提高微合金化高強(qiáng)鋼低溫沖擊韌性的研究

馬 麗，駱 坤，李 斌

（1.共享裝備股份有限公司檢測(cè)中心（寧夏先進(jìn)鑄造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），寧夏 銀川 750021；2.寧夏特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，寧夏 銀川 750021）

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)油氣資源消耗的遞增和陸地原油開(kāi)采速度的加快，海洋領(lǐng)域內(nèi)的油氣勘探開(kāi)發(fā)已成為新的焦點(diǎn)。未來(lái)的15～20 年，將是我國(guó)海洋鉆井市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期[1]。變速箱殼體是近海石油設(shè)備的關(guān)鍵部位，對(duì)微合金化高強(qiáng)鋼（ASTM A148 Grade 105/85）的低溫沖擊韌性要求尤其嚴(yán)格。

微合金化高強(qiáng)鋼是在借鑒微合金化軋鋼研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。微合金化高強(qiáng)鋼可在提高鑄件強(qiáng)度和韌性的同時(shí)，保證良好的焊接、低溫和鑄造工藝性能。其強(qiáng)化措施主要來(lái)自合金組織的晶粒細(xì)化和固溶強(qiáng)化。要想獲得較高強(qiáng)度并保證其低溫沖擊韌性，首先要進(jìn)行合理的成分設(shè)計(jì)，其次選擇合適的熱處理工藝。本文以ASTM A148 Grade 105/85 材料為對(duì)象，研究了不同熱處理工藝條件下微合金化高強(qiáng)鋼的組織和力學(xué)性能，并對(duì)其進(jìn)行了分析討論。

1 試驗(yàn)材料及方法

ASTM A148 105-85 材料標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分上僅規(guī)定了P 和S 的含量，分別是ω（P）≤0.05%、ω（S）≤0.06%，對(duì)力學(xué)性能有明確的要求，見(jiàn)表1.

ASTM A148 105-85 材料的性能要求與ZG30NiCrMo 極為相似，參考ZG30NiCrMo 材料要求設(shè)計(jì)化學(xué)成分，Si、Mn 元素對(duì)鐵素體都具有較大的固溶強(qiáng)化作用，為提高鋼強(qiáng)度，設(shè)計(jì)Si、Mn 含量較ZG30NiCrMo 材料要求稍高；為增加鋼淬透性、提高鋼韌性，加入少量Cr、Ni、Mo，分別澆注了兩組不同Cr、Mo 含量的試塊進(jìn)行試驗(yàn)，試塊化學(xué)成分見(jiàn)表2.

熱處理方案確定為900 ℃、920 ℃、940 ℃分別淬火保溫4 h，600 ℃、620 ℃、640 ℃分別回火保溫4 h，熱處理后對(duì)試樣進(jìn)行精加工，將沖擊試樣加工成10 mm×10 mm×55 mm 的夏比V 型缺口沖擊試樣，拉伸試樣加工成φ10 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣。沖擊試驗(yàn)在JB30 沖擊試驗(yàn)機(jī)上按ISO 148-1：2016 進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)在CSS-44200 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上按ISO 6892-1：2016 進(jìn)行，試樣標(biāo)距為50 mm.

表2 試塊化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 結(jié)果分析與討論

2.1 化學(xué)成分對(duì)金相組織、力學(xué)性能的影響

對(duì)試樣進(jìn)行920 ℃淬火保溫4 h，620 ℃回火保溫4 h 熱處理試驗(yàn)，性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.結(jié)果表明，1# 試塊抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較好，2# 試樣抗拉強(qiáng)度接近要求下限、屈服強(qiáng)度不合格；從-20 ℃沖擊功來(lái)看，兩個(gè)樣品沖擊功僅2#達(dá)到平均值要求，其余均不和格，沖擊功整體不好。從-40 ℃沖擊功來(lái)看，均符合要求。

表3 試塊經(jīng)920 ℃淬火保溫4 h，620 ℃回火保溫4 h 后的性能結(jié)果

圖1 為試驗(yàn)鋼920 ℃淬火保溫4 h，620 ℃回火保溫4 h 的顯微組織。結(jié)果表明，兩個(gè)試樣大部分位置為保持馬氏體位向的回火索氏體，有個(gè)別位置從形貌上看像貝氏體，可能是在淬火時(shí)形成少量的下貝氏體，回火后出現(xiàn)貝氏體形貌。1#試樣的貝氏體組織較2#試樣多，但索氏體組織較2#試樣細(xì)密。

C 含量對(duì)鋼的強(qiáng)度起到重要的作用，并能保證鋼的淬透性和屈服強(qiáng)度；Mn 含量較高時(shí)，鋼有明顯的回火脆性，尤其是第一類(lèi)回火脆性嚴(yán)重；Mo 在合金鋼中一般是輔助元素，是較強(qiáng)的碳化物形成元素且能強(qiáng)烈提高鋼的淬透性，主要用在硅鋼和鉻鋼中，能有效地消除回火脆性，使之具有好的沖擊韌性；Ni 是輔助元素，主要作用是提高鋼的淬透性、韌性[2-4]。稍微提高C、Ni、Mo 的含量，提高材料的強(qiáng)度，并且Ni 的加入提高了材料的低溫沖擊韌性，略微降低Mn 的含量，Mn 含量高對(duì)沖擊性能有壞的影響。重新澆注3#試塊，化學(xué)成分見(jiàn)表4.

圖1 試驗(yàn)鋼920 ℃淬火保溫4 h，620 ℃回火保溫4 h 的顯微組織

表4 3#試塊化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 熱處理對(duì)金相組織、力學(xué)性能結(jié)果的影響

對(duì)3# 試塊進(jìn)行900 ℃、920 ℃、940 ℃淬火保溫4 h，600 ℃、620 ℃、640 ℃回火保溫4 h 熱處理試驗(yàn)，性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

對(duì)920 ℃淬火保溫4 h，620 ℃回火保溫4 h 為最佳熱處理工藝，性能結(jié)果均合格，-20 ℃、-40 ℃沖擊性能較1#試塊提高50%左右；金相組織為細(xì)密的回火索氏體組織，如圖3a）所示。

由表5 可以看出，隨著淬火溫度的升高，無(wú)論以何溫度回火，ASTM A148 Grade 105/85 材料的強(qiáng)度、塑性都有所提高，但940℃淬火低溫沖擊韌性突然下降，這是由于過(guò)高的奧氏體化溫度會(huì)引起過(guò)熱現(xiàn)象，致使馬氏體板條束粗大，如圖3b）所示，最終導(dǎo)致熱處理后低溫沖擊韌性降低，表現(xiàn)出明顯的脆化傾向。

圖3 3#試驗(yàn)鋼顯微組織

回火能使ASTM A148 Grade 105/85 材料的力學(xué)性能進(jìn)一步提高的原因是通過(guò)正火得到的索氏體中的Fe3C 片在回火的溫度下具有轉(zhuǎn)變成顆粒狀的自然趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后原來(lái)的片狀索氏體變得近似于顆粒狀的索氏體，使鋼的力學(xué)性能獲得進(jìn)一步提高。隨著回火溫度的升高抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都有一定程度的下降。淬火溫度對(duì)組織性能影響較小，回火溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度影響較大，應(yīng)該嚴(yán)格控制。

3 結(jié)論

1）針對(duì)ASTM A148 Grade 105/85 材料提高C、Ni、Mo 元素的含量，加入微量Ni 元素且略微降低Mn 元素的含量，經(jīng)920 ℃淬火620 ℃回火后，性能結(jié)果均達(dá)到指標(biāo)要求，沖擊性能提高50%左右，金相組織為均勻致密的回火索氏體組織。

2）針對(duì)ASTM A148 Grade 105/85 材料過(guò)高的奧氏體化溫度將引起過(guò)熱現(xiàn)象，致使奧氏體晶粒粗大，嚴(yán)重?fù)p害低溫沖擊韌性。

3）針對(duì)ASTM A148 Grade 105/85 材料隨著回火溫度的升高抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都有一定程度的下降，回火溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度影響較大，應(yīng)該嚴(yán)格控制。