替打環(huán)用30Cr2Ni2Mo鋼中低溫回火性能研究

張博，林乙丑，張沛，石如星，郭顯勝，師洪強(qiáng)，武川

1.洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2.中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

1 序言

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為清潔能源的新方向，得到了高速發(fā)展[1]。風(fēng)電設(shè)備經(jīng)常需要面對極端低溫、暴雨、臺風(fēng)等惡劣天氣，工作環(huán)境苛刻，這就對海工液壓打樁錘的要求越來越高[2]。而替打環(huán)作為液壓打樁錘的核心部件，必須要有優(yōu)異的力學(xué)性能以滿足工作環(huán)境的需求[3]。

30Cr2Ni2Mo鋼具有較高的強(qiáng)度、韌性和淬透性，是生產(chǎn)替打環(huán)鍛件的良好材料。為了滿足替打環(huán)海上特殊復(fù)雜的服役環(huán)境，需要更深入地了解材料特性，從而有針對性地制定熱加工工藝。張龍等[4]對30Cr2Ni2Mo鋼進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，研究該材料的流變應(yīng)力行為，為30Cr2Ni2Mo鋼熱加工數(shù)值仿真提供了前提。姜春雷[5]采用水-空交替冷卻的方法對30Cr2Ni2Mo鋼大型鍛件淬火工藝進(jìn)行了優(yōu)化。杜東旭等[6]基于數(shù)值仿真技術(shù)，改進(jìn)了30Cr2Ni2Mo鋼特厚鍛件淬火工藝。鞠新華等[7]對斷裂的30Cr2Ni2Mo鋼進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)主要是回火脆性及環(huán)境腐蝕的綜合作用引起的。本文通過對30Cr2Ni2Mo鋼替打環(huán)進(jìn)行不同低溫回火處理，分析研究回火溫度對30Cr2Ni2Mo鋼顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，為替打環(huán)的熱處理工藝提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用淬火態(tài)30Cr2Ni2Mo鋼，Ac1為740℃，Ac3為810℃，淬火溫度870℃，化學(xué)成分見表1。淬火態(tài)30C r2N i2M o鋼顯微組織如圖1所示，組織內(nèi)分布著大量的板條及針狀淬火馬氏體。以往生產(chǎn)的30Cr2Ni2Mo鋼替打環(huán)870℃水冷淬火后，再進(jìn)行420℃回火，易出現(xiàn)性能不均勻現(xiàn)象。因此，進(jìn)行30Cr2Ni2Mo鋼220～450℃回火試驗(yàn)。制備18個(gè)180mm×25mm×25mm拉伸試塊、18個(gè)60mm×25mm×25mm沖擊試塊，如圖2所示。

圖1 淬火態(tài)30Cr2Ni2Mo鋼顯微組織

圖2 30Cr2Ni2Mo鋼拉伸與沖擊試塊

表1 30Cr2Ni2Mo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

首先，將1個(gè)拉伸試塊與1件沖擊試塊分為1組，共18組；然后，對18組試塊分別進(jìn)行在不同溫度下保溫時(shí)間2h的回火處理，在回火溫度220～450℃內(nèi)，每10℃為回火溫度間隔；完成回火試驗(yàn)后，選取沖擊余料在臺式硬度計(jì)檢測試樣硬度，取平均值；接下來，將每個(gè)拉伸試塊加工成室溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣（見圖3），每個(gè)沖擊試塊加工成4個(gè)V型室溫沖擊試樣（見圖4）；最后，采用WDW-B10電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，以10mm/min的拉伸速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)，以5m/s的沖擊速率進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并觀察沖擊試樣顯微組織。

圖3 30Cr2Ni2Mo鋼拉伸試樣

圖4 30Cr2Ni2Mo鋼沖擊試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 回火溫度對30Cr2Ni2Mo鋼顯微組織的影響

圖5所示為替打環(huán)用30Cr2Ni2Mo鋼經(jīng)不同溫度回火后的金相組織。由圖5可看出，30Cr2Ni2Mo鋼在220℃回火時(shí)得到了回火馬氏體，且馬氏體析出了極細(xì)小的碳化物，黑色針狀形態(tài)清晰可見；當(dāng)回火溫度為250℃時(shí)，組織內(nèi)部沒有明顯變化，仍分布著大量的針狀回火馬氏體；當(dāng)回火溫度升高到350℃時(shí)，30Cr2Ni2Mo鋼微觀組織為回火屈氏體，馬氏體針仍然可見；繼續(xù)提高回火溫度至450℃時(shí)，回火屈氏體中更多的碳化物得到析出，馬氏體針狀形態(tài)基本消失。

圖5 不同回火溫度條件下30Cr2Ni2Mo鋼顯微組織

3.2 回火溫度對30Cr2Ni2Mo鋼力學(xué)性能的影響

圖6所示為以溫度為橫坐標(biāo)、各力學(xué)性能指標(biāo)為縱坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到的對比曲線，分析回火溫度對其的影響趨勢。

圖6 不同回火溫度下30Cr2Ni2Mo鋼力學(xué)性能對比曲線

由圖6a可知，當(dāng)30C r2N i2M o鋼回火溫度由220℃升高到450℃時(shí)，30Cr2Ni2Mo鋼屈服強(qiáng)度從1359MPa降至1299MPa，其中回火溫度為390℃時(shí)，屈服強(qiáng)度最低，為1249MPa，回火溫度為220℃時(shí)，屈服強(qiáng)度最高，為1359MPa。

由圖6b可知，在220～450℃回火溫度區(qū)間內(nèi)，30Cr2Ni2Mo鋼抗拉強(qiáng)度從1673MPa降至1492MPa，屈強(qiáng)比從0.81升至0.87，其中回火溫度為390℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最低，為1391MPa，回火溫度為230℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最高，為1687MPa。

由圖6c可知，30Cr2Ni2Mo鋼在220～450℃區(qū)間內(nèi)回火，伸長率整體變化趨勢不大，在250℃、450℃回火時(shí)，伸長率均為8%，為最小值，當(dāng)回火溫度260℃時(shí)，伸長率最大，為12%。

由圖6d可知，30Cr2Ni2Mo鋼在220～450℃區(qū)間內(nèi)回火，其斷面收縮率對溫度的敏感性不高，斷面收縮率最小為44%，出現(xiàn)在300℃；當(dāng)回火溫度為240℃、390℃、430℃時(shí)，斷面收縮率可達(dá)到51%。

由圖6e可知，30Cr2Ni2Mo鋼在220℃回火時(shí)，硬度最大，為51.3HRC，在450℃回火時(shí)，硬度最低，為45.9HRC。

由圖6f可知，30Cr2Ni2Mo鋼在220～450℃區(qū)間回火時(shí)，沖擊吸收能量變化趨勢近乎呈一條水平線，沖擊吸收能量最大值出現(xiàn)在250℃，為31.70J，最小值出現(xiàn)在310℃，為25.03J。

當(dāng)回火溫度高于350℃時(shí)，30Cr2Ni2Mo鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率的上下波動程度較大。這是由于當(dāng)30Cr2Ni2Mo鋼回火溫度≥350℃時(shí)，顯微組織中出現(xiàn)回火屈氏體（見圖5c、d），極細(xì)的粒狀滲碳體大量析出。新出現(xiàn)的回火屈氏體對材料強(qiáng)度的提高起到促進(jìn)作用，而回火溫度增加到350℃以上時(shí)，位錯(cuò)間相互作用力降低，使得位錯(cuò)合并消失，從而降低位錯(cuò)密度，導(dǎo)致力學(xué)性能下降[8]。因此，回火屈氏體的出現(xiàn)與位錯(cuò)數(shù)量的減少，二者產(chǎn)生的碳化物析出強(qiáng)化增強(qiáng)以及位錯(cuò)強(qiáng)化減弱的綜合影響，導(dǎo)致30Cr2Ni2Mo鋼在≥350℃回火時(shí)力學(xué)性能產(chǎn)生較大的波動變化。

替打環(huán)的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 替打環(huán)力學(xué)性能指標(biāo)

綜上所述，當(dāng)回火溫度為240～260℃時(shí)，其力學(xué)性能波動較小，且抗拉強(qiáng)度達(dá)1661～1674MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)1318～1347MPa、伸長率為8%～12%，斷面收縮率為49%～51%、硬度為49.6～51.1HRC，對比表2，可見均滿足替打環(huán)的技術(shù)指標(biāo)要求。因此，選擇250℃回火，可保證生產(chǎn)的替打環(huán)產(chǎn)品滿足其設(shè)計(jì)的性能要求。

4 結(jié)束語

綜合以上試驗(yàn)及結(jié)果分析，30Cr2Ni2Mo鋼淬火后采用240～260℃回火，各項(xiàng)力學(xué)性能波動小，可滿足替打環(huán)熱處理后的力學(xué)性能及使用要求。