S30MnH活塞桿化學(xué)成分對(duì)力學(xué)性能的影響分析

王 剛 曾 杰 高金強(qiáng) 葉成立 李 笑 方 遷

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

活塞桿作為船用柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，用S30MnH鋼生產(chǎn)。力學(xué)性能作為其質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，其穩(wěn)定性一直以來都是制造廠家的追求目標(biāo)。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，往往存在兩端強(qiáng)度差較大等問題。本文提供了先后兩批次活塞桿試樣，結(jié)合化學(xué)成分，分析影響力學(xué)性能的因素，從而探索解決力學(xué)性能差異大的方法及途徑。由于S30MnH主要控制元素只有C、Mn，同時(shí)由于C含量、C當(dāng)量對(duì)力學(xué)性能的影響最為明顯，故本文主要從C含量、C當(dāng)量兩個(gè)方面出發(fā)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 第一批次活塞桿C含量與力學(xué)性能的關(guān)系

在性能檢驗(yàn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，活塞桿兩端強(qiáng)度差異較大，見表1。兩端強(qiáng)度差異最大達(dá)到了98 MPa。

第一批次獲取了19組數(shù)據(jù)，共38個(gè)試樣樣本，分別從C偏差、C當(dāng)量角度出發(fā)，分析化學(xué)元素含量對(duì)強(qiáng)度的影響。

1.1 第一批次偏析評(píng)價(jià)

第一批次19件產(chǎn)品，兩端C含量差統(tǒng)計(jì)見表2。

對(duì)38個(gè)試樣進(jìn)行偏析程度評(píng)價(jià)，25個(gè)試樣為正偏析，占66%，13個(gè)試樣為負(fù)偏析，占34%。

表1 第一批次活塞桿兩端強(qiáng)度差Table 1 Intensity difference at bothends of first batch of piston rod

表2 化學(xué)成分均勻性統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of chemical composition uniformity

兩端C偏差≤0.03%的占42.1%，兩端C偏差≤0.04%的占47.4%。最大正偏析13.33%，最大負(fù)偏析12.90%，偏析相對(duì)較大。偏析分布情況見圖1。

圖1 第一批試樣C偏析程度分布Figure 1 Segregation distribution of C of the first batch of sample

圖2 第一批次C含量、C當(dāng)量與強(qiáng)度的關(guān)系Figure 2 Relationship between C content, C equivalent and the intensity of the first batch of sample

1.2 C含量、碳當(dāng)量與強(qiáng)度的關(guān)系

將38個(gè)試樣的成品C含量、C當(dāng)量與強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見圖2。

可以看出，盡管熔煉C在0.31%～0.32%之間，但是成品分析C含量卻在0.26%～0.35%之間，兩端最大C偏差達(dá)到了0.07%，碳當(dāng)量也分布在0.56%～0.67%這樣寬的范圍內(nèi)，說明C的偏析非常大。同時(shí)當(dāng)C含量及C當(dāng)量逐漸增大時(shí)，強(qiáng)度顯著提高。但是在C含量、C當(dāng)量相同的情況下，強(qiáng)度差異是明顯存在的。

2 第二批次活塞桿力學(xué)性能和化學(xué)成分差異

針對(duì)第一批次兩端強(qiáng)度差異較大這一情況，分析認(rèn)為鋼錠C偏析嚴(yán)重。所以在冶煉和鍛造工序均采取了一定的工藝措施，來降低工件兩端的C含量偏差和C當(dāng)量偏差，從而提高工件兩端強(qiáng)度的均勻性。為此，開展了第二批次的試驗(yàn)。

納入第二批次統(tǒng)計(jì)分析的工件有15件，兩端取試，共30個(gè)試樣。強(qiáng)度差統(tǒng)計(jì)見表3。從表3可以看出，鍛件兩端強(qiáng)度偏差不一，最大達(dá)到68 MPa，最小為22 MPa。但與第一批次相比，兩端強(qiáng)度差異明顯減小。

2.1 第二批次偏析評(píng)價(jià)

本次15件產(chǎn)品30個(gè)試樣，來自4個(gè)爐號(hào)，熔煉分析C含量在0.31%～0.32%之間。

從表3的計(jì)算看，單個(gè)取樣點(diǎn)C的最大正偏析為12.90%，最大負(fù)偏析為6.45%。偏析不大于5%的占33.33%。偏析不超過10%的占66.67%，偏析超過10%的占16.67%，與第一批次相比，偏析程度明顯減輕。第二批次C偏析分布見圖3。

表3 活塞桿兩端強(qiáng)度差統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of intensity difference at both ends of piston rod

圖3 第二批次C偏析程度分布Figure 3 Segregation distribution of C of the second batch of sample

2.2 鍛件兩端的C偏差

兩端C偏差≤0.03%的占60%，兩端C偏差≤0.04%的占86.67%，同樣說明偏析程度處于合理范圍內(nèi)。

圖4 第二批次C含量、C當(dāng)量與強(qiáng)度的關(guān)系Figure 4 Relationship between C content, C equivalent and the intensity of the second batch of sample

圖5 C偏差、C含量分布對(duì)比Figure 5 Distribution contract between C difference and C content

2.3 化學(xué)成分與強(qiáng)度的關(guān)系

同樣對(duì)第二批次試樣的C含量、C當(dāng)量對(duì)強(qiáng)度的影響情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見圖4。

從圖4可以看出，強(qiáng)度隨C含量、C當(dāng)量增加而提高，完全符合相關(guān)理論。但是在C含量或C

表4 工件兩端C偏差Table 4 C difference at both ends of workpiece

表5 兩批次強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表(單位：MPa)Table 5 Statistics table of intensity of two batch of sample

當(dāng)量相同的情況下，強(qiáng)度差依然存在，如C含量均為0.34%時(shí)，其強(qiáng)度差最大達(dá)到了78 MPa，C當(dāng)量均為0.63%時(shí)，最大強(qiáng)度差達(dá)到88 MPa，這也說明化學(xué)成分不是強(qiáng)度高低的決定性因素。

3 對(duì)比分析

3.1 兩批次C含量的對(duì)比分析

將以上兩批次試樣進(jìn)行對(duì)比分析，試樣兩端C偏差、C含量分析對(duì)比見圖5。

從圖5可看出，第二批次的兩端C偏差要好于第一批次，同時(shí)第二批次的偏析程度也要好于第一批次。

3.2 兩批次強(qiáng)度的對(duì)比分析

從表5可以看出，從最大值、最小值、平均值等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，無論是強(qiáng)度還是強(qiáng)度差，第一批次均要比第二批次離散，說明第二批次好于第一批次，但是第二批次強(qiáng)度差異依然較大。

4 討論分析

以上兩批次的分析數(shù)據(jù)，無論從C含量，C偏差、碳當(dāng)量角度出發(fā)分析，第一批次相較于第二批次，C的偏析程度要大，成品C含量分布離散，說明采取的措施有一定效果。從兩批次結(jié)果綜合來看，C的偏析與其他轉(zhuǎn)子用鋼或者壓力容器用鋼相比，偏析程度都要大[1-3]。同時(shí)，在C含量、碳當(dāng)量相同的情況下，強(qiáng)度差異也是明顯存在的。對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)造成差異的因素很多，每一批次存在的差異主要表現(xiàn)為：在煉鋼環(huán)節(jié)有澆注溫度和保溫的差異，在鍛造環(huán)節(jié)有鋼錠利用率的差異，在熱處理環(huán)節(jié)有裝入量及爐溫均勻性的差異等，這些都或多或少地影響著鍛件

強(qiáng)度的均勻性，最終造成了批次間強(qiáng)度的差異。然而鋼錠利用率及熱處理環(huán)節(jié)的裝入量，都直接關(guān)系到鍛件的成本。所以在低成本戰(zhàn)略思想的指導(dǎo)下，如何找到質(zhì)量與成本的平衡點(diǎn)，獲得既滿足標(biāo)準(zhǔn)甚至高于標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品，又具有價(jià)格競爭力的產(chǎn)品，是眾多熱加工工程技術(shù)人員探索和思考的方向。

5 結(jié)論

影響鍛件強(qiáng)度的因素眾多，鍛件要想獲得均勻的力學(xué)性能，只有從煉鋼、鍛造、熱處理三工序協(xié)同聯(lián)動(dòng)，才是最佳途徑。

[1] 蔣新亮，王濤，羅玉立. 核電半速轉(zhuǎn)軸用巨型鋼錠的生產(chǎn)過程控制及冶金質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 大型鑄鍛件，2017(4)：1-4.

[2] 羅玉立，鞠慶紅，曾杰. 燃機(jī)輪盤鍛件用30Cr2Ni4MoV鋼冶煉工藝研究及冶金質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 大型鑄鍛件，2017(2)：36-37.

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