20Mn水電鍛件低溫沖擊功波動研究

王月喬 李 其 沈賢莉

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

低溫沖擊韌性是材料在低溫下使用的重要力學(xué)性能指標(biāo)，主要表征材料在低溫情況下抵抗沖擊載荷的能力，關(guān)系到設(shè)備的使用安全[1]。低溫沖擊值與材料的化學(xué)成分、微觀組織、非金屬夾雜物等諸多因素相關(guān)，在低溫沖擊試驗中，容易出現(xiàn)沖擊值的波動甚至不合格現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，給生產(chǎn)企業(yè)造成重大經(jīng)濟損失[2-4]。20Mn屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，一般采用正回火處理，某20Mn水電鍛件性能熱處理后在0℃進行低溫沖擊試驗，其沖擊功出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象，其中最低為20 J，最高有120 J。為明確沖擊功異常波動的原因，提供解決沖擊功波動的工藝方法，根據(jù)其化學(xué)成分、金相組織等試驗分析結(jié)果，開展系列工藝試驗，研究改善和消除20Mn沖擊功波動的方法。

1 沖擊功波動原因分析

為明確沖擊功波動原因，首先對鍛件試料的化學(xué)成分進行了分析，分析結(jié)果見表1，滿足技術(shù)要求。分別對低沖擊功試樣和高沖擊功試樣進行金相組織對比分析(見圖1)，兩種沖擊值試樣的組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體+少量魏氏組織，且兩種試樣都存在一定程度的偏析。在低沖擊功試樣中，偏析區(qū)的鐵素體網(wǎng)尺寸較大，按照鐵素體網(wǎng)進行晶粒度評級為2.0～3.0級；在高沖擊功試樣中，偏析區(qū)中鐵素體網(wǎng)的尺寸較小，按照鐵素體網(wǎng)尺寸進行晶粒度評級約為5.0級。因此，從金相組織初步判定，引起20Mn水電鍛件沖擊功波動的內(nèi)因是偏析區(qū)中鐵素體網(wǎng)尺寸不一致，低沖擊功試樣偏析區(qū)中的鐵素體網(wǎng)尺寸大，高沖擊功試樣偏析區(qū)中鐵素體網(wǎng)尺寸小。

2 試驗方案

采用EDS對偏析區(qū)和非偏析區(qū)進行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表2。從表2看到，偏析區(qū)中主要是C、Si、Mn和Cr的偏析，C和Mn屬于奧氏體穩(wěn)定性元素，Si固溶在鐵素體中降低材料塑性和韌性，促使鐵素體晶粒粗化，Cr與C形成碳化物，降低C的擴散速度，延緩組織的平衡轉(zhuǎn)變時間，因此在20Mn偏析區(qū)中的組織為先共析鐵素體和貝氏體組織為主，只有極少量的珠光體。根據(jù)上述分析結(jié)果，擬通過對20Mn鍛件材料進行等溫退火預(yù)處理+正回火試驗和降低正火的奧氏體化溫度兩種工藝試驗，探討實現(xiàn)偏析區(qū)中鐵素體網(wǎng)的細(xì)化和平衡組織的轉(zhuǎn)變、提高組織均勻性與沖擊韌性的可行性。

表1 鍛件試料區(qū)化學(xué)成分測試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Test result of chemical composition of forgings in test coupon zone (Mass, %)

(a)低沖擊功試樣

(b)高沖擊功試樣圖1 低沖擊功試樣與高沖擊功試樣金相組織對比Figure 1 Contrast of metallographic structure between the low impact power specimen and the high impact power specimen

采樣位置CSiMnCr非偏析區(qū)偏析區(qū)5.289.25-0.481.141.410.210.31

3 結(jié)果與討論

3.1 等溫退火預(yù)處理+正回火試驗

將低沖擊功試樣和高沖擊功試樣以及在鍛件沖擊試樣試料區(qū)切取30 mm×30 mm×280 mm的試塊一起加熱至910℃，保溫4 h，爐冷至650℃，等溫8 h處理后，2個沖擊試樣的金相組織見圖2。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，無論低沖擊功試樣還是高沖擊功試樣，試樣組織均為鐵素體+珠光體組織，鐵素體晶粒度都得到很大程度的細(xì)化，達到7.0級以上。但是，兩種沖擊功試樣的珠光體組織分布和尺寸還存在一定程度的不均勻性，表明試驗材料微觀成分仍然存在一定的波動。主要原因是預(yù)處理的奧氏體溫度較低，碳化物擴散效果不明顯。

(a)19 J低沖擊功試樣

(b)118 J高沖擊功試樣圖2 兩種試樣經(jīng)過等溫8 h處理后的金相組織Figure 2 Metallographic structure of two specimens after 8 hours isothermal treatment

將經(jīng)過預(yù)處理的試塊加熱至910℃，按照鍛件正火時試料區(qū)的數(shù)值模擬冷卻速度進行冷卻，冷卻速度見圖3，冷卻后在615±10℃進行回火處理，處理后進行常溫拉伸和0℃沖擊試驗，試驗結(jié)果見表3。從實驗結(jié)果上看，經(jīng)過等溫預(yù)備熱處理+正回火處理后，0℃的沖擊試驗結(jié)果雖然滿足技術(shù)要求，但是仍然存在一定程度的波動，通過對66 J沖擊試樣的組織分析發(fā)現(xiàn)，組織中依然存在偏析區(qū)，偏析區(qū)中的鐵素網(wǎng)尺寸仍然較大。這是由于20Mn鋼中沒有合金元素，無法釘扎晶界，阻止晶粒在高溫時的長大，偏析區(qū)中由于C、Mn等元素的偏析，正火過程中無法像正常區(qū)一樣轉(zhuǎn)變成為鐵素體和珠光體進行組織細(xì)化，而是沿原奧氏體晶界析出先共析鐵素體后，直接轉(zhuǎn)變成貝氏體，從而引起沖擊韌性的波動。等溫預(yù)備熱處理+正回火后低沖擊功試樣的金相組織見圖4。

圖3 鍛件試料區(qū)冷卻速度數(shù)值模擬結(jié)果Figure 3 Numerical simulation result of cooling rate of forgings at test coupon zone

編號Rp0.2MPaRmMPaA%Z%0℃KV2J技術(shù)要求12≥265355352≥515537533≥212931≥357475≥3075、110、156117、105、66

3.2 調(diào)整正火溫度試驗

試驗結(jié)果表明，正火溫度偏高導(dǎo)致偏析區(qū)中的晶粒過度長大，因此為減少偏析區(qū)中的晶粒長大傾向，決定降低奧氏體化溫度進行試驗，奧氏體化溫度降低為840℃、860℃和880℃，仍然采用與上述相同規(guī)格的試塊和冷卻速度進行試驗，試驗后的力學(xué)性能測試結(jié)果見表4。從表4看到，奧氏體化溫度降低后，試樣0℃的沖擊值波動明顯減小，但840℃和860℃的強度略低于技術(shù)要求，880℃的力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。不同奧氏體化處理后試樣的金相組織見圖5。從圖5看到，840℃、860℃和880℃正火處理的試樣，組織均為鐵素體+珠光體，組織均勻，鐵素體晶粒尺寸細(xì)小。而900℃奧氏體化的試樣，組織為鐵素體+珠光體+貝氏體+少量魏氏組織。組織中貝氏體區(qū)域的鐵素體網(wǎng)尺寸較大，組織均勻性較差。

表4 降低正火溫度的力學(xué)性能測試結(jié)果Table 4 Mechanical property test result after reducing normalizing temperature

(a)840℃(b)860℃(c)880℃(d)900℃

圖5 不同正火溫度處理后的金相組織(100×)
Figure 5 Metallographic structure after treatment by different normalizing temperature (100×)

降低正火溫度后，20Mn的晶粒長大傾向減小，奧氏體穩(wěn)定性降低，因此鐵素體晶粒尺寸細(xì)，轉(zhuǎn)變主要集中在高溫階段的平衡轉(zhuǎn)變，因此降低正火溫度后試塊的強度降低，另一方面由于奧氏體穩(wěn)定性的降低，在偏析區(qū)中發(fā)生了平衡轉(zhuǎn)變，未觀察到貝氏組織和貝氏體組織中的鐵素體網(wǎng)，從而使得沖擊韌性均勻性提高。

4 結(jié)論

(1)20Mn水電鍛件沖擊韌性波動的原因是由于微觀成分不均勻，形成粗大的鐵素體網(wǎng)造成的。

(2)適當(dāng)降低正火溫度是細(xì)化鐵素體網(wǎng)的有效途徑。

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