4130合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝淺析

文/唐軍，祁易·中車資陽機車有限公司

閥體作為我公司新領域開發(fā)的新產(chǎn)品，有著廣泛的市場前景和潛力，4130是ASTM A29標準一種合金結(jié)構(gòu)鋼牌號，廣泛應用于制造石油閥體。閥體作為油田、油井、天然氣井系統(tǒng)中的一個重要零部件，與閥芯以及閥座密封圈一起形成密封后能夠有效承受介質(zhì)的壓力，同時閥體需適應高寒高海拔地區(qū)環(huán)境條件，具有耐寒、耐高壓、抗凍裂實用目的。根據(jù)壓力等級不同，閥體有較高低溫沖擊性能要求，所以需要有良好的綜合機械性能，調(diào)質(zhì)處理是獲得優(yōu)良綜合機械性能的最佳熱處理途徑。本文針對4130材料特性，采用新的合金元素配比，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，提高材料淬透性，細化晶粒方式的工藝開發(fā)過程進行了闡述。

4130材料主要參數(shù)及技術(shù)要求

⑴4130材料化學成分如表1所示。

⑵4130材料熱處理機械性能要求如表2所示。

4130材料工藝分析

4130是ASTM A29標準一種合金結(jié)構(gòu)鋼牌號，根據(jù)化學成分進行對比，類似國內(nèi)材料牌號30CrMo，由于機械性能中要求進行低溫沖擊(-46℃)試驗，必須對4130材料合金元素配比進行調(diào)整，以提高材料淬透性，通過細化晶粒，以改善該材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

在溫度低于一個特定溫度的時候，材料沖擊功會顯著降低而呈現(xiàn)從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕@一溫度即為冷脆轉(zhuǎn)變溫度，實際上就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明鋼材的抵抗冷脆性能越高，高韌性的材料不容易發(fā)生冷脆，反之就容易發(fā)生。采用V形缺口試樣,通過系列溫度的沖擊試驗，以沖擊吸收功、纖維斷面率的變化對4130材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度進行了測定，試驗結(jié)果表明，4130材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40℃至-60℃之間。如果不對材料化學成分進行重新設計，-46℃低溫沖擊性能無法達到技術(shù)要求。

表1 4130材料主要化學成分（%）

表2 4130材料熱處理后機械性能

4130材料熱處理工藝方案

4130材料化學成分設計

對4130材料化學成分進行分析，4130材料是合金結(jié)構(gòu)鋼，要達到-46℃低溫沖擊性能要求，需對該材料化學成分中合金元素及其他元素含量進行重新規(guī)定，主要從降低材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和細化晶粒入手，進行化學成分設計。

元素P能提高鋼的強度，但使其塑性和韌性降低，特別是它使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度急劇升高，即提高了鋼的低溫脆性。元素Ni能細化鋼晶粒，增進鋼的硬化性能，同時提高鋼的塑韌性，特別是低溫韌性。因此通過調(diào)整4130材料化學成分P和Ni的含量，來達到改善材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的目的，因此在滿足4130材料原有化學成分基礎上，對P和Ni進行重新規(guī)定，具體化學成分設計見表3。

4130材料熱處理工藝試制方案

4130材料熱處理試制，首先采用重新化學成分設計后的原材料，經(jīng)過鍛造成規(guī)格100mm×200mm共4件QTC試塊進行調(diào)質(zhì)熱處理，按照ASTM-A370標準檢測QTC試塊性能，QTC試塊性能合格后，再進行閥體實物熱處理，進行實物解剖性能驗證。

4130材料熱處理工藝試制

QTC試塊熱處理工藝

4130材料屬于亞共析鋼，臨界溫度Ac3為810℃，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+(30～ 70)℃，QTC試塊淬火采用水冷，淬火前介質(zhì)溫度≤39℃，提高材料淬透性，綜合考慮后，確定工藝為：淬火溫度為860～880℃，保溫時間為1.5～2h，水冷淬火。圖1所示回火溫度選擇650～680℃，回火時間的選擇不但要保證透燒使其組織轉(zhuǎn)變得以充分進行，同時要盡量消除殘余應力，回火時間定為2～2.5h，回火后采用水冷，避免產(chǎn)生二類回火脆性。

圖1 QTC試塊調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線

QTC試塊取樣位置如圖2所示，按照ASTMA370標準檢測加工拉伸試棒及沖擊試樣進行性能試驗，試驗數(shù)據(jù)見表4。

QTC試塊試驗結(jié)果分析

對4件QTC試塊取樣性能試驗數(shù)據(jù)進行分析，各項性能指標均滿足技術(shù)要求，尤其是-46℃低溫沖擊數(shù)據(jù)遠高于技術(shù)要求，同時抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率具有較好的配比，晶粒度均在7.0級以上。由此可見，對4130材料化學成分進行重新設計，有效提高了4130材料的淬透性，通過調(diào)質(zhì)熱處理，使晶粒得到細化，達到預期效果。

圖2 QTC試塊性能試樣取樣位置

表3 4130材料化學成分設計（%）

表4 QTC試塊性能數(shù)據(jù)

4130材料閥體實物熱處理驗證

根據(jù)4件QTC試塊性能試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，決定對采用4130材料鍛造生產(chǎn)的一種閥體實物進行調(diào)質(zhì)熱處理，并按用戶本體解剖試驗大綱要求取樣進行性能試驗，進行實物驗證。

圖3所示閥體鍛件重約300kg，最大截面處尺寸300mm，淬火加熱裝爐采用料筐裝爐，淬火前啟動循環(huán)冷卻攪拌系統(tǒng)，淬火前介質(zhì)溫度≤39℃，使閥體淬火具有良好淬火效果，并淬火均勻。綜合考慮后，確定工藝參數(shù)為：淬火加熱溫度為880℃，保溫時間為5～5.5h，水冷淬火。

閥體淬火后采用的高溫回火，溫度控制在650～680℃（圖4），回火后具有優(yōu)良的綜合機械性能，同時要盡量消除殘余應力，因此回火時間不宜過短。但從經(jīng)濟角度和組織變化等方面分析，時間也不必過長，綜合考慮，回火時間定為6～6.5h，回火后采用水冷，避免產(chǎn)生二類回火脆性。

閥體熱處理完成后，從最大截面處取試片，按用戶本體解剖試驗大綱進行性能試棒加工，并進行性能試驗，具體取樣見圖5，本體解剖試驗數(shù)據(jù)見表5。

圖3 4130材料鍛造的閥體鍛件

圖4 熱處理工藝曲線

圖5 樣本尺寸圖

表5 閥體本體解剖試驗性能數(shù)據(jù)

4130材料閥體實物試驗數(shù)據(jù)分析

閥體實物解剖取樣位置在該閥體最大截面處，因此實物解剖取樣是從鍛件心部取樣，各取樣位置性能數(shù)據(jù)均達到技術(shù)要求值，強度指標中屈服強度偏低，但-46℃低溫沖擊值高于技術(shù)協(xié)議要求規(guī)定值。其中6-1和7-1是與金屬纖維方向垂直的橫向沖擊值，尤其7-1是心部位置的橫向低溫沖擊值，也達到了技術(shù)要求規(guī)定值，從總體各位置性能數(shù)據(jù)看，閥體綜合機械性能較好，-46℃低溫沖擊值富余量較大，批量熱處理適當降低回火溫度可有效提高強試指標。

對實物取樣進行金相組織檢驗，金相組織為正常回火索氏體如圖6所示，回火后晶粒細小，依據(jù)GB/T6394《金屬平均晶粒度測定方法》，晶粒度可評為7.5級如圖7所示。

結(jié)束語

⑴4130材料通過對化學成分進行重新設計，規(guī)定合金元素Ni含量及其他元素磷含量，以提高材料淬透性，細化晶粒度，改善材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度，大幅提高了-46℃低溫沖擊值。

圖6 金相組織500×

圖7 晶粒度100×

⑵4130材料通過對QTC試塊，閥體實物調(diào)質(zhì)熱處理工藝驗證，機械性能試驗均達到技術(shù)要求規(guī)定值，綜合性能良好，有效提高低溫沖擊韌性值。試驗數(shù)據(jù)證明，對4130材料進行化學成分設計，是提高其低溫沖擊值最有效，最經(jīng)濟的解決方案。