4130合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝淺析

文/唐軍，祁易·中車資陽機(jī)車有限公司

閥體作為我公司新領(lǐng)域開發(fā)的新產(chǎn)品，有著廣泛的市場(chǎng)前景和潛力，4130是ASTM A29標(biāo)準(zhǔn)一種合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)，廣泛應(yīng)用于制造石油閥體。閥體作為油田、油井、天然氣井系統(tǒng)中的一個(gè)重要零部件，與閥芯以及閥座密封圈一起形成密封后能夠有效承受介質(zhì)的壓力，同時(shí)閥體需適應(yīng)高寒高海拔地區(qū)環(huán)境條件，具有耐寒、耐高壓、抗凍裂實(shí)用目的。根據(jù)壓力等級(jí)不同，閥體有較高低溫沖擊性能要求，所以需要有良好的綜合機(jī)械性能，調(diào)質(zhì)處理是獲得優(yōu)良綜合機(jī)械性能的最佳熱處理途徑。本文針對(duì)4130材料特性，采用新的合金元素配比，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，提高材料淬透性，細(xì)化晶粒方式的工藝開發(fā)過程進(jìn)行了闡述。

4130材料主要參數(shù)及技術(shù)要求

⑴4130材料化學(xué)成分如表1所示。

⑵4130材料熱處理機(jī)械性能要求如表2所示。

4130材料工藝分析

4130是ASTM A29標(biāo)準(zhǔn)一種合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)，根據(jù)化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，類似國(guó)內(nèi)材料牌號(hào)30CrMo，由于機(jī)械性能中要求進(jìn)行低溫沖擊(-46℃)試驗(yàn)，必須對(duì)4130材料合金元素配比進(jìn)行調(diào)整，以提高材料淬透性，通過細(xì)化晶粒，以改善該材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

在溫度低于一個(gè)特定溫度的時(shí)候，材料沖擊功會(huì)顯著降低而呈現(xiàn)從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，這一溫度即為冷脆轉(zhuǎn)變溫度，實(shí)際上就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明鋼材的抵抗冷脆性能越高，高韌性的材料不容易發(fā)生冷脆，反之就容易發(fā)生。采用V形缺口試樣,通過系列溫度的沖擊試驗(yàn)，以沖擊吸收功、纖維斷面率的變化對(duì)4130材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行了測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，4130材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40℃至-60℃之間。如果不對(duì)材料化學(xué)成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，-46℃低溫沖擊性能無法達(dá)到技術(shù)要求。

表1 4130材料主要化學(xué)成分（%）

表2 4130材料熱處理后機(jī)械性能

4130材料熱處理工藝方案

4130材料化學(xué)成分設(shè)計(jì)

對(duì)4130材料化學(xué)成分進(jìn)行分析，4130材料是合金結(jié)構(gòu)鋼，要達(dá)到-46℃低溫沖擊性能要求，需對(duì)該材料化學(xué)成分中合金元素及其他元素含量進(jìn)行重新規(guī)定，主要從降低材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和細(xì)化晶粒入手，進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)。

元素P能提高鋼的強(qiáng)度，但使其塑性和韌性降低，特別是它使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度急劇升高，即提高了鋼的低溫脆性。元素Ni能細(xì)化鋼晶粒，增進(jìn)鋼的硬化性能，同時(shí)提高鋼的塑韌性，特別是低溫韌性。因此通過調(diào)整4130材料化學(xué)成分P和Ni的含量，來達(dá)到改善材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的目的，因此在滿足4130材料原有化學(xué)成分基礎(chǔ)上，對(duì)P和Ni進(jìn)行重新規(guī)定，具體化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表3。

4130材料熱處理工藝試制方案

4130材料熱處理試制，首先采用重新化學(xué)成分設(shè)計(jì)后的原材料，經(jīng)過鍛造成規(guī)格100mm×200mm共4件QTC試塊進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，按照ASTM-A370標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)QTC試塊性能，QTC試塊性能合格后，再進(jìn)行閥體實(shí)物熱處理，進(jìn)行實(shí)物解剖性能驗(yàn)證。

4130材料熱處理工藝試制

QTC試塊熱處理工藝

4130材料屬于亞共析鋼，臨界溫度Ac3為810℃，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+(30～ 70)℃，QTC試塊淬火采用水冷，淬火前介質(zhì)溫度≤39℃，提高材料淬透性，綜合考慮后，確定工藝為：淬火溫度為860～880℃，保溫時(shí)間為1.5～2h，水冷淬火。圖1所示回火溫度選擇650～680℃，回火時(shí)間的選擇不但要保證透燒使其組織轉(zhuǎn)變得以充分進(jìn)行，同時(shí)要盡量消除殘余應(yīng)力，回火時(shí)間定為2～2.5h，回火后采用水冷，避免產(chǎn)生二類回火脆性。

圖1 QTC試塊調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線

QTC試塊取樣位置如圖2所示，按照ASTMA370標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)加工拉伸試棒及沖擊試樣進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

QTC試塊試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)4件QTC試塊取樣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，尤其是-46℃低溫沖擊數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于技術(shù)要求，同時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率具有較好的配比，晶粒度均在7.0級(jí)以上。由此可見，對(duì)4130材料化學(xué)成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，有效提高了4130材料的淬透性，通過調(diào)質(zhì)熱處理，使晶粒得到細(xì)化，達(dá)到預(yù)期效果。

圖2 QTC試塊性能試樣取樣位置

表3 4130材料化學(xué)成分設(shè)計(jì)（%）

表4 QTC試塊性能數(shù)據(jù)

4130材料閥體實(shí)物熱處理驗(yàn)證

根據(jù)4件QTC試塊性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，決定對(duì)采用4130材料鍛造生產(chǎn)的一種閥體實(shí)物進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，并按用戶本體解剖試驗(yàn)大綱要求取樣進(jìn)行性能試驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

圖3所示閥體鍛件重約300kg，最大截面處尺寸300mm，淬火加熱裝爐采用料筐裝爐，淬火前啟動(dòng)循環(huán)冷卻攪拌系統(tǒng)，淬火前介質(zhì)溫度≤39℃，使閥體淬火具有良好淬火效果，并淬火均勻。綜合考慮后，確定工藝參數(shù)為：淬火加熱溫度為880℃，保溫時(shí)間為5～5.5h，水冷淬火。

閥體淬火后采用的高溫回火，溫度控制在650～680℃（圖4），回火后具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，同時(shí)要盡量消除殘余應(yīng)力，因此回火時(shí)間不宜過短。但從經(jīng)濟(jì)角度和組織變化等方面分析，時(shí)間也不必過長(zhǎng)，綜合考慮，回火時(shí)間定為6～6.5h，回火后采用水冷，避免產(chǎn)生二類回火脆性。

閥體熱處理完成后，從最大截面處取試片，按用戶本體解剖試驗(yàn)大綱進(jìn)行性能試棒加工，并進(jìn)行性能試驗(yàn)，具體取樣見圖5，本體解剖試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

圖3 4130材料鍛造的閥體鍛件

圖4 熱處理工藝曲線

圖5 樣本尺寸圖

表5 閥體本體解剖試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)

4130材料閥體實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

閥體實(shí)物解剖取樣位置在該閥體最大截面處，因此實(shí)物解剖取樣是從鍛件心部取樣，各取樣位置性能數(shù)據(jù)均達(dá)到技術(shù)要求值，強(qiáng)度指標(biāo)中屈服強(qiáng)度偏低，但-46℃低溫沖擊值高于技術(shù)協(xié)議要求規(guī)定值。其中6-1和7-1是與金屬纖維方向垂直的橫向沖擊值，尤其7-1是心部位置的橫向低溫沖擊值，也達(dá)到了技術(shù)要求規(guī)定值，從總體各位置性能數(shù)據(jù)看，閥體綜合機(jī)械性能較好，-46℃低溫沖擊值富余量較大，批量熱處理適當(dāng)降低回火溫度可有效提高強(qiáng)試指標(biāo)。

對(duì)實(shí)物取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，金相組織為正?；鼗鹚魇象w如圖6所示，回火后晶粒細(xì)小，依據(jù)GB/T6394《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，晶粒度可評(píng)為7.5級(jí)如圖7所示。

結(jié)束語

⑴4130材料通過對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，規(guī)定合金元素Ni含量及其他元素磷含量，以提高材料淬透性，細(xì)化晶粒度，改善材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度，大幅提高了-46℃低溫沖擊值。

圖6 金相組織500×

圖7 晶粒度100×

⑵4130材料通過對(duì)QTC試塊，閥體實(shí)物調(diào)質(zhì)熱處理工藝驗(yàn)證，機(jī)械性能試驗(yàn)均達(dá)到技術(shù)要求規(guī)定值，綜合性能良好，有效提高低溫沖擊韌性值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，對(duì)4130材料進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)，是提高其低溫沖擊值最有效，最經(jīng)濟(jì)的解決方案。