改進(jìn)型AISI 8630海工用鋼熱處理工藝研究

賀 歡 于海濤

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

1 實(shí)驗(yàn)材料

某廠訂貨的AISI 8630鍛件化學(xué)成分見表1所示。冶煉實(shí)驗(yàn)鋼錠重量為40 kg，采用真空電磁感應(yīng)熔煉技術(shù)，冶煉和澆注等步驟均在真空范圍內(nèi)，鍛造采用墩拔工藝方式，總鍛比為5.4。

表1 AISI 8630鍛件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of AISI 8630forging(mass fraction, %)

2 冷卻轉(zhuǎn)變曲線及相變臨界點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果

用淬火相變儀測(cè)量了材料的相變點(diǎn)和冷卻曲線，得到以下結(jié)果：

(1)AISI 8630鋼的Ac1為739℃，Ac3為823℃。

(2)TTT曲線可綜合反映過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程。AISI 8630過冷奧氏體在不同溫度區(qū)間可發(fā)生三種不同的轉(zhuǎn)變：高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變；中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變；低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

(3)在CCT曲線中存在三個(gè)相變區(qū)間：冷卻速度慢的“F+P”區(qū)、較慢冷速的“B”區(qū)、快速冷卻的“M”區(qū)。

(4)AISI 8630鋼的Ms為365℃，獲得完全馬氏體的臨界冷速為1200℃min。

3 不同熱處理方案的力學(xué)性能和組織性能

在熱處理爐中模擬不同淬火冷卻方式、回火溫度對(duì)材料力學(xué)性能和組織的影響。拉伸試樣尺寸為?5 mm的圓柱形試樣，在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊韌性試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口試樣，試驗(yàn)溫度為-18℃。

為驗(yàn)證所建完整模型的可靠性，對(duì)模型進(jìn)行前屈、后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)等四種運(yùn)動(dòng)加載.考慮到C5-C6兩節(jié)椎體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，約束C6椎體下表面的全部節(jié)點(diǎn)自由度，將C5上終板全部節(jié)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心的一點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)耦合，在耦合點(diǎn)施加預(yù)載荷73.6 N，用來模擬人體頭顱的重量.根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]，前屈/后伸運(yùn)動(dòng)利用右手定則依次施加大小為0、±0.33、±0.5、±1.0、±1.5、±2（N·m）力矩；根據(jù)文獻(xiàn)[13]對(duì)側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)施加1 N·m的力矩，對(duì)該模型的四種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證完整模型有效性.

根據(jù)相變點(diǎn)測(cè)定結(jié)果Ac3為823℃，因此可選880℃為材料的淬火溫度進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn)。

方案一：模擬鍛件最大熱處理有效壁厚(115mm)的熱處理過程，首先選用正火溫度905℃，淬火溫度880℃、淬火后空冷，回火溫度為530℃，模擬熱處理工藝如圖1(a)所示。

表2 AISI 8630材料力學(xué)性能及金相數(shù)據(jù)(方案五)Table 2 Mechanical properties and metallographic data of AISI 8630 (scheme No.5)

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果為：Rm為1067 MPa，Rp0.2為898 MPa，A為14.5%，Z為62%，-18℃KV2為15 J。組織為回火貝氏體(粒狀貝氏體+極少上貝氏體)，晶粒度為7.5級(jí)。材料的強(qiáng)度能滿足技術(shù)要求，但是塑韌性指標(biāo)均較低。

方案二：試樣空冷冷速低于實(shí)際鍛件心部冷速，故在工藝方案一基礎(chǔ)上將試樣進(jìn)行吹風(fēng)冷卻以增加冷速，具體工藝如圖1(b)所示。

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果為：Rm為1052 MPa，Rp0.2為907 MPa，A為18%，Z為61%，-18℃KV2為7.4 J。組織為回火貝氏體+回火索氏體(約35%)，晶粒度為7.5級(jí)。材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)能滿足技術(shù)要求，但是韌性指標(biāo)仍較低。

方案三：通過對(duì)小試樣(15 mm×15 mm)在急速冷卻條件下獲得的組織和性能進(jìn)行檢驗(yàn)，判定此種化學(xué)成分的鍛件滿足技術(shù)要求的可能性，具體工藝如圖1(c)所示。

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果為：Rm為878 MPa，Rp0.2為725 MPa，A為20.3%，Z為70.9%，-18℃KV2為151 J。組織為回火索氏體，晶粒度為6.5級(jí)。材料的塑韌性指標(biāo)滿足技術(shù)要求，但是強(qiáng)度指標(biāo)較低。

方案四：在工藝方案三的基礎(chǔ)上降低回火溫度以得到高強(qiáng)度指標(biāo)，驗(yàn)證在強(qiáng)度滿足要求的前提下沖擊韌性是否滿足技術(shù)要求，具體工藝如圖1(d)所示。

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果為：Rm為1035 MPa，Rp0.2為965 MPa，A為17%，Z為67%，-18℃KV2為51 J。組織為回火索氏體，晶粒度為8.5級(jí)。材料的強(qiáng)度和塑韌性均滿足技術(shù)要求。

方案五：在工藝方案四的基礎(chǔ)上提高回火溫度，分別為580℃、600℃、620℃，確定滿足技術(shù)要求前提下的力學(xué)性能隨回火溫度的變化趨勢(shì)。

通過表2數(shù)據(jù)可知：材料的強(qiáng)度隨回火溫度的提高而下降，當(dāng)回火溫度為580℃時(shí)可以滿足技術(shù)要求，當(dāng)回火溫度提高到600～620℃時(shí)，強(qiáng)度較技術(shù)條件要求偏低。

(a)方案一(b)方案二(c)方案三(d)方案四圖1 模擬熱處理工藝Figure 1 Simulation heat treatment process

圖2 AISI 8630材料不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能Figure 2 Mechanical properties of AISI 8630 materialsunder different heat treatment conditions

為了更直觀的再現(xiàn)不同熱處理方案對(duì)材料性能的影響，繪制圖2可知，隨著回火溫度的提高，材料的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，沖擊韌性呈明顯提高趨勢(shì)，當(dāng)回火溫度為570～580℃時(shí)，強(qiáng)度和沖擊韌性均可以滿足技術(shù)要求。

表3 不同熱處理方案的非金屬夾雜物級(jí)別Table 3 Levels of nonmetallic inclusions in different heat treatment schemes

圖3 880℃快速空冷+530℃回火模擬熱處理試樣掃描電鏡分析Figure 3 SEM analysis of simulation heat treatment sample with rapid air cooling at 880℃+tempering at 530℃

圖4 880℃水冷+570℃回火模擬熱處理試樣掃描電鏡分析 Figure 4 SEM analysis of simulation heat treatment sample with rapid air cooling at 880℃+tempering at 570℃

4 夾雜物及斷口分析

熱處理方案為880℃空冷+530℃回火、880℃快速空冷+530℃回火時(shí)，從得到的力學(xué)性能結(jié)果可看出，適當(dāng)提高淬火冷速后力學(xué)性能沒有得到提高，為此對(duì)880℃快速空冷+530℃回火的沖擊殘樣進(jìn)行夾雜物分析，進(jìn)一步檢驗(yàn)造成沖擊韌性值沒有提高的原因。

對(duì)比熱處理方案880℃水冷+650℃回火、880℃水冷+570℃回火的力學(xué)性能結(jié)果得出，回火溫度的降低對(duì)強(qiáng)度和韌性影響較明顯，組織和晶粒度沒有明顯區(qū)別，對(duì)880℃水冷+570℃回火的沖擊殘樣進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)分析，研究造成材料性能變化的原因。

通過夾雜物測(cè)定結(jié)果可以看出，A類、B類、DS類夾雜物為0級(jí)，C類、D類夾雜物為0～1級(jí)，夾雜物級(jí)別總體較低，不是造成低溫沖擊韌性不合的原因。

為進(jìn)一步研究造成沖擊值低的原因，對(duì)沖擊斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察和能譜分析。

5 TEM觀察及碳化物形貌分析

圖3方案二斷口分析：整個(gè)斷口幾乎全部表現(xiàn)出準(zhǔn)解理形貌，纖維區(qū)極小，樣品沖擊韌性較差，整體未見明顯的冶金缺陷。

圖4方案四斷口分析：整個(gè)斷口只有纖維區(qū)和剪切唇，纖維區(qū)均勻分布著數(shù)量較多且大而深的韌窩，樣品有較大的側(cè)膨脹，樣品的沖擊韌性較好。個(gè)別韌窩中有夾雜物，對(duì)其進(jìn)行EDS檢測(cè)，夾雜物為Al2O3，整體未見明顯的冶金缺陷。

由此分析可知，沖擊韌性低的原因不是由冶金缺陷等引起的，可能是碳化物的數(shù)量和形貌引起的，需進(jìn)一步進(jìn)行透射電鏡分析。

6 結(jié)論

AISI 8630材料(截面厚度65～115 mm)工件淬火組織模擬結(jié)果為水冷淬火心部可獲得完全馬氏體或大部分馬氏體組織，回火后獲得索氏體組織，結(jié)合熱處理模擬試驗(yàn)，鍛件可滿足性能要求。

當(dāng)回火溫度為570～580℃時(shí)，材料綜合力學(xué)性能可滿足技術(shù)要求，為實(shí)際鍛件生產(chǎn)制定熱處理工藝提供了參考。

掃描電鏡分析結(jié)果表明，造成材料沖擊韌性低的原因不是由冶金缺陷引起的，可能是碳化物的數(shù)量和形貌引起的，因此需進(jìn)一步進(jìn)行透射電鏡分析。