ASTM A487B鑄造曲軸材料評(píng)定的工藝改進(jìn)

張英云 閻建安 劉焊坤 衛(wèi)心宏

(太原重工鑄鍛分公司工藝材料所，山西030024)

材質(zhì)為ASTM A487B的曲軸是我公司開發(fā)的石油鉆采類設(shè)備用鑄件。該鑄造曲軸生產(chǎn)的前提條件是材料的系列評(píng)定試驗(yàn)首先要滿足技術(shù)要求，通過對(duì)性能檢驗(yàn)結(jié)果的試驗(yàn)方案進(jìn)行分析、研究和制造方案的改進(jìn)，最終確定出合理的生產(chǎn)工藝方案。

1 主要技術(shù)要求

按合同要求，曲軸的化學(xué)成分和評(píng)定試塊、基爾試棒的性能要求分別見表1和表2。評(píng)定試塊的規(guī)格及性能試棒的取樣位置見圖1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction,%)

表2 力學(xué)性能Table 2 Mechanical property

圖1 評(píng)定試塊規(guī)格Figure 1 The size of assessment test coupon

2 生產(chǎn)工藝

2.1 工藝方案

參考以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，初次試驗(yàn)時(shí)，采用未經(jīng)真空處理的鋼水首先澆注兩塊評(píng)定試塊。推算該鋼種的AC3約為830℃，因此性能熱處理采用900～910℃正火+870～880℃水淬+ 600～610℃回火。正火的主要目的是細(xì)化晶粒，因?yàn)榫Я＜?xì)小均勻，不僅可提高強(qiáng)度，而且韌性也很好。在實(shí)際熱處理時(shí)，同爐帶一塊規(guī)格如圖2所示的真空處理試塊(從報(bào)廢件上截取)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按上述工藝方案對(duì)兩種試塊進(jìn)行性能熱處理，處理后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表3，拉力試棒宏觀斷口見圖3和圖4。

圖2 真空處理試塊Figure 2 The test coupon is treated by vacuum

2.3 結(jié)果分析及改進(jìn)措施

對(duì)比表3中兩種試塊的性能數(shù)值，可以看出強(qiáng)度數(shù)值相差不大且都接近要求值，完全可以通過重新調(diào)質(zhì)降低回火溫度達(dá)到要求，而塑性指標(biāo)尤其是延伸率和低溫沖擊相差很大，根據(jù)以往類似材料的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，單單調(diào)整回火溫度不會(huì)有大的提高。且從斷口的宏觀照片(圖3)可以看出，未經(jīng)真空處理的評(píng)定試塊存在明顯夾渣。對(duì)試驗(yàn)料進(jìn)行成品分析，結(jié)果見表4。非金屬夾雜物硫化物檢驗(yàn)結(jié)果為1號(hào)試棒2.5級(jí)，試塊0.5級(jí)。組織有明顯的疏松現(xiàn)象。延伸率與化學(xué)成分、鋼水純凈度、晶粒度和組織形態(tài)有關(guān)系；低溫沖擊主要與材料的淬透能力即合金元素的種類和含量有關(guān)，合金元素Cr、Mo、Ni不僅能增加鋼的淬透性，提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，而且Cr、Mo在提高強(qiáng)度的同時(shí)一定程度上還能提高韌性；Mo還可以防止合金調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火時(shí)第二類回火脆化現(xiàn)象的發(fā)生[1]。Ni能提高鋼的低溫韌性，而S、P作為鋼種有害元素，會(huì)顯著降低鋼的塑性及低溫韌性。結(jié)合成品分析結(jié)果得出試塊的主要合金元素均處在下線水平，為更大程度地細(xì)化鑄件原始晶粒，獲得組織致密的鑄件，同時(shí)盡量降低氣體和夾雜物的不利影響，進(jìn)而提高鑄件的淬透能力，對(duì)評(píng)定試塊的制造方案進(jìn)行以下改進(jìn)：(1)采用精煉并經(jīng)真空除氣的鋼水，H≤2.0×10-6，O≤50×10-6，N≤80×10-6，S、P≤0.015(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，同時(shí)提高主要合金元素的下線含量即(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Cr 0.70～0.80，Ni 0.75～0.80，Mo 0.25～0.30。(2)在試塊的兩個(gè)側(cè)面加放外冷鐵，加大冒口，采用低溫快澆，以獲得心部的致密細(xì)晶組織。(3)性能熱處理時(shí)將回火溫度調(diào)整為580～590℃，同時(shí)淬火時(shí)加大冷卻水的循環(huán)，提高冷卻能力。

表3 初次性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 First mechanical property results

表4 試驗(yàn)料成品分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The chemical composition of test coupon (mass fraction,%)

圖3 評(píng)定試棒的拉力斷口Figure 3 The tensile fracture of assessment test bar

圖4 1號(hào)試棒的拉力斷口Figure 4 The tensile fracture of No.1 test bar

ReL/MPaRm/MPaA4(%)Z(%)Akv/J(0℃)基爾試棒1基爾試棒2評(píng)定試塊S1評(píng)定試塊S291089060563097596080080520.518.510.57.559.056.520.019.0108,99,100(-20℃)98,100,10050,46,3254,36,40

圖5 試棒 500×Figure 5 The test bar

圖6 試塊 500×Figure 6 The test coupon

2.4 第一次改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

按調(diào)整后的工藝方案重新澆注6塊評(píng)定試塊(編號(hào)為S1，S2，S3，S4，S5，S6)和1組(4根)基爾試棒。將S1，S2兩塊試塊和基爾試棒同爐進(jìn)行性能熱處理，性能檢測(cè)結(jié)果見表5。隨后對(duì)基爾試棒1和試塊S2的沖擊殘樣進(jìn)行組織分析，分析結(jié)果為試棒是回火索氏體+回火屈氏體，試塊是鐵素體+回火索氏體+貝氏體，且呈現(xiàn)明顯偏析。組織照片分別見圖5、圖6。

從表5看出，試塊的強(qiáng)度指標(biāo)已滿足要求，但延伸率還未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而基爾試棒的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。由此推斷，只要熱處理工藝選用恰當(dāng)，該材料完全能夠達(dá)到技術(shù)要求的性能指標(biāo)。

2.5 熱處理工藝的改進(jìn)

(1)工藝方案的確定

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，將熱處理工藝調(diào)整為兩次正火+調(diào)質(zhì)(870～880℃，水冷，580℃回火)。其中一次正火(920～930℃，風(fēng)冷)用以減少鑄件的成分偏析和消除原鑄造組織遺傳，使組織均勻化。隨后進(jìn)行第二次較低溫度的正火(900～910℃，風(fēng)冷)，并且適當(dāng)延長(zhǎng)奧氏體化時(shí)間(2 h/100 mm)，用以細(xì)化晶粒。

(2)試驗(yàn)結(jié)果

將S3、S4試塊按上述方案重新進(jìn)行性能熱處理，結(jié)果見表6。

表6 重新熱處理后的性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 The mechanical property result after reheat treatment

從表6數(shù)值可以看出，塑性指標(biāo)雖不合格但有所改善，強(qiáng)度指標(biāo)高出要求值約100 MPa。鋼的回火過程是碳化物不斷從馬氏體中析出、聚集和長(zhǎng)大的過程。隨著回火溫度的升高，強(qiáng)度會(huì)降低，塑性會(huì)得到改善。并且隨著高溫下回火時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物聚集長(zhǎng)大明顯，且有連接趨勢(shì)，表現(xiàn)在鋼的性能上就是強(qiáng)度、硬度降低，而延伸率提高[2]。因此對(duì)原試驗(yàn)料的剩余部分重新進(jìn)行600～610℃回火，且延長(zhǎng)保溫時(shí)間到5 h/100 mm，試驗(yàn)結(jié)果見表7。此結(jié)果完全滿足技術(shù)要求。

表7 重回火后的性能結(jié)果Table 7 The mechanical property result after retempering

3 結(jié)論

為保證合金鑄鋼最好的熱處理效果，首先從鑄鋼件源頭抓起，即鋼水一定要精煉并經(jīng)真空除氣，適當(dāng)提高主要合金元素的含量，同時(shí)降低S、P等有害元素的含量。

對(duì)于截面較大的鑄鋼試塊，為使性能熱處理后達(dá)到較高的強(qiáng)韌性組合，建議采用兩次正火處理，以獲得更均勻的組織和更細(xì)的晶粒。同時(shí)，在調(diào)質(zhì)階段，延長(zhǎng)回火保溫時(shí)間到5 h/100 mm。

材質(zhì)為ASTM A487B的鑄造曲軸，材料性能評(píng)定試驗(yàn)的理想熱處理工藝為一次正火920～930℃，風(fēng)冷；二次正火900～910℃，風(fēng)冷；淬火870～880℃，水冷，回火600～610℃，空冷。

[1] 那順桑.金屬熱處理300問[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.6.

[2] 薛傳佳，王玉輝，李窘.支撐輥用鋼疲勞壽命的研究.金屬材料研究.2007，33(1)：9-11.