一種高強(qiáng)度、高韌性合金鋼熱處理工藝研究

彭建強(qiáng) 劉新新 呂振家 韓 亮 徐 勤

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

對于合金鋼而言，一般規(guī)律是強(qiáng)度越高，則塑韌性越低，很難使鋼兼具高強(qiáng)度和高韌性。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，汽輪機(jī)定中心梁等部件要求材料具有極高的強(qiáng)度，同時還要求材料具有很高的韌性。因此，國內(nèi)外對高強(qiáng)度、高韌性合金鋼都開展了廣泛而深入的研究工作。目前，國內(nèi)外廣泛使用的高強(qiáng)度、高韌性合金鋼有30CrNi4MoA、40CrNiMoA、5NiCrMoV等[1-2]。

研究表明，使合金鋼實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性的手段主要有兩種：(1)高的Ni含量，同時提高強(qiáng)度和韌性；(2)優(yōu)化熱處理工藝，尤其是回火工藝，使鋼獲得合適的組織，同時提高強(qiáng)度和韌性。

本文介紹了一種高Ni含量的合金鋼，簡稱5Ni-1Cr-MoVNb鋼，在介紹其成分設(shè)計、性能要求、相變點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了奧氏體化溫度、回火溫度等對材料性能的影響，獲得了最佳熱處理工藝，同時通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這種鋼沒有回火脆性傾向。

1 鋼的成分設(shè)計及性能要求

1.1 合金元素對鋼性能的影響

Ni、Cr、Mo、V、Nb等主要合金元素對鋼性能的影響如下[3-5]：

Ni是奧氏體形成元素，擴(kuò)大鐵碳相圖中的奧氏體區(qū)域，能夠顯著提高鋼的淬透性，大大提高鋼的強(qiáng)度。從圖1可以看出，隨著Ni含量的提高，鋼的屈服強(qiáng)度顯著提高，當(dāng)Ni含量為4%時，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到900 MPa。在顯著提高鋼強(qiáng)度的同時，Ni幾乎不降低鋼的韌性。

圖1 Ni含量對0.08C-Cr-Mo-V鋼強(qiáng)度的影響Figure 1 Effect of Ni content on strength of 0.08C-Cr-Mo-V steel

Cr的主要作用：(1)在高溫時使鋼表面形成穩(wěn)定的氧化物，顯著提高鋼的抗氧化能力；(2)Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，通過形成M23C6型碳化物，顯著提高鋼的強(qiáng)度。

Mo的主要作用：(1)有效減少鋼的回火脆性；(2)通過形成M23C6型碳化物對鋼進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度。

V和Nb的主要作用：(1)在淬火冷卻過程及回火過程中以穩(wěn)定的VC、NbC等MC型碳化物彌散析出，組織位錯遷移，顯著提高鋼的強(qiáng)度；(2)細(xì)化晶粒是提高鋼的強(qiáng)度和韌性的主要方法之一，Nb、V等合金元素形成細(xì)小且彌散分布的碳化物會對晶界起到釘扎作用，加熱時能阻止奧氏體晶粒的長大，冷卻后使鋼獲得細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)；NbC非常穩(wěn)定，即使在高溫奧氏體化處理時，也不會全部溶解，未溶解的NbC可以有效的阻止晶界遷移合并，起到細(xì)化晶粒的作用。

1.2 鋼的化學(xué)成分

綜合考慮合金元素對高強(qiáng)度、高韌性鋼性能的影響，設(shè)計了一種高Ni合金鋼成分，如表1所示，命名為5Ni-1Cr-MoVNb鋼。

1.3 鋼的性能要求

鋼的室溫力學(xué)性能要求如表2所示。

2 熱處理工藝方案

2.1 鋼的相變點(diǎn)

通過試驗(yàn)測定，鋼的相變點(diǎn)如表3所示。

表1 5Ni-1Cr-MoVNb鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of5Ni-1Cr-MoVNb steel(mass fraction,%)

表2 試驗(yàn)材料室溫力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties of test materialsat room temperature

表3 鋼的相變點(diǎn)Table 3 The phase transition point of steel

2.2 熱處理工藝方案

(1)奧氏體化溫度影響試驗(yàn)

奧氏體化溫度為800℃、850℃、880℃、950℃、980℃、1050℃、1100℃，回火溫度為650℃，冷卻方式為空冷。

(2)回火溫度影響試驗(yàn)

奧氏體化溫度為880℃，回火溫度為580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、700℃，冷卻方式為空冷。

(3)回火脆性試驗(yàn)

奧氏體化溫度為880℃，回火溫度為620℃，冷卻方式為水冷、油冷、空冷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同奧氏體化溫度對性能的影響

不同奧氏體化溫度對鋼的拉伸性能和沖擊性能的影響如圖2所示。

從圖2可以看出，奧氏體化溫度對抗拉強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的影響很小，但對屈服強(qiáng)度和韌性的影響很大，具體如下：

(1)在800～1100℃溫度范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度隨著奧氏體化溫度的升高而緩慢增加；

(2)在800～950℃溫度范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度隨奧氏體化溫度的升高而略有提高，在950～1000℃溫度范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度隨著奧氏體化溫度的升高而陡增，之后又開始隨奧氏體化溫度升高而緩慢增加；

(3)在800～1100℃溫度范圍內(nèi)，伸長率隨奧氏體化溫度的提高，呈現(xiàn)先緩慢提高后緩慢下降的趨勢，維持在17.0%～21.5%范圍內(nèi)；

(4)在800～1100℃溫度范圍內(nèi)，斷面收縮率整體呈緩慢下降趨勢，維持在64.0%～68.0%范圍內(nèi)；

(5)在800～980℃溫度范圍內(nèi)，沖擊性能先迅速升高，在880℃左右達(dá)到峰值，之后迅速降低，但保持在200 J以上，超過980℃之后，沖擊性能迅速下降，最低值不足140 J。

圖2 不同奧氏體化溫度對性能的影響Figure 2 Effects of different austenitizing temperatures on properties

綜上所述，在800～1100℃奧氏體化溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的提高，伸長率、斷面收縮率的變化很小，但是，強(qiáng)度(尤其是屈服強(qiáng)度)和沖擊性能變化很大。在880℃奧氏體化溫度附近，鋼的強(qiáng)度和塑韌性有著最佳的搭配。但是，回火溫度650℃過高，在800～1100℃奧氏體溫度范圍內(nèi)，都無法使鋼的屈強(qiáng)強(qiáng)度滿足要求。

這是因?yàn)椋?/p>

(1)鋼的強(qiáng)度主要通過三種方式提高，即馬氏體相變強(qiáng)化、碳化物析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化，奧氏體化溫度越高，VC、NbC等難熔的MC型碳化物回溶越充分，淬火后，馬氏體轉(zhuǎn)變越徹底，析出的碳化物也越細(xì)小，碳化物分布也越彌散；當(dāng)奧氏體化溫度不超過某一值時，淬火后，晶粒細(xì)小，可起到細(xì)晶強(qiáng)化作用；

(2)鋼的沖擊性能的提高主要通過晶粒細(xì)化實(shí)現(xiàn)，晶粒越細(xì)小，沖擊性能越好[6-7]；當(dāng)鋼的奧氏體化溫度超過950℃以后，晶粒開始長大，特別是超過980℃以后，晶粒長大傾向更加明顯，所以超過980℃以后，鋼的沖擊性能顯著降低；

(3)對于高Ni鋼而言，在高溫回火過程中，會發(fā)生α→ν轉(zhuǎn)變，即產(chǎn)生逆變奧氏體，且逆變奧氏體相是分布在回火馬氏體基體內(nèi)的連續(xù)相，十分細(xì)小，與回火馬氏體間的彌散度很大，這就造成材料的屈服強(qiáng)度較低，但沖擊性能優(yōu)異[8-10]。

3.2 不同回火溫度對性能的影響

不同回火溫度對拉伸性能和沖擊性能的影響如圖3所示。

圖3 不同回火溫度對拉伸性能和沖擊性能的影響Figure 3 Effects of tempering temperatures on tensile properties and impact properties

圖4 回火后不同冷卻方式的沖擊吸收能量Figure 4 Impact absorption energy of different cooling methods after tempering

從圖3可以看出：(1)在580～680℃回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，強(qiáng)度顯著下降；超過680℃以后，強(qiáng)度顯著提高；(2)在580～680℃回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，伸長率和斷面收縮率顯著提高；超過680℃以后，延伸率和斷面收縮率顯著下降；(3)在580～680℃回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，沖擊性能顯著提高；超過680℃以后，沖擊性能顯著下降；(4)在580～620℃回火溫度范圍內(nèi)，鋼的強(qiáng)度和塑韌性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，600℃回火時，強(qiáng)度和塑韌性均有良好的富裕度；但620℃回火時，強(qiáng)度已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。

這是因?yàn)椋?1)在580～680℃溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，淬火后形成的細(xì)小彌散分布的碳化物不斷聚集長大，導(dǎo)致位錯數(shù)量減少，進(jìn)而使得鋼的強(qiáng)度顯著下降，塑韌性大幅提高；(2)超過680℃后，回火溫度達(dá)到鋼的下臨界溫度，在局部偏析區(qū)域，已經(jīng)形成奧氏體，在冷卻過程中，這些奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧钬愂象w或馬氏體，或者兩種組織的混合物，從而提高了強(qiáng)度，降低了塑韌性。

3.3 回火脆性試驗(yàn)

淬火鋼回火時沖擊韌性并不總是隨回火溫度的升高而單調(diào)增大，有些鋼在一定的溫度范圍內(nèi)回火時，其沖擊韌性顯著下降，這種脆性現(xiàn)象叫做鋼的回火脆性。鋼的化學(xué)成分對回火脆性傾向有一定的影響，可能存在高溫回火脆性問題，即在450～650℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性。該鋼在成分設(shè)計時加入了0.5%左右Mo，就是考慮抑制高溫回火脆性問題。

回火脆性問題不僅與鋼的成分、一定范圍內(nèi)的回火溫度有關(guān)，而且還與回火后的冷卻速度密切相關(guān)。有的鋼種在450～650℃溫度范圍內(nèi)回火，采用油冷或水冷方式冷卻，沖擊韌性很好，但在緩冷時，會出現(xiàn)沖擊韌性降低現(xiàn)象，即發(fā)生高溫回火脆性問題。

因此，對鋼進(jìn)行了回火后不同冷卻速度下的沖擊韌性試驗(yàn)研究，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，回火后，分別采用水冷、空冷、爐冷等三種冷卻方式后測定的鋼的沖擊韌性基本一致，說明該鋼不存在回火脆性問題。

4 結(jié)論

本文分析了5Ni-1Cr-MoVNb鋼成分設(shè)計的特點(diǎn)，性能要求、相變點(diǎn)等，并在此基礎(chǔ)上，研究了不同奧氏體化溫度和回火溫度對鋼的拉伸性能和沖擊性能的影響，確定了最佳性能熱處理工藝，即880℃空冷+600℃空冷。同時通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該鋼沒有回火脆性。