調質45#鋼沖擊值不合格的工藝改進

文/李波，周鵬·中車資陽機車有限公司

我公司生產的大型船用連桿毛坯，以正火處理為中間熱處理工藝，以調質為最終熱處理工藝。考慮經濟性，直接采用亞溫淬火高溫回火工藝，在保證45#鋼強度和硬度的同時，對于調質后已出現沖擊值較低的產品，采用調質后追加一道亞溫淬火高溫回火工藝即可解決。

連桿是柴油機上的關鍵傳動件，它將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，因此要求其具有良好的綜合力學性能。我公司鍛造生產的一種大型船用發動機連桿，材質為45#鋼，交貨狀態為熱處理調質，鍛件單重149kg，桿身橫截面半徑為90mm，是我公司生產同材質鍛件單重最重的船用連桿，調質后達到的技術要求見表1。

針對該連桿，我公司采用熱軋棒料鋸床下料，1.5t自由鍛一火出坯，16t模鍛一火成形，經熱處理后進行性能/金相檢測，合格后發貨。具體流程為：下料→出坯→檢查→模鍛→切邊、沖小頭孔→檢查→拋丸/打磨/探傷→機加大頭孔→熱處理→打標記/硬度檢測→拋丸/打磨/探傷→船檢→冷校正→去應力回火→拋丸/稱重→檢查→防銹→包裝→發貨。

熱處理設備采用500kW高溫電爐，該設備配備4只S形熱電偶，爐溫均勻性達到±10℃；熱處理裝爐方式采用連桿大小頭統一側立擺放于臺車上，裝爐量為21支/每爐；采用的熱處理工藝為：正火為預備熱處理，調質為最終熱處理；淬火介質為清水，淬火池中設有循環攪拌設備，控制每支連桿冷卻時水溫在40℃以下；淬火冷卻方式為：桿身垂直且保證大頭先入水；熱處理后，在實物桿身R/2處、大頭1/4厚度處分別取樣進行機械性能、金相檢測。

表1 45#鋼船用連桿調質后的技術要求

問題提出

在批量生產中，發現個別化學成分中含碳量居于上限的連桿容易出現強度/硬度居高不下、沖擊值極低的現象，經提高溫度返工回火或延長回火保溫時間后，仍無明顯效果。現把具有代表性的五爐不同熔煉爐號的連桿（A/B/C/D/E）進行對比分析，具體數值見表2。

表2 正常調質及返工回火的機械性能值統計

原因分析

機械性能分析

從表2可以看出，五爐連桿抗拉強度均接近上限，而沖擊值極低，其中兩爐在提高回火溫度返工熱處理后，沖擊值雖略有提高，但仍與規定值相差甚遠，可以排除與回火溫度有關。五爐連桿規定強度都很高，可以間接反映連桿淬火后硬度值較高，故回火后硬度值也接近上限，且每爐連桿淬火前后都進行水溫測試，并嚴格控制在淬火冷卻前水溫≤40℃的范圍內。通過二者可以排除與淬火介質（清水）有關。部分爐次連桿三個沖擊值波動性極大，間接說明熱處理后晶粒沒有細化，組織不均勻。

化學成分分析

45#鋼要求碳元素的含量在0.42%～0.50%之間，錳元素的含量在0.50%～0.80%之間。由于檢測條件的限制，只檢測出了此批船用連桿的碳、錳含量，從表3可以看出，A、B兩爐的碳含量接近45#鋼規定的上限，而錳含量≤0.60%；C、D兩爐的碳含量居于45#鋼規定的中限，而錳含量＜0.60%；E爐的碳含量接近45#鋼規定的上限，而錳含量最高，達到0.71%。

金相組織分析

對中A、B兩爐的鍛件進行840℃水淬＋630℃回火，分析表1中這兩爐的金相組織。鋼的顯微組織決定其機械性能，由圖1、圖2可以看出：A、B兩爐船用連桿金相組織都以大量珠光體為主，含少量鐵素體組織，導致強度居高沖擊值極低，因為鐵素體含量越低則沖擊值越低。

圖1 A連桿金相組織500×

圖2 B連桿金相組織500×

表3 五爐產品化學成分含量

綜合分析

結合連桿機械性能、材料化學成分、金相組織綜合分析：這五爐連桿出現沖擊值極低的現象，與化學成分中高的含碳量及低的含錳量密不可分。碳含量的增加勢必增加珠光體含量，從而提高產品強度和硬度，降低沖擊值；此外，碳在鋼中的主要作用就是提高屈服點和屈服強度，因此使鋼的塑性和沖擊性降低；由于含碳量高，Ac3點降低，存在馬鞍形的異常下降現象，此時仍采用常規淬火，鍛件抗回火性較好，即使提高回火溫度和延長回火保溫時間，也無法降低強度、硬度，提高其沖擊值，回歸分析結果與實際吻合；而錳含量高則強烈提高淬透性，對強度和韌性都有提高作用，而錳含量不足0.60%則對尺寸較大的連桿淬透性沒有明顯提高作用。

表4 調整熱處理參數后五爐船用連桿的機械性能

解決方案

介于此批連桿較高的含碳量、較低的含錳量，連桿常用840℃水淬后，基體組織中鐵素體含量低，結果強度高、沖擊值低（見表1）。提高沖擊值是挽救此批船用連桿的唯一辦法，利用珠光體相變規律調整熱處理工藝，在淬火介質采用清水的條件下，降低淬火加熱溫度和奧氏體的過冷度，減小珠光體的成核率和長大速度，最終減少珠光體量而增加鐵素體量，以達到提高沖擊值的目的。中碳鋼的亞溫淬火，由于能得到極細的奧氏體晶粒，并使磷等有害雜質集中于少量游離分散的鐵素體晶粒中，可以提高鋼的缺口韌性，降低冷脆轉變溫度，減小回火脆性等。最佳亞溫淬火溫度以接近上相變點為宜，45#鋼Ac3溫度為780℃，最優溫度選擇為770～780℃。若從低溫加熱升溫進入臨界區，則鐵素體是未溶解完了的，呈細小而均勻的分布，對提高韌性有更良好的作用，所以亞溫淬火時以升溫進入臨界區的效果較好，在緊接著表1常規調質后進行一道亞溫淬火高溫回火工藝，具體數值見表4。

從調整參數后得到的試驗結果以及金相組織照片（圖3、4）綜合分析：經過亞溫淬火后，鐵素體呈細小粒狀及針狀均勻分布在基體組織上，含量增多；由于亞溫淬火是在鐵素體和奧氏體兩相區加熱，相對于調質處理加熱溫度低，晶粒長大傾向較小，組織晶粒較細小。所得機械性能也反映出抗拉強度及規定強度都明顯降低，而沖擊值則極大地提升，已完全達到技術要求。

圖3 A連桿金相組織500×

圖4 B連桿金相組織500×

結束語

此批連桿化學成分中較高的碳、較低的錳是造成調質后抗拉強度高、沖擊值極低的主要原因。針對此批連桿原材料特點，降低連桿淬火溫度，能顯著改善其韌性，提高沖擊值，其中尤其以常規調質后進行的亞溫淬火、回火工藝為最佳。