基于正交試驗的10CrNiCu低合金鑄鋼熱處理工藝優(yōu)化

黃 冬, 楊超飛, 張寶偉, 周曉峰

(中國船舶集團有限公司 第七二五研究所, 河南 洛陽 471023)

對于形狀、尺寸復(fù)雜和具有中空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件,鑄件具有設(shè)計靈活、成形方便、材料利用率高等特點。因此在船舶、車輛、工程機械、礦山設(shè)備及航空、航天設(shè)備等領(lǐng)域,大型鑄件的應(yīng)用極為廣泛[1-2]。由于結(jié)構(gòu)和壁厚差異,大型鑄件常產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析和組織不均勻,導(dǎo)致其性能尤其是低溫韌性的改變[3-6]。研究表明,細化晶粒能夠改善組織偏析、提升鑄鍛件的低溫韌性,生產(chǎn)上常通過多次正火來細化晶粒[7-9];通過控制回火溫度和回火時間也能夠消除正火產(chǎn)生的粒狀貝氏體中的M/A島等對韌性不利的組織,達到調(diào)控強韌性的目的[10-12]。

正交試驗?zāi)軌蜃龅骄獬闃?從而大幅減少試驗總量,同時其試驗結(jié)果具有均衡分散、整齊可比的特點,常被用來研究多因素、多水平的復(fù)雜變量試驗。目前,已有眾多學(xué)者通過正交設(shè)計或類似的響應(yīng)面設(shè)計來研究和優(yōu)化金屬材料的熱處理工藝,且取得了良好效果[13-19]。本文通過正交試驗及方差分析,研究了熱處理工藝對一種船舶及海洋工程用10CrNiCu低合金鑄鋼力學(xué)性能和組織的影響,并優(yōu)化熱處理方案以提升鑄鋼的綜合性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為10CrNiCu低合金鑄鋼,鑄鋼試塊尺寸為120 mm×50 mm×40 mm,化學(xué)成分見表1,顯微組織為鐵素體+珠光體+貝氏體,組織中存在明顯的偏析帶,如圖1所示。由于偏析帶內(nèi)的合金元素含量較高,提高了組織的淬透性,導(dǎo)致粒狀貝氏體組織主要出現(xiàn)在偏析帶中,其余組織為鐵素體+珠光體,晶粒度評級約為7.5級。鑄鋼的力學(xué)性能見表2,屈服強度Rp0.2達到434 MPa,-40 ℃和-80 ℃沖擊吸收能量KV2的平均值分別為64 J和9 J。

表1 10CrNiCu鑄鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

表2 10CrNiCu鑄鋼的力學(xué)性能

1.2 試驗方法

10CrNiCu低合金鑄鋼的最終熱處理采用正火+回火工藝。研究表明,多次正火能夠細化和均勻化組織,提升材料的力學(xué)性能。因此,本文在正火溫度900 ℃下,選擇正火次數(shù)、回火溫度和回火時間作為影響因素,每個因素設(shè)置3個水平(如表3所示),不考慮任何交互作用,以鑄鋼的屈服強度、-40 ℃和-80 ℃KV2作為評價指標(biāo),采用L9(33)的正交試驗表安排試驗。

表3 正交試驗的因素與水平

從熱處理完成后的試塊取樣,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗,每種工藝測試2個平行試樣;按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行-40 ℃和-80 ℃夏比V型缺口沖擊試驗,每種工藝測試3個平行試樣。另從熱處理完成后的試塊上切取金相試樣,表面研磨、拋光后用4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液腐蝕,之后采用OLYMPUS GX71光學(xué)顯微鏡觀察組織及晶粒度,采用JEM-2000型透射電鏡觀察其精細組織。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

表4為對應(yīng)的正交試驗結(jié)果,對表4中不同工藝的Rp0.2、-40 ℃和-80 ℃KV2分別取平均值進行各因素對相應(yīng)指標(biāo)的影響分析,結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,Rp0.2隨正火次數(shù)增加而有所上升,但隨回火溫度提高和回火時間延長而大幅降低。-40 ℃KV2隨正火次數(shù)增加先增加后降低,在正火次數(shù)為2次時最高;隨回火溫度升高和回火時間延長,-40 ℃KV2整體上升,但在回火溫度由600 ℃上升至630 ℃時提升有限。-80 ℃KV2的變化同-40 ℃KV2類似,在正火2次時達到最高;回火溫度提高能夠大幅提升-80 ℃沖擊吸收能量;而回火時間延長時,-80 ℃KV2呈先降后升趨勢。

表4 正交試驗結(jié)果

上述各因素對評價指標(biāo)的影響的有效性需要通過方差分析進行檢驗。為了在方差分析階段減少計算量,分別計算Rp0.2、-40 ℃和-80 ℃KV2所有數(shù)據(jù)的平均值,分別為471 MPa、157 J和65 J,方差分析結(jié)果見表5,其中***、**、*代表顯著程度依次降低,o代表不顯著。由表5可以看出,回火溫度、回火時間對Rp0.2的影響非常顯著,正火次數(shù)對Rp0.2具有一定的影響;正火次數(shù)、回火溫度對-40 ℃KV2有一定影響,回火時間對-40 ℃KV2基本沒有影響;由于-80 ℃KV2波動較大,導(dǎo)致余差項Se較大,進而導(dǎo)致3個因素中只有回火溫度對-80 ℃KV2有影響,正火次數(shù)和回火時間對-80 ℃KV2的影響都不顯著。

表5 屈服強度和低溫沖擊吸收能量的方差分析表

2.2 顯微組織

圖3為鑄鋼不同次數(shù)正火處理后的顯微組織。可以看出,與原始態(tài)組織相比(見圖1(c)),鑄鋼經(jīng)過一次正火后的組織細化明顯(見圖3(a)),晶粒度評級達到11級,而2次、3次正火后的組織有一定的細化(見圖3(b, c)),晶粒度等級達到11.5～12級之間,但進一步細化的效果不如1次正火明顯。

圖3 10CrNiCu鑄鋼經(jīng)不同次數(shù)正火后的顯微組織(a)1次;(b)2次;(c)3次Fig.3 Microstructure of the 10CrNiCu cast steel after normalizing for different times(a) once; (b) twice; (c) 3 times

鑄鋼1次正火態(tài)、1次正火+570 ℃×2 h回火和1次正火+630 ℃×8 h回火后偏析帶內(nèi)的顯微組織形貌如圖4所示?？梢钥闯?正火態(tài)鑄鋼偏析帶中存在貝氏體(見圖4(a)),透射電鏡下貝氏體中的M/A島清晰可見(見圖4(d)),鐵素體基體上存在少量的納米Cu析出顆粒(見圖4(g));1次正火+570 ℃×2 h回火后偏析帶內(nèi)的貝氏體未發(fā)生明顯的回復(fù),特征明顯(見圖4(b)),正火形成的貝氏體中的M/A島未發(fā)生完全回復(fù),依然保留著板條形態(tài)(見圖4(e)),鐵素體基體上分布著一定量的納米級Cu析出顆粒(見圖4(h))。1次正火+630 ℃×8 h回火后,偏析帶中的貝氏體發(fā)生回復(fù),特征不明顯,同時碳化物以球狀碳化物形式析出(見圖4(c)),M/A島中的板條形態(tài)發(fā)生回復(fù),板條轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉亩噙呅舞F素體,同時位錯密度大幅降低(見圖4(f)),鐵素體基體上的Cu析出顆粒數(shù)量明顯變多,尺寸有所增大(見圖4(i))。

3 討論

與原始態(tài)相比,隨著正火次數(shù)的增加,鑄鋼晶粒細化明顯,但2次以上正火后,晶粒進一步細化效果減弱。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系,細化晶粒能夠以細晶強化的方式提升低合金鋼的屈服強度,降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度,從而提升其低溫沖擊性能。因此,隨著正火次數(shù)增加,鑄鋼強度有所上升,-40 ℃和-80 ℃KV2有所提升,但2次以上正火,晶粒細化不明顯,因此進一步增加正火次數(shù)對提升-40 ℃和-80 ℃KV2的作用不顯著。

隨著回火溫度的上升,鑄鋼組織中的位錯密度大幅降低,導(dǎo)致屈服強度隨著回火溫度提高而大幅降低?；鼗饻囟鹊奶岣吣軌蜍浕T鋼組織,消除鑄鋼偏析帶內(nèi)貝氏體組織中的M/A島,而粗大的M/A島通常認為對韌性不利[10-12, 20]。

在同一回火溫度下,隨著回火時間的延長,鐵素體組織和偏析帶內(nèi)的貝氏體中的M/A島回復(fù)程度增加,導(dǎo)致鑄鋼屈服強度下降和韌性提高,但相比回火溫度的提升,回火時間的延長對對韌性的提升作用不夠顯著;這是由于回火一定時間后,偏析帶內(nèi)的貝氏體中的M/A島已經(jīng)回復(fù)完成,碳化物和納米級Cu顆粒也已經(jīng)析出充分,進一步延長回火時間并不能進一步提升其回復(fù)程度,還有可能造成碳化物和納米級Cu析出顆粒數(shù)量變多、尺寸增大,從而造成低溫沖擊性能的降低。同時,過長時間的回火會大幅軟化組織,導(dǎo)致屈服強度的大幅降低。

4 熱處理方案優(yōu)化及驗證

通過正交試驗結(jié)果分析,為了提高鑄鋼的-40 ℃和-80 ℃KV2,正火次數(shù)2次足夠,回火溫度需要達到630 ℃;為了避免屈服強度的大幅降低,回火時間選擇4 h。可采用式(1)估算該熱處理方案下鑄鋼的各項性能:

(1)

為了驗證優(yōu)化后熱處理方案的有效性,采用900 ℃正火2次+630 ℃回火4 h的方案進行熱處理,試驗后的實測值和通過式(1)計算得到的估計值如表6所示?？梢?屈服強度的實測值和估計值幾乎完全吻合,-40 ℃和-80 ℃KV2的實測值較預(yù)測值有較大幅度的偏離,這是由于相同條件下屈服強度的波動性很小,而沖擊吸收能量的波動性較大;同時,正火次數(shù)和回火溫度、回火時間對低溫沖擊性能可能存在交互協(xié)同作用[21],但本試驗方案由于試驗總數(shù)的限制,未能進一步分析。該熱處理方案下,-40 ℃和-80 ℃KV2均高于表4中的9組結(jié)果,更大幅高于原始試塊,同時,屈服強度沒有過多的降低,保持在440 MPa以上,證明了優(yōu)化后的熱處理方案的有效性。

表6 優(yōu)化熱處理工藝條件下指標(biāo)估計值及實測值

5 結(jié)論

1) 2次正火能夠顯著細化10CrNiCu低合金鑄鋼組織,從而提升屈服強度及低溫沖擊性能;但進一步增加正火次數(shù),組織細化效果提升有限,低溫沖擊性能提升效果不顯著。回火溫度提升及回火時間的延長可使鑄鋼鐵素體組織和偏析帶內(nèi)貝氏體中的M/A島發(fā)生回復(fù),從而大幅降低屈服強度,提高低溫沖擊性能;但過長的回火時間會導(dǎo)致碳化物及納米Cu析出顆粒數(shù)量變多,尺寸增大,導(dǎo)致低溫沖擊性能的提升作用不顯著。

2) 采用900 ℃正火2次+630 ℃回火4 h的熱處理工藝方案時,10CrNiCu低合金鑄鋼的屈服強度保持在440 MPa,-40 ℃和-80 ℃KV2分別達到246 J和137 J的較高水平。