通過亞溫等溫退火解決高含量V、Nb、Ti、Al低合金結構鋼鍛件的低溫沖擊不合格問題

馮 敬 姜國建 郭 建 張 丹(.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川68000；.中廣核工程有限公司，廣東584)

1 制造過程

1.1 材料

一般低合金高強度結構鋼在工程應用中基本采用軋材，例如牌號Q345、Q390、Q420等。我廠在制造某類部件時采用Q345D，其厚度截面尺寸遠大于500 mm，按照GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》中的Q345D，其最大截面厚度為400 mm，因此未采購到相應規(guī)格的軋材，最終只能采用鍛件生產。

1.2 化學成分

在制造過程中，為提高鍛件的晶粒度，冶煉中出現(xiàn)多爐次V、Nb、Ti控制量偏高的情況。實際化學成分見表1。

按照鍛件有效截面其力學性能要求見表2。

1.3 制造工藝路線

該批鍛件首次安排的工藝路線為：鑄錠→鍛造→鍛后正回火處理→機加，但在正回火后其低溫沖擊功大大低于技術要求，強塑性指標滿足標準要求，但低溫沖擊功普遍在10 J左右，金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒度為7～9級，鐵素體基體中存在大量碳化物。由于鍛件毛坯尺寸相對過大，取試時還要去除熱緩沖區(qū)，初步認為是由于正火冷速低導致的，因此將工序調整為粗加工后調質處理，調質工藝如圖1所示。

調質后力學性能結果見表3。

表1 化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition (mass fraction,%)

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

圖1 調質工藝曲線Figure 1 Curve of quenching and tempering process

表3 調質后力學性能Table 3 Mechanical properties after quenching and tempering

在調質過程中將淬火溫度、冷卻能力、回火溫度等進行了大量的調整，結果依然是低溫沖擊性能不合格。與正回火數據比較，調質后低溫沖擊性能無明顯改善，金相組織為貝氏體，晶粒度為8～10級。

2 原因分析

眾所周知，調質處理是提高材料韌性的最佳熱處理方式，通常所說的性能熱處理基本為調質處理。其優(yōu)勢在于充分發(fā)揮合金元素的作用，經高溫回火后形成均勻的顆粒狀回火索氏體組織、細小的碳化物呈顆粒狀，均勻分布在基體中。但在本例中采用正回火處理和調質處理均未達到技術要求。將正回火和調質后的不合格沖擊試樣進行金相分析，得出：正回火組織為鐵素體+珠光體及大量的碳化物顆粒，鐵素體晶粒細小，晶粒度在7～9級之間，調質后的金相組織全部為貝氏體組織，基體組織中含有大量的微小碳化物顆粒。

從以往經驗數據對比分析，在添加微量元素V、Nb或兩者同時添加，材質Q345D鍛件采用調質處理后，完全可以滿足低溫沖擊性能要求。此批鍛件在冶煉環(huán)節(jié)中添加了較高含量的V、Nb、Ti、Al之后，調質反而不能滿足低溫沖擊性能要求，導致低溫沖擊指標惡化的原因是基體中含有較高含量的V、Nb、Ti、Al，由于V、Nb、Ti、Al與C或N結合形成了大量難溶的強碳、氮化合物顆粒，在制造過程中雖然細化了晶粒，但由于數量過多，反而容易導致在沖擊試驗中大量彌散分布的強碳化物可能成為斷裂過程中裂紋源的核心。

另外，從實測的性能數據可以看出，同時添加較高含量的V、Nb、Ti、Al對材料延伸率、斷面收縮率影響反而不大，需要進一步研究分析。

3 熱處理工藝試驗方案分析及制定

3.1 亞溫等溫球化退火

面對前期大量不合格品，為了減少損失，必須馬上找到一個行之有效的解決挽救方案。經過分析，造成低溫沖擊性能不合格的根本原因是高含量的V、Nb、Ti、Al碳氮化合物存在，必須抑制這些強碳化物元素在材料中的作用。經過分析，決定采用亞溫等溫退火。

3.2 優(yōu)點

采用亞溫等溫球化退火的優(yōu)點：

(1)避免正火冷卻不均勻產生的各種形態(tài)的鐵素體基體，如網狀鐵素體和塊狀鐵素體。

(2)經亞溫等溫球化退火可以得到均勻的鐵素體基體，緩慢冷卻過程中碳化物聚集長大，形成了較為粗大的球狀碳化物顆粒，同時可以得到粒狀珠光體組織，減少片狀珠光體的應力集中效應，有利于提高沖擊。

3.3 原因分析與工藝方案制定

根據熱處理原理，亞共析鋼進行球化退火非常難。原因是與共析鋼、過共析鋼相比，亞共析鋼含碳量較低，奧氏體中未溶碳化物數量少，球狀析出時碳的擴散距離很大，不易球化。相同含碳量的亞共析鋼與含有較高含量的V、Nb、Ti的Q345D相比，后者含有的V、Nb、Ti是碳化物的形成元素，一方面合金本身在奧氏體中的擴散激活能高，同時它們又降低碳在奧氏體中的擴散速率，所以含有較高含量的V、Nb、Ti的Q345D球化退火更加困難。根據工藝試驗驗證，制定熱處理工藝方案如圖2所示。

3.4 力學性能

經過亞溫等溫球化退火處理后，鍛件的性能全部合格，金相組織為粒狀珠光體，性能見表4。

由表4數據可見，亞溫等溫退火后所有性能指標完全滿足要求，達到了很好的預期效果，成功挽救了產品。另外，沒有經過調質處理的鍛件采用亞溫等溫球化退火時，屈服強度和低溫沖擊功相對偏低，鍛件在亞溫等溫球化退火之前增加一次預淬火，可以進一步提升材料強韌性。

圖2 制定的熱處理工藝方案圖Figure 2 Sketch of established heat treatment process

表4 亞溫等溫球化退火后的力學性能Table 4 Mechanical properties after intercritical isothermal spheroidizing annealing

4 優(yōu)化方案

根據前期制造經驗，后序生產大截面(≥500 mm)且取試要求去除熱緩沖區(qū)的鍛件，進行了化學成分控制如表5所示。經重新調整成分后，性能全部滿足標準要求。

表5 優(yōu)化后的化學成分(質量分數，%)Table 5 Optimized chemical composition (mass fraction, %)

5 結論

(1)含有較高含量的V、Nb、Ti、Al元素對Q345D鍛件低溫沖擊惡化顯著，采用正回火處理和調質處理均不能滿足低溫沖擊性能要求。

(2)對含有較高含量的V、Nb、Ti、Al的Q345D鍛件采用亞溫等溫球化退火或預淬火+亞溫等溫球化退火的熱處理方式均可使鍛件達到要求的低溫沖擊性能，其中預淬火+亞溫等溫球化退火的熱處理方式效果更優(yōu)。

(3)經過調整化學成分徹底解決了低合金高強度結構鋼的低溫沖擊性能。

[1] 劉宗昌. 珠光體轉變與退火[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[2] 夏立芳. 金屬熱處理工藝學[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1996.