A514Q 海工鍛件產(chǎn)品研究

文/閆士超，郭金玲·太原重工鍛造分公司大型鍛件研究所

材料ASTM A514Q 為海洋工程用鋼，主要用于自升式海洋鉆井平臺(tái)齒條的制作。近年來隨著我國海上平臺(tái)快速發(fā)展，海工產(chǎn)品需求量持續(xù)增加，因其具有良好的抗海水腐蝕性，良好的沖擊韌性和高強(qiáng)剛度，以及生產(chǎn)和技術(shù)的不斷發(fā)展，這些海洋工程設(shè)備也逐漸向大型化、深水化方向發(fā)展、建造這些海洋工程裝備所需要的強(qiáng)度等級(jí)、韌性等級(jí)及厚度、尺寸精度要求不斷提高，同時(shí)涉及到船用產(chǎn)品，船級(jí)社需見證相關(guān)生產(chǎn)工序、檢驗(yàn)等，我方保證鍛件質(zhì)量的同時(shí)，合理有效的安排生產(chǎn)工序，節(jié)省相關(guān)驗(yàn)船費(fèi)用，提高產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)都是項(xiàng)目所要達(dá)到的創(chuàng)新點(diǎn)。

主要研究攻關(guān)的內(nèi)容

ASTM A514Q 屬于適用于焊接的高屈服強(qiáng)度淬火加回火鋼，引用標(biāo)準(zhǔn)中《ASTM A514 Grade Q》中只有相關(guān)150mm 板的相關(guān)要求，鍛件生產(chǎn)工藝需進(jìn)一步穩(wěn)定，優(yōu)化調(diào)質(zhì)工藝；在驗(yàn)船見證過程中，產(chǎn)品生產(chǎn)流程控制無法保證準(zhǔn)確性，在生產(chǎn)見證過程中周期長，保證如何能高效、有效的生產(chǎn)鍛件是此次技術(shù)改進(jìn)需要解決的問題。鍛件力學(xué)性能要求較為嚴(yán)格，同時(shí)參照標(biāo)準(zhǔn)也來自于《ASTM A514 Grade Q》中相關(guān)鋼板標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)鍛件與鋼板的差別，所以對(duì)熱處理調(diào)質(zhì)有著更嚴(yán)格的要求。

主要研究攻關(guān)方案

按《ASTM A514 Grade Q》及《材料與焊接規(guī)范》，同時(shí)依據(jù)CCS 要求原材料廠家也取得CCS 工廠認(rèn)證資質(zhì)，我方使用原材料為太鋼所生產(chǎn)。材料成分分析檢驗(yàn)均符合用戶要求（表1、表2），同時(shí)符合我廠內(nèi)控要求。調(diào)質(zhì)處理力學(xué)性能，按JB/T 5000.8-2007 Ⅳ組驗(yàn)收見表3。

生產(chǎn)工藝確定

鍛造工藝確定，由于焊評(píng)試板結(jié)構(gòu)較為簡單，所以在鍛造工藝方面只需考慮CCS中對(duì)零件取樣數(shù)量、取樣位置及試樣規(guī)格的要求。圖1為我方生產(chǎn)鍛造工藝卡。

表1 低倍檢測(cè)結(jié)果

表2 高倍檢測(cè)結(jié)果

表3 ASTM A514Q 基本指標(biāo)

在部分鍛件自檢試樣區(qū)，調(diào)質(zhì)后待自檢性能合格后，再同CCS共檢，以確保產(chǎn)品一次通過共檢，如產(chǎn)生不合格不僅是時(shí)間上的浪費(fèi)，在驗(yàn)證鍛件的費(fèi)用上將形成更大的損失。同時(shí)嚴(yán)格控制每一步加工工序，做到標(biāo)識(shí)及時(shí)移植，保證每一個(gè)零件具有可追溯性。CCS 中要求，產(chǎn)品需具有唯一標(biāo)識(shí)，產(chǎn)品編碼作為零件唯一可追溯依據(jù)。這也是產(chǎn)品在生產(chǎn)中最需注意的問題。零件調(diào)質(zhì)前粗加工草圖如圖2所示。

研究攻關(guān)內(nèi)容

通過此預(yù)備熱處理，最主要的目的是改善內(nèi)部組織、細(xì)化晶粒，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。A514Q 鍛后熱處理工藝如圖3 所示。此次生產(chǎn)海工產(chǎn)品數(shù)量較大，共計(jì)108 件產(chǎn)品，同時(shí)按用戶要求每件產(chǎn)品都需性能檢驗(yàn)。我廠確定零件工藝模型示意圖如圖4 所示。

由于第一次生產(chǎn)此海工產(chǎn)品，在調(diào)質(zhì)前根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料，查得A514Q 材料化學(xué)成分與之前所生產(chǎn)的Q690E 相近，按照公式及經(jīng)驗(yàn)確定材料淬火溫度、冷卻介質(zhì)，冷卻時(shí)間按鍛件截面計(jì)算所得，制定調(diào)質(zhì)工藝如圖5所示。

在調(diào)質(zhì)工藝完成后，作為熱處理檢驗(yàn)方法采用硬度值通過系數(shù)轉(zhuǎn)換，確定材料的抗拉強(qiáng)度范圍，在硬度檢驗(yàn)后，由于硬度值偏高，考慮補(bǔ)充二次回火降低硬度值，由于二次回火往往會(huì)產(chǎn)生組織遺傳效應(yīng)，所以將第二次回火溫度提高到(700±10)℃。

以上工藝完成后在后期力學(xué)性能檢驗(yàn)過程中，其檢驗(yàn)試樣屈服強(qiáng)度均偏低，同時(shí)，部分鍛件的力學(xué)性能屈服強(qiáng)度都出現(xiàn)了不滿足要求的情況(表4)，按照海工要求，按件取樣鍛件在力學(xué)性能不合格的情況下，需按2 倍數(shù)量重新取樣，或者重新熱處理（熱處理次數(shù)不超過兩次）。由于此批次鍛件屈服強(qiáng)度低，所以重新調(diào)質(zhì)此批次中性能檢驗(yàn)中不合格鍛件。

分析前批次調(diào)質(zhì)工藝鍛件在700℃回火，回火溫度已經(jīng)達(dá)到調(diào)質(zhì)工藝的最高回火溫度，通常調(diào)質(zhì)工藝的回火溫度為550 ～650℃，考慮到鋼共析轉(zhuǎn)變的溫度為727℃，根據(jù)公式計(jì)算得出材料A514Q 的Ac1值在705℃左右。補(bǔ)充700℃回火在其共析轉(zhuǎn)變線附近，部分組織可能已經(jīng)發(fā)生了奧氏體相的轉(zhuǎn)變，在回火完成后空冷狀態(tài)下形成了珠光體組織，使強(qiáng)度降低。列舉部分鍛件力學(xué)性能見表4。

表4 部分鍛件力學(xué)性能

根據(jù)以上原因分析，重新熱處理時(shí)調(diào)整零件調(diào)質(zhì)工藝，主要在調(diào)整零件回火溫度方面考慮，要使其工藝完成后得到良好的回火索氏體組織，以具有較高的強(qiáng)度及良好的韌性。

由于產(chǎn)生以上情況，調(diào)質(zhì)工藝?yán)^續(xù)按產(chǎn)品開發(fā)時(shí)工藝執(zhí)行，即920℃水冷淬火完成后，660℃回火，對(duì)前期產(chǎn)生不合格鍛件進(jìn)行重新熱處理取樣，重新檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

從以上結(jié)果分析來看，材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均得到了良好提升，更使我們明確了問題產(chǎn)生的原因，摸清楚了材料的特性，第二次補(bǔ)充回火是前期失敗的主要原因，該材質(zhì)使用硬度值作為性能值的參考也會(huì)產(chǎn)生問題，綜合來看還是由于我方缺少相關(guān)材質(zhì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)材料摸不透、拿不準(zhǔn)才使得不合格品產(chǎn)生，造成了產(chǎn)品生產(chǎn)周期及相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)前批次鍛件生產(chǎn)數(shù)據(jù)的總結(jié)及生產(chǎn)相關(guān)工序的合理安排，此次訂貨焊評(píng)試板，在調(diào)質(zhì)工藝制定時(shí)，考慮此次生產(chǎn)焊評(píng)試板有效截面較小，只有55mm，在淬火溫度及冷卻介質(zhì)都沒改變的情況下，降低回火溫度，防止回火溫度較高情況下材料強(qiáng)度產(chǎn)生大幅度的下降。依據(jù)船級(jí)社檢驗(yàn)要求，見證取樣過程，取樣示意圖如圖6 所示。

表5 重新檢驗(yàn)結(jié)果

表6 9 件產(chǎn)品力學(xué)性能值

完成情況及應(yīng)用情況

此次工藝改進(jìn)后所生產(chǎn)的海工鍛件，經(jīng)驗(yàn)船師見證檢驗(yàn)，產(chǎn)品性能及探傷等技術(shù)要求均符合用戶要求，同時(shí)取得CCS 鍛件合格證書，全部產(chǎn)品及資料均已交付用戶。9 件產(chǎn)品力學(xué)性能值見表6。

項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

在A514Q 材料淬火工藝的改進(jìn)措施中，在有效調(diào)整回火溫度下，其力學(xué)性能值較之前有了較好的改善，在此之前屈服及疲勞強(qiáng)度都接近要求值下限，同時(shí)部分鍛件出現(xiàn)屈服強(qiáng)度不合格的情況，如前面介紹的在改變調(diào)質(zhì)工藝回火溫度下，性能值更加穩(wěn)定。調(diào)質(zhì)工藝的有效調(diào)整，即在前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)下，同時(shí)也是對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)成分有效性的分析。由于其回火硬度取決于回火溫度和回火時(shí)間，三者之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，參考同類近似化學(xué)成分材料的回火溫度，利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值在較小的溫度區(qū)間做調(diào)整。在有效的工藝改進(jìn)過程中，不僅有效降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)生產(chǎn)流程也更加順暢。

該技術(shù)優(yōu)勢(shì)、差距與不足，需要改進(jìn)和完善內(nèi)容；此次海工鍛件A514Q 所用熱鍛及鍛后熱處理工藝在歐美國家趨于成熟，但在國內(nèi)，由于其缺少相關(guān)鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工藝參數(shù)的確定尚不穩(wěn)定。

同時(shí)在原材料冶煉技術(shù)方面，國內(nèi)在冶煉方面需取得相關(guān)船級(jí)社認(rèn)證的廠家才可冶煉，在國內(nèi)具有CCS 生產(chǎn)資格的廠家較多，CCS 將A514Q 歸屬在合金鋼范疇中，取得CCS 工廠資質(zhì)的企業(yè)就可以生產(chǎn)此類鍛件，但針對(duì)國外船級(jí)社，如英國勞氏船級(jí)社（LR）對(duì)ASTM A514Q/A517Q 則需單獨(dú)對(duì)此材料生產(chǎn)資質(zhì)進(jìn)行認(rèn)證，所以我廠在此類鍛件的生產(chǎn)資質(zhì)上同樣也落后于國外的企業(yè)，使得我廠海上浮動(dòng)平臺(tái)的制造成本變高。

結(jié)束語

ASTM A514Q 是我廠海上浮動(dòng)平臺(tái)起升機(jī)構(gòu)主要零部件使用的材料，由于其產(chǎn)品及材料的特殊性，其生產(chǎn)制造檢驗(yàn)過程需取得相關(guān)船級(jí)社生產(chǎn)資質(zhì)，附加產(chǎn)值較高，我廠在完成A514Q 海工鍛件期間，此批產(chǎn)品化學(xué)成分范圍的確定和調(diào)質(zhì)工藝的穩(wěn)固，為后期此類產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(fā)提供了有力的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。