船用軸鍛件低溫沖擊韌性研究

賀 歡 王浩強(qiáng) 張?zhí)K星

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

船用軸鍛件低溫沖擊韌性研究

賀 歡 王浩強(qiáng) 張?zhí)K星

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

通過(guò)試驗(yàn)研究顯微組織、S、P元素、夾雜物、晶粒度對(duì)船用軸鍛件低溫沖擊韌性的影響，提出主要從降低夾雜物含量和細(xì)化晶粒方面提高低溫沖擊韌性。

船用軸鍛件；低溫沖擊韌性；晶粒；夾雜物

船用軸鍛件是船舶的重要部件，在船舶制造中占有重要地位。隨著航運(yùn)事業(yè)的迅速發(fā)展，船舶用大鍛件尺寸日益增大，對(duì)大鍛件性能要求越來(lái)越高。

此類鍛件性能要求為抗拉強(qiáng)度Rm≥640 MPa～780 MPa， 屈服強(qiáng)度Rp0.2≥340 MPa，延伸率A5≥17%，斷面收縮率Z≥40%，沖擊功-10℃Akv≥27 J。國(guó)標(biāo)G699—1999[1]中45#鋼(850℃正火+840℃淬火+600℃回火)性能要求為Rm≥600 MPa，Rp0.2≥355 MPa，A5≥16%，Z≥40%，Aku≥39 J。對(duì)比分析此類鍛件-10℃沖擊韌性要求極高，因此提高低溫沖擊韌性是亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題之一。

1 試驗(yàn)材料

利用本廠現(xiàn)有的45#鋼余料進(jìn)行試制，煉鋼方法為VD+LB3，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試料截面尺寸為?385 mm，與實(shí)際訂貨尺寸相同。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of test material(mass fraction,%)

圖1 熱處理工藝曲線Figure 1 The curve of heat treatment process

2 顯微組織對(duì)低溫沖擊韌性的影響

2.1 小試樣熱處理試驗(yàn)

在熱處理模擬爐中進(jìn)行不同淬火溫度的調(diào)質(zhì)模擬試驗(yàn)，為制定熱處理工藝提供參考。方案1：淬火溫度T為770℃，回火溫度均為630℃。方案2：淬火溫度T為850℃，回火溫度均為630℃。熱處理工藝曲線如圖1所示。拉伸試樣尺寸為?20 mm×120 mm的圓柱形試樣，在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊韌性試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口試樣，試驗(yàn)溫度為-10℃，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同調(diào)質(zhì)溫度熱處理后的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties after heat treatments at different quenching and tempering temperatures

表3 不同冷卻方式的沖擊韌性值Table 3 Impact toughness in different cooling methods

表4 不同冷卻方式的顯微組織Table 4 Microstructure in different cooling methods

表5 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of non-metallic inclusion

表6 不同冷卻方式的晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of grain size in different cooling methods

從表2可以看出，隨著淬火溫度的增加，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大。這是因?yàn)榇慊饻囟炔捎?70℃時(shí)，為略低于AC3(785℃)點(diǎn)的亞溫淬火，較淬火溫度為850℃相比，組織中大部分為馬氏體硬相，但可能保留一部分韌性鐵素體相，降低鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，甚至有可能使鋼的沖擊韌性略有提高[2]。從表2可以看出，雖兩種淬火加熱溫度均可以滿足-10℃Akv≥27 J的要求，但采用亞溫淬火對(duì)提高沖擊韌性效果不佳。因此船用軸鍛件應(yīng)采用能得到較高強(qiáng)度的850℃調(diào)質(zhì)熱處理。

2.2 大截面鍛件的模擬試驗(yàn)

小試樣雖然滿足力學(xué)性能要求，在相同的熱處理方式下模擬件可能會(huì)因?yàn)榻孛娉叽巛^大(?385 mm)限制冷卻速度從而影響低溫沖擊性能，因此設(shè)計(jì)兩種不同冷速的調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。淬火溫度為850℃，回火溫度為630℃，冷卻方式1：采用雙液淬火，水冷5 min+油冷120 min～140 min；冷卻方式2：水冷60 min～80 min，取樣位置為距表面80 mm。不同冷卻方式的沖擊韌性值見(jiàn)表3。

從表3可以看出，兩種不同冷卻速度冷卻的模擬件強(qiáng)度均能滿足要求，但低溫沖擊韌性均達(dá)不到-10℃Akv≥27 J的要求。水冷60 min～80 min的模擬件較水冷5 min+油冷120 min～140 min的模擬件沖擊韌性沒(méi)有得到明顯提高。結(jié)合金相組織，在兩種不同的冷卻方式下組織均為珠光體+鐵素體，局部存在少量貝氏體組織，如表4所示。

3 S、P元素和夾雜物對(duì)低溫沖擊韌性的影響

本試驗(yàn)料S、P含量均較低，S元素含量為0.002%，P元素含量為0.004%，可見(jiàn)S、P并不是導(dǎo)致低溫沖擊韌性低的原因。

對(duì)不同冷卻速度的模擬件距表面80 mm進(jìn)行了夾雜物測(cè)定，結(jié)果如表5所示。A類、B類、D類夾雜物均為0.5級(jí)，而C類(硅酸鹽類)級(jí)別較高。A、B、D類夾雜物含量均很低，鋼中的S元素含量也較低，可見(jiàn)S元素并不是導(dǎo)致低溫沖擊韌性不合格的原因。C類夾雜物含量較高，最高達(dá)到2.5級(jí)，對(duì)比用戶提供的韓國(guó)合格鍛件，夾雜物較高，這可能與澆注系統(tǒng)潔凈度低有關(guān)。這類夾雜物破壞金屬的延續(xù)性，降低鋼的強(qiáng)度和塑韌性，尤其在低溫的情況下，鋼脆性增強(qiáng)。因此C類夾雜物含量高有可能是導(dǎo)致低溫沖擊韌性不合格的重要原因之一。

4 晶粒度對(duì)低溫沖擊韌性的影響

為了探索晶粒度對(duì)此類鍛件低溫沖擊韌性的影響，對(duì)兩種冷卻速度的試制件距表面80 mm位置進(jìn)行了晶粒度檢驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

從表5可以看出，晶粒度級(jí)別為5～6級(jí)。細(xì)化晶粒是四種強(qiáng)化機(jī)制中唯一提高強(qiáng)度而又增加韌性的強(qiáng)化機(jī)制，晶粒越細(xì)，晶界越多，裂紋擴(kuò)展阻力越大，沖擊功就越高。因此，一方面可以加入細(xì)化晶粒的元素，另一方面可以通過(guò)控制鍛造溫度得到均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，還可以控制熱處理的溫度細(xì)化組織，從而達(dá)到既保證強(qiáng)度又能提高低溫韌性的目的。

5 結(jié)論

影響45#鋼低溫沖擊性能的主要因素有化學(xué)成分、晶粒度、顯微組織和夾雜物等[3]。

(1)化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)：C雖然能提高產(chǎn)品的強(qiáng)度但對(duì)低溫沖擊韌性不利，因此最好在保證碳當(dāng)量的前提下降低碳元素的含量。Mn不但能起到固溶強(qiáng)化的作用，而且能通過(guò)細(xì)化晶粒提高低溫沖擊性能，因此可以適當(dāng)提高M(jìn)n的含量。

(2)金相組織：大截面模擬件的金相組織均為珠光體+鐵素體，低溫沖擊韌性較差，可以設(shè)法細(xì)化組織提高低溫沖擊韌性。

(3)夾雜物等級(jí)：鋼中夾雜物含量越少，分布越均勻，低溫沖擊韌性越好。此鋼中C類夾雜物含量較高，可能是影響低溫沖擊韌性的一個(gè)重要因素，因此要設(shè)法降低夾雜物含量。

(4)晶粒度級(jí)別：鋼的晶粒度級(jí)別越高，晶界越多，裂紋擴(kuò)展阻力越大，低溫沖擊功越大。因此要盡可能細(xì)化晶粒，除加入細(xì)化晶粒的元素外，還可控制鍛造溫度和采用適當(dāng)?shù)臒崽幚韰?shù)。

因此，為了提高低溫沖擊韌性，主要應(yīng)從降低夾雜物含量和細(xì)化晶粒角度考慮并做進(jìn)一步研究。

[1] GB/T699—1999.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].1999.

[2] 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000：295-300.

[3] 楊建維,劉軍會(huì),耿兆明.Q345D鋼低溫沖擊功不合格的分析和改進(jìn)[J]. 河北冶 金,2011.5.55-56.

編輯 杜青泉

Research on the Low Temperature Impact Toughness of Marine Shaft Forgings

HeHuan,WangHaoqiang,ZhangSuxing

The influence of microstructure, S,P elements, inclusion and grain size on the low temperature impact toughness of marine shaft forging is researched by test. The low temperature impact toughness can be improved by reducing inclusion contents and refining grains.

marine shaft forging; low temperature impact toughness; grain; inclusion

2013—12—09

賀歡(1986—)，女，助理工程師，碩士，主要從事大型鍛件熱處理工藝研究。

TG113.25+4

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