調(diào)質(zhì)45#鋼沖擊值不合格的工藝改進

文/李波，周鵬·中車資陽機車有限公司

我公司生產(chǎn)的大型船用連桿毛坯，以正火處理為中間熱處理工藝，以調(diào)質(zhì)為最終熱處理工藝。考慮經(jīng)濟性，直接采用亞溫淬火高溫回火工藝，在保證45#鋼強度和硬度的同時，對于調(diào)質(zhì)后已出現(xiàn)沖擊值較低的產(chǎn)品，采用調(diào)質(zhì)后追加一道亞溫淬火高溫回火工藝即可解決。

連桿是柴油機上的關(guān)鍵傳動件，它將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，因此要求其具有良好的綜合力學(xué)性能。我公司鍛造生產(chǎn)的一種大型船用發(fā)動機連桿，材質(zhì)為45#鋼，交貨狀態(tài)為熱處理調(diào)質(zhì)，鍛件單重149kg，桿身橫截面半徑為90mm，是我公司生產(chǎn)同材質(zhì)鍛件單重最重的船用連桿，調(diào)質(zhì)后達(dá)到的技術(shù)要求見表1。

針對該連桿，我公司采用熱軋棒料鋸床下料，1.5t自由鍛一火出坯，16t模鍛一火成形，經(jīng)熱處理后進行性能/金相檢測，合格后發(fā)貨。具體流程為：下料→出坯→檢查→模鍛→切邊、沖小頭孔→檢查→拋丸/打磨/探傷→機加大頭孔→熱處理→打標(biāo)記/硬度檢測→拋丸/打磨/探傷→船檢→冷校正→去應(yīng)力回火→拋丸/稱重→檢查→防銹→包裝→發(fā)貨。

熱處理設(shè)備采用500kW高溫電爐，該設(shè)備配備4只S形熱電偶，爐溫均勻性達(dá)到±10℃；熱處理裝爐方式采用連桿大小頭統(tǒng)一側(cè)立擺放于臺車上，裝爐量為21支/每爐；采用的熱處理工藝為：正火為預(yù)備熱處理，調(diào)質(zhì)為最終熱處理；淬火介質(zhì)為清水，淬火池中設(shè)有循環(huán)攪拌設(shè)備，控制每支連桿冷卻時水溫在40℃以下；淬火冷卻方式為：桿身垂直且保證大頭先入水；熱處理后，在實物桿身R/2處、大頭1/4厚度處分別取樣進行機械性能、金相檢測。

表1 45#鋼船用連桿調(diào)質(zhì)后的技術(shù)要求

問題提出

在批量生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)個別化學(xué)成分中含碳量居于上限的連桿容易出現(xiàn)強度/硬度居高不下、沖擊值極低的現(xiàn)象，經(jīng)提高溫度返工回火或延長回火保溫時間后，仍無明顯效果。現(xiàn)把具有代表性的五爐不同熔煉爐號的連桿（A/B/C/D/E）進行對比分析，具體數(shù)值見表2。

表2 正常調(diào)質(zhì)及返工回火的機械性能值統(tǒng)計

原因分析

機械性能分析

從表2可以看出，五爐連桿抗拉強度均接近上限，而沖擊值極低，其中兩爐在提高回火溫度返工熱處理后，沖擊值雖略有提高，但仍與規(guī)定值相差甚遠(yuǎn)，可以排除與回火溫度有關(guān)。五爐連桿規(guī)定強度都很高，可以間接反映連桿淬火后硬度值較高，故回火后硬度值也接近上限，且每爐連桿淬火前后都進行水溫測試，并嚴(yán)格控制在淬火冷卻前水溫≤40℃的范圍內(nèi)。通過二者可以排除與淬火介質(zhì)（清水）有關(guān)。部分爐次連桿三個沖擊值波動性極大，間接說明熱處理后晶粒沒有細(xì)化，組織不均勻。

化學(xué)成分分析

45#鋼要求碳元素的含量在0.42%～0.50%之間，錳元素的含量在0.50%～0.80%之間。由于檢測條件的限制，只檢測出了此批船用連桿的碳、錳含量，從表3可以看出，A、B兩爐的碳含量接近45#鋼規(guī)定的上限，而錳含量≤0.60%；C、D兩爐的碳含量居于45#鋼規(guī)定的中限，而錳含量＜0.60%；E爐的碳含量接近45#鋼規(guī)定的上限，而錳含量最高，達(dá)到0.71%。

金相組織分析

對中A、B兩爐的鍛件進行840℃水淬＋630℃回火，分析表1中這兩爐的金相組織。鋼的顯微組織決定其機械性能，由圖1、圖2可以看出：A、B兩爐船用連桿金相組織都以大量珠光體為主，含少量鐵素體組織，導(dǎo)致強度居高沖擊值極低，因為鐵素體含量越低則沖擊值越低。

圖1 A連桿金相組織500×

圖2 B連桿金相組織500×

表3 五爐產(chǎn)品化學(xué)成分含量

綜合分析

結(jié)合連桿機械性能、材料化學(xué)成分、金相組織綜合分析：這五爐連桿出現(xiàn)沖擊值極低的現(xiàn)象，與化學(xué)成分中高的含碳量及低的含錳量密不可分。碳含量的增加勢必增加珠光體含量，從而提高產(chǎn)品強度和硬度，降低沖擊值；此外，碳在鋼中的主要作用就是提高屈服點和屈服強度，因此使鋼的塑性和沖擊性降低；由于含碳量高，Ac3點降低，存在馬鞍形的異常下降現(xiàn)象，此時仍采用常規(guī)淬火，鍛件抗回火性較好，即使提高回火溫度和延長回火保溫時間，也無法降低強度、硬度，提高其沖擊值，回歸分析結(jié)果與實際吻合；而錳含量高則強烈提高淬透性，對強度和韌性都有提高作用，而錳含量不足0.60%則對尺寸較大的連桿淬透性沒有明顯提高作用。

表4 調(diào)整熱處理參數(shù)后五爐船用連桿的機械性能

解決方案

介于此批連桿較高的含碳量、較低的含錳量，連桿常用840℃水淬后，基體組織中鐵素體含量低，結(jié)果強度高、沖擊值低（見表1）。提高沖擊值是挽救此批船用連桿的唯一辦法，利用珠光體相變規(guī)律調(diào)整熱處理工藝，在淬火介質(zhì)采用清水的條件下，降低淬火加熱溫度和奧氏體的過冷度，減小珠光體的成核率和長大速度，最終減少珠光體量而增加鐵素體量，以達(dá)到提高沖擊值的目的。中碳鋼的亞溫淬火，由于能得到極細(xì)的奧氏體晶粒，并使磷等有害雜質(zhì)集中于少量游離分散的鐵素體晶粒中，可以提高鋼的缺口韌性，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，減小回火脆性等。最佳亞溫淬火溫度以接近上相變點為宜，45#鋼Ac3溫度為780℃，最優(yōu)溫度選擇為770～780℃。若從低溫加熱升溫進入臨界區(qū)，則鐵素體是未溶解完了的，呈細(xì)小而均勻的分布，對提高韌性有更良好的作用，所以亞溫淬火時以升溫進入臨界區(qū)的效果較好，在緊接著表1常規(guī)調(diào)質(zhì)后進行一道亞溫淬火高溫回火工藝，具體數(shù)值見表4。

從調(diào)整參數(shù)后得到的試驗結(jié)果以及金相組織照片（圖3、4）綜合分析：經(jīng)過亞溫淬火后，鐵素體呈細(xì)小粒狀及針狀均勻分布在基體組織上，含量增多；由于亞溫淬火是在鐵素體和奧氏體兩相區(qū)加熱，相對于調(diào)質(zhì)處理加熱溫度低，晶粒長大傾向較小，組織晶粒較細(xì)小。所得機械性能也反映出抗拉強度及規(guī)定強度都明顯降低，而沖擊值則極大地提升，已完全達(dá)到技術(shù)要求。

圖3 A連桿金相組織500×

圖4 B連桿金相組織500×

結(jié)束語

此批連桿化學(xué)成分中較高的碳、較低的錳是造成調(diào)質(zhì)后抗拉強度高、沖擊值極低的主要原因。針對此批連桿原材料特點，降低連桿淬火溫度，能顯著改善其韌性，提高沖擊值，其中尤其以常規(guī)調(diào)質(zhì)后進行的亞溫淬火、回火工藝為最佳。