆性的合金元素，該鋼的Mo含量提高到上限0．40%～0．45%為宜。

V:從細(xì)化鋼的晶粒來(lái)減輕回火脆性角度認(rèn)為，V含量控制在0．15%～0．25%是可行的。美國(guó)在以175 mm炮管用鋼4330為基礎(chǔ)的回火脆化研究中指出，V含量在0．29%時(shí)，鋼的室溫、低溫韌性最佳，為0．13%時(shí)最差。

綜上分析，將PCrNi3MoVA鋼調(diào)整的化學(xué)成分列于表2中。

3　奧氏體晶粒度的影響

近幾年的研究表明，在一定條件下奧氏體晶粒度對(duì)回火脆性傾向有一定影響。國(guó)外學(xué)者Capus對(duì)此進(jìn)行了研究，對(duì)0．3% C、3．0% Ni、0．75% Cr鋼的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，其檢測(cè)結(jié)果如表3。

可以看出，在不同狀態(tài)下回火脆性敏感性低的純凈鋼，隨著奧氏體晶粒尺寸的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度稍有提高。而含有雜質(zhì)元素P的鋼在不純凈狀態(tài)下，隨著奧氏體尺寸增大，脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇增加。這表明晶粒粗大將導(dǎo)致更嚴(yán)重的回火脆性，但這種影響只在回火脆性敏感性大的鋼材中

表2　PCrNi3MoVA鋼化學(xué)成分調(diào)整結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2　The adjustment results of chemical composition of PCrNi3MoVA steel ( mass fraction，%)

表3　試樣熱處理檢測(cè)結(jié)果Table 3　Test results of heat treatment of specimen

表現(xiàn)出來(lái)。為了減輕該鋼的回火傾向，必須在調(diào)質(zhì)過(guò)程中采用快速加熱、高溫正火、低溫淬火，使其晶粒均勻細(xì)化。

4　組織的影響

試驗(yàn)證明顯微組織對(duì)回火脆性敏感性有一定影響。當(dāng)獲得M或M + B時(shí)，回火脆性敏感性小，反之回火脆性敏感性增大。均勻的低溫貝氏體組織特別是P含量高時(shí)，回火脆性增大。為此必須在上述成分調(diào)整的基礎(chǔ)上，在淬火過(guò)程中降低水溫，增加水冷時(shí)間，使身管室部位獲得大量馬氏體組織。這也是減輕回火脆性的主要措施。

5　結(jié)論

對(duì)高強(qiáng)度厚壁火炮身管材料研究表明，無(wú)論P(yáng)CrNi3MoV還是PCrNi4MoV、PCrNi4WMoV都遇到了回火脆性這一技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)鋼中P的含量高低引起了足夠重視。國(guó)外許多文獻(xiàn)指出P的危害性最大，但其它元素合理配合還沒(méi)有引起足夠重視。

作者認(rèn)為，要減輕Ni-Cr-Mo-V系列鋼的回火脆性，提高鋼的低溫韌性，不僅要降低鋼中P含量，而且還要對(duì)一些影響鋼的脆性的元素進(jìn)行合理調(diào)整。只有這樣才能生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品。

編輯李韋螢

Discussion on Related Problems of Temper Brittlement of PCrNi3MoVA Steel

Wang Honggang

Abstract:The reasons of influencing temper brittlement and control measurements are put forward by analyzing the material of the gun steel tube body though test and research and discuss on the related problems of temper brittlement．The influence mechanism of the chemical elements in steel is analyzed and discussed from practice to theory．

Key words:PCrNi3MoVA steel; temper brittlement; transition temperature

收稿日期:2014—06—16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號(hào):TG156．5