40CrNi2Mo鍛件材料試驗(yàn)

文/彭彩霞，胡運(yùn)寶，王旭穎·太原重工股份有限公司

牛玉溫，王志軍·太原重工股份有限公司鑄鍛件分公司

40CrNi2Mo是一種Cr-Ni-Mo系合金鋼，它不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)還有優(yōu)異的塑性及韌性，在重要的機(jī)械零部件上有較多的應(yīng)用。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)取樣位置為距熱處理表面大于50mm的研究參考數(shù)據(jù)不多。本文以40CrNi2Mo試驗(yàn)件為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)特定鍛造、熱處理工藝，對(duì)40CrNi2Mo試驗(yàn)件進(jìn)行了鍛造及熱處理，在對(duì)其UT檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)其幾何心部進(jìn)行了性能檢測(cè)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，以期為此類(lèi)合金鋼的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及使用提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考。

試驗(yàn)材料選取、工藝設(shè)計(jì)

試驗(yàn)原材料的選取及方案設(shè)計(jì)

用鋼錠鍛制粗車(chē)后尺寸為φ720mm×1000mm的試驗(yàn)件，以滿(mǎn)足鍛件幾何中心距所有熱處理表面大于300mm的要求。其中試驗(yàn)件調(diào)質(zhì)后粗加工及取樣圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)件調(diào)質(zhì)后粗加工及取樣圖

試驗(yàn)件制造生產(chǎn)工藝路線(xiàn):鋼錠冶煉→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→UT探傷及尺寸檢驗(yàn)→性能熱處理→車(chē)探傷面→UT檢測(cè)→取樣→性能檢測(cè)。性能檢測(cè)先測(cè)端部(L1S,L1C,R1)性能，再測(cè)心部R2區(qū)性能。材料成分按表1要求控制。

表1 40CrNi2Mo試驗(yàn)件化學(xué)成分控制 (Wt.%)

鍛造方案

本試驗(yàn)件在鋼錠冒口端下料，鍛造成形為圖2所示的試驗(yàn)件毛坯。試驗(yàn)件鍛件重3678kg，鍛造溫度范圍在850～1200℃之間。同時(shí)，要保證底部冒口有足夠的切除量。鍛造過(guò)程采用一鐓一拔成形，鍛造比不小于3(實(shí)際值為4.1)，鋼錠利用率為73%左右。

圖2 鍛件示意圖

熱處理工藝設(shè)計(jì)

由于鍛件截面大，材料本身又含有較多的Cr、Ni等裂紋傾向性較大的合金元素，試驗(yàn)件做了鍛后處理以改善顯微組織，促進(jìn)鍛件組織均勻化。

40CrNi2Mo為合金鋼，為獲得較高強(qiáng)度的同時(shí)具有一定的塑性、韌性，采用以油為淬火介質(zhì)的調(diào)質(zhì)熱處理工藝。依據(jù)材料規(guī)范及以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制訂了圖3所示的熱處理工藝曲線(xiàn)。為了使試驗(yàn)件的調(diào)質(zhì)硬度均勻，調(diào)質(zhì)前對(duì)工件按圖1所示尺寸單邊留4mm進(jìn)行粗車(chē)。目視檢測(cè)后進(jìn)行超聲波檢測(cè)，確認(rèn)試驗(yàn)件滿(mǎn)足外表面無(wú)裂紋、折疊和孔洞等缺陷，內(nèi)部無(wú)密集缺陷的要求后再入爐加熱，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

圖3 試驗(yàn)件性能熱處理工藝曲線(xiàn)

淬火前需開(kāi)啟油槽攪拌裝置，使其充分循環(huán)，將淬火介質(zhì)(油)溫度控制在45～80℃范圍內(nèi)。鍛件出爐后需要迅速操作，保證試驗(yàn)件及時(shí)浸入淬火，以避免冷速過(guò)慢產(chǎn)生太多的珠光體組織。由于鍛件截面較大，鍛件淬火后組織應(yīng)力較大，淬火后需及時(shí)回火，以降低或消除淬火引起的應(yīng)力。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

UT探傷及結(jié)果

調(diào)質(zhì)后性能取樣前對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行超聲波檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)以徑向掃查為主，結(jié)合軸向掃查輔助進(jìn)行。鍛件的表面粗糙度必須優(yōu)于Ra6.3μm，且不含剝落、油漆和污垢或任何其他可能UT檢測(cè)的異物。必須選擇合適并校準(zhǔn)合格的超聲波儀器，以準(zhǔn)確檢測(cè)大于或等于當(dāng)量直徑φ1.6mm的缺陷，參考φ1.6mm平底孔FBH。在鍛件的所有表面(100%體積)上完成超聲波檢查。為了確保完全覆蓋，每個(gè)掃查通道之間應(yīng)至少有15%的重疊。掃描速度不得超過(guò)每秒150mm。超探結(jié)果顯示試驗(yàn)件不存在當(dāng)量直徑大于φ1.6mm的任何缺陷。

成分結(jié)果

鋼錠熔煉分析結(jié)果見(jiàn)表2，成品分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表2可知，熔煉分析結(jié)果P、S含量分別為0.01%、0.001%。結(jié)合表1可知有害元素P、S含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表1要求，其他化學(xué)成分也均符合表1要求。表3成品分析結(jié)果顯示，鍛件中心橫截面各處成分偏析不嚴(yán)重。

表2 40CrNi2Mo試驗(yàn)件熔煉分析(Wt.%)

力學(xué)性能及金相結(jié)果

性能熱處理完成后，對(duì)試驗(yàn)件按照?qǐng)D1所示各位置取樣并進(jìn)行性能檢測(cè)，性能、硬度及晶粒度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

分析與討論

圖1結(jié)合表4數(shù)據(jù)顯示，鍛件熱處理后，鍛件各處的Rm、Rp0.2、A、Z各項(xiàng)性能指標(biāo)均勻，各位置晶粒度也非常均勻，均達(dá)到6.5～7.0級(jí)。試驗(yàn)件心部各性能指標(biāo)不隨著距表面距離的增大而產(chǎn)生明顯變化，均勻性良好。

結(jié)合圖1及表4可知，試驗(yàn)件端部軸頭縱向L1S、L1C及徑向R1各處力學(xué)性能均勻，具有較高的強(qiáng)度并具有一定的塑性和韌性。在距端面距離相同的情況下，端部區(qū)徑向R1各項(xiàng)性能指標(biāo)略?xún)?yōu)于軸向L1S處。

試驗(yàn)件中心表層徑向R2S及幾何心部徑向R2C的強(qiáng)度、塑性、韌性指標(biāo)差異不大。本區(qū)與端部試驗(yàn)結(jié)果不同的是：與R2S相比，R2C位置強(qiáng)度略升高，塑性、韌性均略降低，本試驗(yàn)件采用的材料位于鋼錠冒口端，這一點(diǎn)可能是由C及Cr、Ni、Mo等合金元素的偏析引起的。表3成品分析結(jié)果與這一推斷相一致。

表3 40CrNi2Mo試驗(yàn)件成品分析(Wt.%)

結(jié)合表4金相分析結(jié)果可知，上述各點(diǎn)晶粒度為6.5～7.0級(jí)，鍛件在淬火后得到了細(xì)小均勻的晶粒，說(shuō)明熱處理工藝參數(shù)較為合理。由于晶粒細(xì)小，一定體積內(nèi)晶界較多，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度上升，起到了晶界強(qiáng)化的作用。其次，界面阻礙了微裂紋的運(yùn)動(dòng)，微裂紋擴(kuò)展速度受到制約。同時(shí)，晶界面積增加，晶界上偏析產(chǎn)生的夾雜物相對(duì)減少，晶界結(jié)合力提高，塑性增加。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶界越多，參與變形的晶粒數(shù)目越多，變形也越均勻，使之在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，金屬在斷裂前消耗的能量也較大，因而其韌性也提高了。韌性反映了強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。

表4 試驗(yàn)件本體各部位力學(xué)性能及晶粒度結(jié)果

在距外圓距離相同時(shí)，徑向R1位置與R2S各項(xiàng)性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)顯示，兩個(gè)位置性能差別不大，但R1位置強(qiáng)度、塑性和韌性均略高于R2S位置。說(shuō)明淬火時(shí)，隨著距端面距離的增大，冷卻能力變差。

表4數(shù)據(jù)顯示：通過(guò)成分控制及鍛造熱處理工藝設(shè)計(jì)后，試驗(yàn)件性能均勻并具有均勻細(xì)小的晶粒，幾何中心區(qū)域R2C性能優(yōu)異。各位置數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，端部與中心區(qū)的力學(xué)性能數(shù)值差異非常小，且試驗(yàn)件心部R2C位置強(qiáng)度高，并具一定的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能良好，說(shuō)明鍛造、熱處理效果良好。

R2C位置100倍及500倍微觀(guān)組織金相照片分別如圖4、圖5所示。分析顯示，最終熱處理后R2C位置處組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，其中細(xì)小均勻的貝氏體組織占比約60%，可見(jiàn)大型鍛件淬火冷卻時(shí)，內(nèi)部蓄熱也在一定程度上制約了鍛件心部的冷卻能力。但成分決定組織，組織決定性能，雖然存在比例相當(dāng)高的貝氏體相，但由于成分偏析不大，微觀(guān)組織細(xì)小，晶粒細(xì)于6.5級(jí)，貝氏體組織對(duì)試驗(yàn)件心部力學(xué)性能的削弱并不明顯。

圖4 R2C顯微組織照片(100×)

圖5 R2C顯微組織照片(500×)

結(jié)束語(yǔ)

本文采用試驗(yàn)的方法，探索一種可行性工藝方案，使外形尺寸為φ720mm×1000mm的40CrNi2Mo鋼試驗(yàn)件通過(guò)特定的鍛造、熱處理工藝后，結(jié)果表明：試驗(yàn)件UT無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有超過(guò)φ1.6mm任何缺陷，驗(yàn)證了冶煉及鍛造工藝的可行性。試驗(yàn)件幾何心部的檢測(cè)徑向屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)到873MPa，并具有一定的塑性和韌性，為今后40CrNi2Mo材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)及使用提供了參考。