鍛造對30CrNi2MoV鋼在亞溫淬火下組織與性能的影響

張曉宇，許曉靜，杜東輝，劉志剛，童 浩，蔡成彬

(江蘇大學 先進制造與現(xiàn)代裝備技術工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

CrNiMoV系高淬透性高強鋼大型鍛件廣泛應用于核電、火電、冶金、石化、軍工等領域，是大型成套設備的關鍵零部件，其制造技術水平直接影響到大型成套裝備的運行壽命和運行可靠性，現(xiàn)有的制造技術水平遠不能滿足我國大型裝備發(fā)展的長壽命、高可靠迫切需求[1-2].大型鍛件必須由大型鑄錠鍛造而成，大型鑄錠在制造過程中必然存在枝晶組織等組織、成分的不均勻性.

30CrNi2MoV鋼是一種中碳合金鋼，具有高的淬透性和良好的綜合力學性能，常用于制造高強韌性的大型鍛件[3-5].盡管該鋼種有先天優(yōu)勢，但同時具有強烈的組織遺傳性，在加熱過程中產(chǎn)生的粗大奧氏體晶粒難于細化，使材料的塑性和韌性同時降低[6-8].與鑄件相比，金屬經(jīng)鍛造加工后能改善其組織結(jié)構和力學性能.鑄造組織經(jīng)鍛造方法熱加工變形后,由于金屬的變形和再結(jié)晶，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學性能[9].有關研究表明[10-13]， 在常規(guī)淬火工藝后繼續(xù)增加亞溫奧氏體化處理，鍛件的抗拉強度和沖擊韌性明顯提高[14].鍛件的組織性能與鍛造工藝有很大的關系.相對于單次鍛造，多次鍛造可通過多次鍛前加熱發(fā)生的再結(jié)晶、奧氏體相變等改善材料組織.鍛造次數(shù)不能太少但也并非越大越好，前者會導致枝晶組織得不到消除，后者會導致組織、性能方向性明顯，但會相應增加成本問題.至今為止，尚未有一種短流程方法，僅通過鍛造和后續(xù)最終處理制造即可獲得低溫沖擊韌性高、室溫強度高的30CrNi2MoV 鋼鍛件，這在一定程度上限制了30CrNi2MoV鋼件的質(zhì)量提升和制造成本下降.

本文采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀察和力學試驗等方法，研究了增加后續(xù)亞溫奧氏體化處理條件下不同鍛造態(tài)工藝對30CrNi2MoV鋼的組織與力學性能的影響.

1 試 驗

試驗采用鍛造后的30CrNi2MoV鋼，其化學成分見表1.經(jīng)測定，鍛造后的材料晶粒度為2級.試驗采用的試件尺寸為10 mm×10 mm×20 mm.

熱處理制度如下：1)奧氏體化溫度工藝，將毛坯試樣加熱到860 ℃奧氏體化，保溫6 h后再將溫度降至780 ℃，再保溫2 h,油冷淬火至室溫；2)回火工藝，奧氏體化溫度為600 ℃，保溫16 h，然后油冷至室溫.

對試樣分成3組進行不同的鍛造工藝加工.A 組為2次鐓拔鍛造工藝，B組為2次鐓拔+1次鐓粗鍛造，C組為2次鐓拔+1次鐓粗+1次拔長鍛造(即3次鐓拔工藝).然后，將鍛造后的各組試樣進行熱處理；最后，將熱處理后的試樣進行精加工.將沖擊試樣加工成l0 mm ×l0 mm ×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣，拉伸試樣加工尺寸為標準試樣.拉伸試驗在WE-300 型試驗機上按GB/T 228.1—2002[11]進行，沖擊試驗在JBn-300B 沖擊試驗機上按GB/T 229—l994[12]進行，每個狀態(tài)3個試樣取平均值.試樣經(jīng)苦味酸和硝酸酒精混合溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下觀測微觀組織，在日立 S-4300型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察斷口形貌.

表1 30CrNi2MoV鋼的成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

金屬在高溫塑性變形過程中發(fā)生動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶[13]，動態(tài)再結(jié)晶過程有助于晶粒細化，會在一定程度上改善坯料力學性能[10].圖1(a)、(b)、(c)為熱處理前后的2次鐓拔鍛造、2次鐓拔+1次鐓粗和2次鐓拔+1次鐓粗+1次拔長鍛造工藝下的晶粒分布.由圖1可以看出，圖1(b)、(c)中的晶粒尺寸明顯比圖1(a)要小，而且經(jīng)過2次鐓拔+1次鐓粗鍛造后晶粒更加均勻化，說明鍛造工藝有利于細化和均勻化晶粒，晶粒尺寸越細小，均勻性程度越高.

2.2 拉伸性能及斷口特征

材料的拉伸性能一般與材料內(nèi)部缺陷如細孔、疏松、裂紋等有關，這些缺陷嚴重影響著材料的機械性能[15].本文將分別經(jīng)過3種鍛造工藝的試樣，依次在室溫下進行拉伸實驗.通過3種不同鍛造工藝：2次鐓拔鍛造、2次鐓拔+1次鐓粗和2次鐓拔+1次鐓粗+1次拔長鍛造工藝獲得的試樣，經(jīng)過拉伸沖擊后的斷口形貌如圖2所示.

從圖2可以看出，圖2(a)有明顯裂痕缺陷，圖2(b)和2(c)中斷口處的細小韌窩較多且均勻，幾乎沒有明顯的缺陷，因此，經(jīng)過鍛造工藝后，可以有效減少鍛件內(nèi)部的疏松、裂紋等缺陷，從而提高鍛件的力學性能.具體數(shù)值列于表2.

從表2可以看出，與經(jīng)過2次鍛造的30CrNi2MoV 鋼相比，經(jīng)過后2種鍛造工藝處理后的鍛件，其抗拉強度和延伸率分別有所提高.但是相對于鐓粗+拔長鍛造工藝來說，2次鐓拔+1次鐓粗鍛造工藝的效果更加明顯，抗拉強度和延伸率分別提升了約120 MPa和2.2%.

圖1 不同鍛造態(tài)下30CrNi2MoV鋼的晶粒分布

Fig.1 Grain distribution of 30CrNi2MoV steel under different forging states: (a) two times pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one drawing + one upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one upsetting + one stretching process

圖2 30CrNi2MoV鋼的拉伸斷口形貌

Fig.2 Tensile fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one drawing + one upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one upsetting + one stretching process

表2不同鍛造態(tài)的30CrNi2MoV鋼的拉伸強度和延伸率

Table 2 Tensile strength and elongation of 30CrNi2MoV steel under different forging states

鍛造工藝抗拉強度/MPa延伸率/%A1 043.635.65B1 161.637.80C1 157.436.13

2.3 低溫沖擊性能及硬度

將分別經(jīng)過3種鍛造工藝：2次鐓拔鍛造、2次鐓拔+1次鐓粗和2次鐓拔+1次鐓粗+1次拔長的試樣分成3組，每組3個試樣，依次在-40 ℃下進行沖擊試驗，在顯微硬度儀上測量其硬度.經(jīng)沖擊試驗后斷口形貌如圖3所示，沖擊韌性和硬度大小列于表3.

從圖3看出，圖3(a)、(b)中的組織更加均勻，表面細小韌窩較多，幾乎無枝晶，從而提高鍛件的力學性能.從表3可以看出，與未經(jīng)過鍛造工藝處理的鍛件相比，經(jīng)過鍛造處理的鍛件，其硬度得到了一定程度的提高,從而提高了鍛件的耐磨性.與此同時,其沖擊韌性大幅提高，大約是原來的兩倍多.

圖3 30CrNi2MoV鋼的沖擊斷口形貌

Fig.3 Impact fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times pressing and one drawing + one upsetting process; (b) two times pressing and one drawing + one upsetting + one stretching process

這說明鍛造工藝對鋼件的沖擊韌性有一定影響，其中2次鐓拔+1次鐓粗后鍛件內(nèi)部的一些孔洞、疏松等缺陷消失，致使晶粒尺寸變小得到細化，極大提高了鍛件的力學性能，對其沖擊韌性的影響最大.但是，經(jīng)過2次鐓拔+1次鐓粗+1次拔長工藝后，沖擊韌性略有下降，這可能由于再次拔長使得鍛件內(nèi)部的枝晶等缺陷有回復的趨勢.

表3不同鍛造態(tài)30CrNi2MoV鋼的沖擊韌性和硬度

Table 3 Impact toughness and hardness of 30CrNi2MoV steel under different forging states

工藝Akv,-40 ℃/J123平均值硬度(HB)A40414040337B98110101103356C83889087375

3 結(jié) 論

1) 經(jīng)過2次鐓拔+1次鐓粗和2次鐓拔+1次鐓粗+1次拔長鍛造工藝處理后，在微觀組織方面，30CrNi2MoV鋼的晶粒尺寸變小，晶粒更加細化、均勻化.

2) 相比較未經(jīng)鍛造處理的30CrNi2MoV鋼，經(jīng)過鍛造工藝處理后，尤其是2次鐓拔+1次鐓粗鍛造工藝，其在力學性能方面得到了大幅提升,其抗拉強度和延伸率分別達到1 161.6 MPa和37.80%，大約比原來提高了120 MPa和2.2%.

3) 經(jīng)過2次鐓拔+1次鐓粗鍛造工藝處理后，在不降低其硬度的情況下，明顯提高了30CrNi2MoV鋼的沖擊韌性，從原來的40.33 J增加到103 J，幾乎為原來的2.5倍，同時耐磨性也有所提高.