大截面ST52-3鋼閥塊鍛件熱處理工藝優(yōu)化

周璟 李圣 張峰 陳艷芳 梁敏

(1.洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471003；2.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471003)

Mn系低碳低合金鋼含C量較低，含Mn量適中，具有較低的成本、良好的綜合力學(xué)性能及低溫沖擊韌性、優(yōu)異的焊接性能等，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、橋梁建筑、船舶車輛、石油管道及航空等領(lǐng)域，在海洋工程用鋼領(lǐng)域更是受到廣泛重視。[1-2]

我公司生產(chǎn)制造的閥塊鍛件，材質(zhì)為ST52-3。閥塊化學(xué)成分如表1所示，示意圖見圖1，基本尺寸見表2，力學(xué)性能要求見表3。

表1 ST52-3化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of ST52-3 steel(mass fraction,%)

1 熱處理工藝參數(shù)及性能檢驗結(jié)果

ST52-3閥塊采用調(diào)質(zhì)工藝，選用臺車式燃?xì)鉅t進(jìn)行生產(chǎn)，其熱處理工藝曲線見圖2，裝爐方式見圖3。

圖1 閥塊示意圖Figure 1 Schematical diagram of valve block

圖2 閥塊調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線Figure 2 The quenching and tempering heat treatmentprocess curve of valve block

圖3 臺車式燃?xì)鉅t裝爐示意圖Figure 3 Schematic diagram of loadingin gas furnace with trolley

閥塊1(序號1至序號4)和閥塊2(序號5至序號8)經(jīng)過圖2所示的熱處理工藝處理后，進(jìn)行橫向、縱向力學(xué)性能檢測，其結(jié)果見圖4。

表2 閥塊基本尺寸Table 2 The basic dimension of valve block

表3 力學(xué)性能要求Table 3 Mechanical requirements

由圖4可以看出，經(jīng)熱處理后，其縱向、橫向拉伸試驗結(jié)果全部合格。閥塊1和閥塊2的拉伸性能指標(biāo)差別不大，均在一個較窄范圍波動?？估瓘?qiáng)度Rm的波動范圍為26 MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2的波動范圍為20 MPa。-40℃夏比沖擊試驗共有4件不合格(序號3、4、5、7)，閥塊1的一件夏比沖擊吸收能量平均值(26 J)和單個值(19.6 J)均不合格，另外一件的夏比沖擊吸收能量平均值(30.5 J)不合格。閥塊2的兩件夏比沖擊吸收能量單個值(19.1 J、6.4 J)不合格。夏比沖擊吸收能量檢測數(shù)值波動較大，最大值為129.5 J，最小值為6.4 J。

2 不合格原因分析

2.1 沖擊斷口形貌

圖5為ST52-3閥塊經(jīng)熱處理后在-40℃下的沖擊斷口截面的宏觀照片，圖5(a)、(b)為不合格沖擊斷口，圖5(c)、(d)為合格沖擊斷口。

圖5(d)斷口區(qū)域上分布鋒利的撕裂棱，剪切唇清晰可見，沖擊缺口下端纖維區(qū)明顯，且范圍明顯大于圖5(a)、(b)、(c)。圖5(a)、(b)、(c)無撕裂棱，放射區(qū)標(biāo)志比較明顯，無剪切唇或剪切唇不明顯[3]。

4個斷口的SEM照片如圖6所示。圖6(a)韌窩特征不明顯，圖6(b)韌窩有一定的方向性，韌窩尺寸小而淺。圖6(c)、(d)韌窩形貌顯著，圖6(d)中大而深的韌窩分布最為均勻且數(shù)量最多，其沖擊吸收能量值也最大。

(a)閥塊縱向Rm、Rp0.2數(shù)值

圖5 -40℃下的宏觀沖擊斷口形貌Figure 5 Macroscopic impact fracture morphology at -40℃

圖6 -40℃下的微觀沖擊斷口形貌Figure 6 Microstructure of impact fracture at -40℃

從宏觀、微觀分析可以得出，沖擊斷口形貌與沖擊吸收能量值大小相吻合。

2.2 金相組織

圖7為-40℃下不同夏比沖擊試樣的金相照片，圖7(a)、(b)為夏比沖擊試驗不合格的金相照片，圖7(c)為夏比沖擊試驗合格的金相照片。

(a)夏比沖擊吸收能量6.4 J

由圖7(a)、(b)可知，回火態(tài)組織為多邊形鐵素體、針/條狀鐵素體、滲碳體。保持馬氏體位向分布的針/條狀鐵素體聚集，并呈島狀分布在多邊形鐵素體之間。少量固溶在α-Fe中的碳元素不斷以滲碳體的形式析出，形成較粗大的顆粒均勻分布在多邊形鐵素體基體上。比較圖7(a)和圖7(b)可看出，多邊形鐵素體晶粒大小無明顯差異，圖7(a)中針狀鐵素體島的面積更大、聚集程度更高。

對比圖7(a)、(b)、(c)可看出，圖7(c)多邊形鐵素體、針/條狀鐵素體晶粒更細(xì)小，針/條狀鐵素體島數(shù)量、聚集程度均明顯低于圖7(a)、(b)，且針/條狀鐵素體板條間距明顯減小。圖7(c)中少量針/條狀鐵素體均勻分布在多邊形鐵素體間，且馬氏體位向變得不明顯。滲碳體呈小顆粒狀彌散分布在鐵素體基體上。

對比分析顯微組織和力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能變化趨勢與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

ST52-3鋼淬火后組織為馬氏體，經(jīng)高溫回火處理后，板條馬氏體束中的板條不斷合并，形成了多邊形鐵素體，滲碳體也不斷析出并在鐵素體中聚集。隨著回火處理的進(jìn)行，組織中馬氏體板條相互融合并變寬，馬氏體位向趨于雜亂，馬氏體板條結(jié)構(gòu)逐漸不明顯。

張義偉等[4]和諶冬冬等[5]認(rèn)為，奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和冷卻速度有直接關(guān)系。當(dāng)冷卻速率在20～30℃/s時，組織中出現(xiàn)粒狀貝氏體、板條貝氏體和馬氏體的混合組織，并且平均晶粒尺寸隨著冷卻速率的增大而減小。

李炯輝[6]的研究表明，適當(dāng)降低淬火溫度，對控制馬氏體組織不粗大有一定效果。實(shí)際生產(chǎn)中，采用降溫淬火的調(diào)質(zhì)工藝對改善大鍛件內(nèi)部組織及晶粒度有積極影響，能夠提高鍛件材料的低溫沖擊韌性[7]。

王亞超等[8]和薛屺等[9]的研究表明，回火溫度升高，組織中馬氏體板條合并逐漸變寬，板條束間的方向分布趨于雜亂，馬氏體板條結(jié)構(gòu)逐漸不明顯，直至消失，鐵素體含量增加，沖擊性能提高。

綜合上述，考慮從冷卻速率、淬火溫度、回火溫度三方面調(diào)整熱處理工藝參數(shù)。

3 優(yōu)化后的熱處理工藝參數(shù)及檢驗結(jié)果

對兩件閥塊1(序號3、4)、兩件閥塊2(序號5、7)進(jìn)行重新熱處理。熱處理設(shè)備及裝爐方式均不變，裝爐示意圖見圖8。淬火溫度調(diào)整為860～880℃，回火溫度調(diào)整為640～660℃。通過增加工件間距和加速冷卻水循環(huán)的手段降低冷卻速率。

閥塊1(序號3、4)和閥塊2(序號5、7)執(zhí)行優(yōu)化熱處理工藝，進(jìn)行橫向、縱向力學(xué)性能檢測，其結(jié)果見圖9。

從檢驗結(jié)果可看出，閥塊經(jīng)過優(yōu)化熱處理工藝處理后，其拉伸性能指標(biāo)(Rm、Rp0.2、A、Z)基本不變，夏比沖擊吸收能量明顯改善，特別是序號7單個值由6.4 J提高至58.1 J，序號3平均值由26 J提高至91 J。對夏比沖擊試樣進(jìn)行顯微組織觀察，其組織形態(tài)和圖7(c)基本相同。

4 結(jié)束語

(1)在熱處理設(shè)備及裝爐方式不變的情況下，通過降低淬火溫度，提高回火溫度，增加冷卻速率的手段，有效改善了-40℃夏比沖擊吸收能量。

(2)優(yōu)化工藝參數(shù)：860～880℃淬火，水冷；640～660℃回火，空冷；控制工件間距并加速冷卻水循環(huán)。

(3)回火態(tài)金相組織為多邊形鐵素體、滲碳體及少量馬氏體位向不明顯的針/條狀鐵素體。