大型耳軸鍛件熱處理工藝研究

郎慶斌, 鄭三妹, 殷立濤, 于慎君, 李 光, 劉曉恩

(中信重工機(jī)械股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 前 言

煉鋼轉(zhuǎn)爐上的耳軸是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的重要組成部分,其工作條件高溫、多塵,會(huì)使耳軸產(chǎn)生撓曲變形,因此,要求耳軸具有足夠的強(qiáng)度和韌性[1].18CrMnMoB鋼具有良好的淬透性、鍛造、焊接和切削加工等工藝性能,廣泛用于制造工作溫度在450 ℃以下的大截面高強(qiáng)度鍛件.用18CrMnMoB鋼制造耳軸,不但可以滿足性能要求,還可以降低材料成本,具有重要的市場(chǎng)價(jià)值.

1 試驗(yàn)材料及主要技術(shù)指標(biāo)

某公司有兩件特大型18CrMnMoB鋼耳軸鍛件,其調(diào)質(zhì)尺寸如圖1所示.

技術(shù)條件中要求在φ700 mm端的1/3半徑處進(jìn)行性能檢驗(yàn).由于工件截面較大,影響合金淬透性,熱處理工藝是否合理對(duì)鍛件力學(xué)性能影響很大,需通過(guò)熱處理工藝試驗(yàn)來(lái)研究18CrMnMoB鋼的熱處理工藝參數(shù),并制定其熱處理工藝,使耳軸性能滿足各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo).試驗(yàn)樣品的化學(xué)成分見(jiàn)表1,力學(xué)性能見(jiàn)表2.鍛件應(yīng)具有5級(jí)以上的實(shí)際晶粒度.

表1 18CrMnMoB鋼鍛件的化學(xué)成分Tab.1 The chemical composition of the 18CrMnMoB steel forging

表2 18CrMnMoB鋼鍛件的技術(shù)驗(yàn)收指標(biāo)Tab.2 The technical targets of the 18CrMnMoB steel forging

圖1 鍛件的尺寸簡(jiǎn)圖

2 熱處理工藝

熱處理工藝模擬不同的奧氏體化溫度下的淬火試驗(yàn)及回火溫度對(duì)性能的影響.試驗(yàn)在程序自動(dòng)控制的熱處理試驗(yàn)電爐上進(jìn)行,試驗(yàn)電爐的最高加熱溫度為1 300 ℃.

將試驗(yàn)樣品分成兩組:第一組樣品分別采用不同的奧氏體化溫度進(jìn)行淬火,然后在同一電爐內(nèi)進(jìn)行580 ℃回火;第二組樣品在880 ℃保溫淬火后分別進(jìn)行不同溫度回火.第一組樣品淬火結(jié)束后,觀察不同的奧氏體化溫度對(duì)其組織與晶粒度的影響,見(jiàn)圖2和表3.

第一組試驗(yàn)的回火結(jié)束后,做室溫拉伸和室溫沖擊測(cè)試,力學(xué)性能如圖3所示.同理,第二組試驗(yàn)結(jié)束后做同樣的室溫拉伸和室溫沖擊測(cè)試,力學(xué)性能如圖4所示.

圖2 不同淬火溫度下的組織

表3 不同淬火溫度下的晶粒度Tab.3 The grain size at different quenching temperatures

圖3 淬火溫度對(duì)室溫力學(xué)性能的影響

圖4 回火溫度對(duì)室溫力學(xué)性能的影響

3 結(jié)果與分析

3.1 組織及力學(xué)性能

由組織、晶粒度和性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn):試樣在較低加熱溫度獲得的淬火組織為板條馬氏體+下貝氏體,見(jiàn)圖2(a).隨著加熱溫度升高,合金元素溶入奧氏體內(nèi)越來(lái)越多,奧氏體穩(wěn)定性提高,淬透性隨之提高,下貝氏體組織減少,主要為板條馬氏體,見(jiàn)圖2(b)和圖2(c).當(dāng)加熱溫度達(dá)到940 ℃時(shí),淬火組織基本為馬氏體,見(jiàn)圖2(d).隨著加熱溫度的提高,奧氏體晶粒長(zhǎng)大逐漸明顯,在860 ℃時(shí),奧氏體晶粒出現(xiàn)粗化趨勢(shì);當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃以上時(shí),奧氏體晶粒已粗化.因此,試樣獲得細(xì)晶粒的淬火溫度不能高于900 ℃.抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性之間存在著較佳匹配的淬火溫度區(qū)間,即抗拉強(qiáng)度與韌性均隨淬火溫度升高而提高.抗拉強(qiáng)度在900 ℃時(shí)達(dá)到最大值,沖擊功在880 ℃時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)超過(guò)極限后,強(qiáng)度與韌性開(kāi)始下降.

奧氏體晶粒尺寸和合金碳化物在奧氏體中的溶解度受淬火溫度的影響,因此,淬火溫度改變了鋼的淬透性和馬氏體板條束尺寸.隨著淬火溫度的升高,一方面Cr和Mo的碳化物溶入到奧氏體中的量增加,奧氏體中的合金度增大,淬火后馬氏體中C和合金元素的過(guò)飽和度增大,回火后析出的彌散細(xì)小碳化物增加;另一方面,奧氏體晶粒尺寸增大,相變后馬氏體板條束尺寸增大[2].可見(jiàn),隨淬火溫度的升高與合金元素的溶入,鋼的抗拉強(qiáng)度和韌性增大,同時(shí),晶粒長(zhǎng)大使鋼的抗拉強(qiáng)度和韌性降低.880～900 ℃之間淬火時(shí),抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收功增大,前者起主要作用;淬火溫度高于900 ℃時(shí),強(qiáng)度和沖擊吸收功減小,后者起主要作用.為了得到較佳的強(qiáng)、韌性匹配,淬火溫度必須精確控制在880～900 ℃的范圍內(nèi).

試樣隨回火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度降低,沖擊韌性增加.低于600 ℃回火時(shí),屈服強(qiáng)度在820 MPa以上,抗拉強(qiáng)度在935 MPa以上.高于540 ℃回火時(shí)沖擊功明顯提高,沖擊功≥145 J,這表明材料具有較高的強(qiáng)度和韌性.此外,材料的回火溫度低于580 ℃時(shí),材料強(qiáng)度隨溫度升高而較緩慢下降;而回火溫度高于580 ℃時(shí),由于α相已完成回火轉(zhuǎn)變的四個(gè)階段[3],金屬內(nèi)部的回復(fù)與再結(jié)晶已基本終了,試樣即隨著溫度的升高,碳化物繼續(xù)聚集長(zhǎng)大,強(qiáng)度迅速下降.由此可見(jiàn),試樣在540 ℃回火時(shí)已具有良好的韌性,而為了保證大鍛件的強(qiáng)度,回火溫度又不應(yīng)高于580 ℃,故耳軸的回火溫度應(yīng)選擇在540～580 ℃.

3.2 熱處理工藝及檢驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,試樣淬火溫度制定為880～900 ℃,回火溫度制定為560～580 ℃,實(shí)際生產(chǎn)調(diào)質(zhì)工藝如圖5所示.

表4為耳軸調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能檢驗(yàn)和晶粒度評(píng)定結(jié)果. 耳軸抗拉強(qiáng)度為840～875 MPa、屈服強(qiáng)度為725～765 MPa、沖擊功≥118 J. 450 ℃拉伸,抗拉強(qiáng)度為706～720 MPa、屈服強(qiáng)度為605～625 MPa,同比室溫拉伸,抗拉強(qiáng)度平均下降約145 MPa,屈服強(qiáng)度下降約130 MPa.耳軸鍛件的常溫拉伸和高溫拉伸斷口形貌見(jiàn)圖6.常溫拉伸斷口微觀形貌主要為等軸狀韌窩和少量的解理平面,韌窩的尺寸稍小,有少量撕裂棱,表明常溫下材料具有較好的塑韌性,如圖6(a)所示.高溫拉伸斷口形貌為等軸韌窩,大而深的韌窩分布均勻且數(shù)量較多,表明450 ℃下材料韌性非常好,如圖6(b)所示.檢驗(yàn)結(jié)果表明,耳軸經(jīng)上述調(diào)質(zhì)工藝處理后,獲得了良好的綜合力學(xué)性能.

圖5 耳軸生產(chǎn)中的調(diào)質(zhì)工藝

表4 檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The inspected results

圖6 拉伸斷口形貌

試驗(yàn)樣品加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%～0.003 0%的B.在冷卻過(guò)程中B原子向奧氏體晶界偏聚,而B(niǎo)在晶界上的溶解度很低,隨著B(niǎo)原子偏聚過(guò)程的進(jìn)展,將發(fā)生B相脫溶[4].首先析出金相不可見(jiàn)的微細(xì)B相,其一側(cè)與奧氏體是共格界面,能量很低,形核困難;而另一側(cè)與非共格晶界有利的鐵素體形核,但B相粒子很微細(xì),其非共格界面也不足以促進(jìn)形核,故使得耳軸淬透性大大提高[5].同時(shí)鋼中加入Mo元素,提高了回火穩(wěn)定性.回火析出彌散碳化物起到沉淀強(qiáng)化的效果,即使C含量不高,調(diào)質(zhì)也能獲得較高的常溫和高溫強(qiáng)度及良好的韌性.

5 結(jié) 論

(1) 18CrMnMoB鋼加熱高于900 ℃時(shí),晶粒明顯粗化,因此淬火要在低于900 ℃進(jìn)行.

(2) 采用880～900 ℃的淬火溫度和560～580 ℃的回火溫度,可以得到最佳的強(qiáng)、韌性匹配.抗拉強(qiáng)度達(dá)840～875 MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)725～765 MPa,沖擊功>118 J.

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