輪緣鍛件屈服強(qiáng)度及晶粒度不合格問題研究

辛宇

（駐某地代表室，黑龍江 齊齊哈爾 161042）

0 引言

某型船用鍛件是船用重要部件，其質(zhì)量好壞直接影響整個系統(tǒng)的安全性。通過對輪緣鍛件屈服強(qiáng)度及晶粒度不合格問題的分析研究，采取改善措施，制造過程工藝得到固化，對同類產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。

1 問題概述

輪緣鍛件（爐號：7200073，卡號：2040024）檢驗結(jié)果為沖擊和冷彎結(jié)果合格，但屈服強(qiáng)度出現(xiàn)波動且低于標(biāo)準(zhǔn)要求，同時晶粒度等級也不滿足技術(shù)要求，結(jié)果見表1。

表1 輪緣性能結(jié)果

輪緣進(jìn)行重新熱處理后再次進(jìn)行檢驗，屈服強(qiáng)度略有改善，但仍然有較大波動，且個別值不滿足技術(shù)要求，晶粒度等級未得到明顯改善，結(jié)果見表2。

表2 輪緣重新熱處理后性能結(jié)果

2 問題定位

為找到輪緣屈服強(qiáng)度波動較大且部分值不合格問題，以及晶粒度等級不合格的根本原因，避免問題重復(fù)發(fā)生，從技術(shù)上進(jìn)行歸零分析。

2.1 屈服強(qiáng)度不合格問題定位

針對屈服強(qiáng)度波動較大且部分值低于標(biāo)準(zhǔn)要求問題，建立故障樹進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 屈服強(qiáng)度問題分析故障樹

2.1.1 X1成分偏析及異常

輪緣熔煉成分和成品成分結(jié)果見表3，表中熔煉和成品成分結(jié)果都滿足技術(shù)要求。C和合金元素含量都為技術(shù)要求的中下限。

表3 輪緣熔煉及成品成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果 %

為驗證鍛件化學(xué)成分的均勻性，在0°、90°、180°、270°4個位置重新取料復(fù)驗成分，結(jié)果見表4，顯示沿輪緣試料區(qū)周向的4個位置的化學(xué)成分非常均勻，無明顯偏析。

表4 卡號2040024輪緣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)驗結(jié)果 %

2.1.2 X2 檢測過程及試樣異常

為排除檢測過程異常，同時驗證強(qiáng)度的均勻性。分別在0°、90°、180°、270°4個位置重新取料進(jìn)行了力學(xué)性能復(fù)驗。結(jié)果見表5。復(fù)驗結(jié)果表明4個位置的屈服強(qiáng)度比較均勻且均不合格，表明檢測過程無異常。

表5 卡號2040024輪緣力學(xué)性能復(fù)驗結(jié)果

2.1.3 X3 工藝執(zhí)行過程異常

為了得回火索氏體組織[1]，熱處理采用水淬油冷工藝，熱處理過程電偶敷設(shè)在爐前和爐后代表最高和最低溫度的地方。淬火溫度工藝要求（870±10）℃，實際執(zhí)行偶溫為875～879 ℃，回火溫度工藝要求（580±10）℃，輪緣鍛件的實際執(zhí)行偶溫為575～580 ℃，回火均溫時間8 h。熱處理工藝執(zhí)行正常，滿足工藝要求。

輪緣執(zhí)行第一次返修熱處理工藝參數(shù)，熱處理過程電偶敷設(shè)在爐前和爐后代表最高和最低溫度的地方。正火溫度工藝要求（840±10）℃，實際執(zhí)行溫度為835～837 ℃，淬火溫度工藝要求（880±10）℃，實際執(zhí)行偶溫為872～879℃，回火溫度工藝要求（570±10）℃，輪緣鍛件的實際執(zhí)行偶溫為569～573 ℃。入水水溫為15 ℃，出水水溫為20 ℃，水冷時間20 min。熱處理工藝執(zhí)行正常，滿足工藝要求。

2.1.4 X4 沿鍛件壁厚強(qiáng)度差異大

為驗證輪緣鍛件沿壁厚的性能均勻性，鍛件近表層和心部分別取料進(jìn)行了復(fù)驗。結(jié)果見表6，顯示近外層屈服強(qiáng)度最高，心部屈服強(qiáng)度最低。強(qiáng)度差別達(dá)到50 MPa。沿壁厚強(qiáng)度變化非常大，從而導(dǎo)致多次檢驗過程強(qiáng)度出現(xiàn)較大波動，屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 輪緣不同部位復(fù)驗性能結(jié)果

綜上所述[2]，輪緣鍛件成分滿足要求且分布均勻，C和合金元素為技術(shù)要求下限；復(fù)驗屈服強(qiáng)度均低于要求值，沿周向分布均勻，可排除檢測和試樣異常的原因；熱處理執(zhí)行過程滿足工藝要求，無異常。

輪緣鍛件沿壁厚強(qiáng)度差異較大，導(dǎo)致多次檢驗過程屈服強(qiáng)度波動較大且取樣位置屈服強(qiáng)度不合格。

2.2 晶粒度不合格問題定位

屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求問題，建立如圖2所示故障樹進(jìn)行分析。

圖2 屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求問題分析故障樹

2.2.1 X1 晶粒尺寸均勻性復(fù)驗

輪緣晶粒度按GB/T 6394進(jìn)行[3]。為檢驗輪緣晶粒分布的均勻性，在鍛件試料區(qū)均布6點(diǎn)取試樣檢驗晶粒度（如表7）。結(jié)果顯示晶粒度分布比較均勻，不存在明顯的混晶現(xiàn)象，均未達(dá)到技術(shù)條件6級的要求。

表7 晶粒度復(fù)檢結(jié)果

輪緣鍛件無明顯粗大晶粒，也無混晶現(xiàn)象，也說明鍛造成型過程滿足工藝要求，無異常。

2.2.2 X3 當(dāng)前熱處理工藝細(xì)化晶粒效果驗證

輪緣鍛件工藝設(shè)計方面在鍛后熱處理階段增加了2次過冷處理，同時在性能熱處理前增加了1次正火處理，目的是為細(xì)化輪緣晶粒。

從晶粒度檢測結(jié)果看，輪緣鍛件達(dá)到均勻的5級的水平，但輪緣鍛件的晶粒度未進(jìn)一步有效細(xì)化。證明當(dāng)前增加多次正火的措施無法進(jìn)一步細(xì)化晶粒，細(xì)化晶粒工藝需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

綜上所述，輪緣鍛件各個位置晶粒尺寸分布均勻，晶粒度5級,當(dāng)前采用的進(jìn)一步細(xì)化晶粒的熱處理措施未達(dá)到理想的細(xì)化晶粒的效果。

3 機(jī)理分析

3.1 屈服強(qiáng)度不合格機(jī)理分析

為分析屈服強(qiáng)度偏低的原因，輪緣鍛件在拉力試樣附近取金相試樣進(jìn)行了金相組織分析。高倍結(jié)果見圖3、圖4，顯示輪緣金相組織為回火索氏體+貝氏體回火組織+少量鐵素體組織的混合組織，未得到預(yù)期的完全回火索氏體+回火貝氏體組織。理論上，出現(xiàn)鐵素體組織表明材料的淬透性不足和當(dāng)前的冷卻速度不足。鐵素體組織的出現(xiàn)也是屈服強(qiáng)度不足的主要原因。

圖3 輪緣鍛件高倍組織（200×）

圖4 輪緣鍛件高倍組織（500×）

從工藝方面看，輪緣鍛件材質(zhì)為40CrNiMoA，壁厚約為220 mm，按規(guī)范采用水淬油冷的方式進(jìn)行淬火冷卻，水冷時間為30 min，油冷時間為70 min。由于C元素和合金含量按下限控制，導(dǎo)致材料的淬透性降低。同時水冷時間相對較短，造成冷卻速度不足?，F(xiàn)有成分C元素和合金含量偏低，可以進(jìn)一步降低回火溫度，以提高屈服強(qiáng)度。

從機(jī)理分析可以得出，延長輪緣淬火的水冷時間、提高冷卻速度，以及降低回火溫度等措施，可以提高鍛件的屈服強(qiáng)度。具體的工藝參數(shù)和能達(dá)到的效果還需要進(jìn)行實驗驗證。

3.2 晶粒度不合格機(jī)理分析

輪緣鍛件執(zhí)行了多次以細(xì)化晶粒為目的的正火和過冷后，晶粒未能有效細(xì)化到目標(biāo)等級。因此需要進(jìn)行工藝試驗。從細(xì)化晶粒的機(jī)理出發(fā)[4-5]，經(jīng)研究設(shè)計進(jìn)行了以下幾組試驗：1）改變奧氏體化后的冷卻速度，φ20 mm試樣取出空冷和爐冷退火進(jìn)行比較；2）提高退火溫度，分別在880 ℃和930 ℃進(jìn)行退火，高溫退火目的是判斷是否存在組織遺傳；3）改變升溫速度，選擇70 ℃/h升溫和功率升溫（1 h到溫）兩種加熱方法。

第一次晶粒度模擬試驗結(jié)果見表8，從中可以看出：1）所有采用的方法，未起到明顯的細(xì)化晶粒作用；2）相對于正火方法，采用退火晶粒度細(xì)化效果較好；3）提高退火溫度至930 ℃后，晶粒發(fā)生粗化；4）快速升溫在細(xì)化晶粒方面作用不明顯。

表8 第一次模擬試驗的晶粒度結(jié)果

針對正常溫度退火和正火后都未能有效細(xì)化晶粒的問題，經(jīng)研究重新設(shè)計以下幾組試驗：1）降低加熱溫度，分別加熱到800 ℃、840 ℃、880 ℃進(jìn)行奧氏體化；2）增加奧氏體化次數(shù)，1#、2#等試樣加熱過程經(jīng)歷5次熱循環(huán)，目的是通過反復(fù)的加熱和冷卻細(xì)化晶粒；3）10#、11#等試樣完成低溫處理后，再進(jìn)行880 ℃加熱2 h。

第一次晶粒度模擬試驗結(jié)果見表9，從中可以看出：1）降低加熱溫度，可以起到明顯的細(xì)化晶粒作用，840 ℃進(jìn)行退火后，晶粒度可以達(dá)到8級以上；2）低溫奧氏體化后，再次在880 ℃加熱，晶粒會逐步恢復(fù)至6.5～7.0級；3）增加奧氏體化循環(huán)次數(shù)，沒有明顯的細(xì)化晶粒作用。

表9 第二次模擬試驗的晶粒度結(jié)果

通過細(xì)化晶粒試驗可以看出，在880 ℃及更高的溫度進(jìn)行奧氏體化，無法進(jìn)一步細(xì)化晶粒。而且，低溫奧氏體化細(xì)化后的晶粒在880 ℃及更高的溫度重新奧氏體化后，晶粒度會逐步粗化。文獻(xiàn)及試驗結(jié)果表明[6]，現(xiàn)有晶粒度在5～6級的根本原因是奧氏體化溫度偏高。進(jìn)一步細(xì)化晶粒需要降低奧氏體化溫度。

輪緣鍛件強(qiáng)度和晶粒尺寸對工藝參數(shù)的要求相互制約，為細(xì)化晶粒，需要降低奧氏體化溫度，同時需要重新驗證回火溫度和強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系。為研究強(qiáng)度與回火溫度關(guān)系，經(jīng)研究設(shè)計進(jìn)行了較快冷速下不同淬火溫度（880℃、840 ℃）和不同的回火溫度（500～580 ℃）模擬試驗。

結(jié)果表明：降低淬火溫度至840 ℃后，強(qiáng)度未發(fā)生明顯下降。降低回火溫度至520～540 ℃后，強(qiáng)度可以出現(xiàn)明顯提升。不同淬火溫度和回火溫度下，沖擊功變化幅度較小。

金相組織結(jié)果見圖5、圖6，表明輪緣淬火溫度由880℃降至840 ℃后，晶粒尺寸發(fā)生了較明顯的細(xì)化，同時840℃淬火也可以保證獲得完全的貝氏體組織。

圖5 輪緣840淬火組織（500×）

圖6 輪緣880淬火高倍組織（500×）

4 采取措施及驗證

通過上述分析，為提高屈服強(qiáng)度和進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸，主要的改進(jìn)措施為：1）降低奧氏體化溫度至830～850 ℃；2）降低回火溫度至540～550 ℃，可以提高屈服強(qiáng)度；3）增加水冷時間至20 min，以提高淬火冷卻速度。

卡號2040024輪緣按上述措施完成第2次返修。從檢測結(jié)果看，強(qiáng)度得到提高，晶粒度也滿足要求。檢測結(jié)果見表10。

表10 卡號2040024輪緣第二次返修后性能結(jié)果

為驗證輪緣鍛件沿周向和沿壁厚強(qiáng)度分布的均勻性，在鍛件共檢性能合格后，在余料上沿周向?qū)ΨQ180°各取2組拉力，內(nèi)層靠近中心位置對稱180°各取5組拉力和1組沖擊。屈服強(qiáng)度及其他性能指標(biāo)全部合格。證明現(xiàn)有措施有效得當(dāng)。

5 結(jié)語

通過對輪緣鍛件屈服強(qiáng)度及晶粒度不合格問題的分析研究，找到了原因,采取了改善措施，制造過程工藝得到固化，對同類產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。