C460 鋼的化學(xué)成分與熱處理工藝優(yōu)化

楊愛寧

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

0 前言

C460 鋼是一種耐低溫沖擊的低合金鋼，主要用于液化石油氣及液化天然氣等貯存運輸容器、低溫環(huán)境下運行的橋梁卷筒機設(shè)備配套設(shè)備以及海洋石油工程結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。目前，世界石油和天然氣勘探開發(fā)投資呈現(xiàn)開始增長趨勢，鉆井區(qū)域不再局限于常規(guī)陸地和海洋，而是加大了高寒地區(qū)的油氣開發(fā)力度[1]，這些地區(qū)要求鉆井在-40℃能正常工作，而普通材料均不能滿足要求，因此在-40℃低溫條件下使用的高強度、高韌性、高塑形的鑄鋼材料面臨新的挑戰(zhàn)。同時，海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)是開發(fā)利用海洋資源的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，也是我國當(dāng)前加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2],具有高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出、高附加值、高風(fēng)險的特點，是先進制造、信息、新材料等高新技術(shù)的綜合體，產(chǎn)業(yè)輻射能力強，對國民經(jīng)濟帶動作用將非常顯著。因此，該類低溫用高強度鑄鋼的化學(xué)成分及熱處理工藝研究，對海洋裝備材料具有重要意義。

1 化學(xué)成分及熱處理工藝設(shè)計

C460 鋼使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，要求在碳當(dāng)量Ceq＜0.55、焊接敏感性Pcm≤0.28 的條件下，具有較高的強度和良好的低溫沖擊性能。其力學(xué)性能要求見表1，化學(xué)成分要求見表2。

表1 力學(xué)性能要求表

表2 化學(xué)成分要求w/%

1.1 化學(xué)成分設(shè)計

在C460 鋼成分范圍內(nèi)，為保證材料的綜合力學(xué)性能要求，化學(xué)成分設(shè)計時，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，通過分析合金元素的作用，然后對各化學(xué)元素進行綜合調(diào)整。其中，C 元素能提高鋼的硬度和強度，但降低其塑性和韌性；Cr 元素可增加鋼的淬透性和二次硬化作用；Mo 元素對低合金鋼有很大的強化作用，不但可提高強度和硬度，降低鋼的臨界冷卻速度，而且可以提高淬透性；Ni 元素提高強度的同時，可改善鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性[3]。結(jié)合性能特性及各元素的作用，設(shè)計了表3 所示三種化學(xué)成分。

表3 實際化學(xué)成分控制范圍 w/%

1.2 熱處理工藝設(shè)計

為達到力學(xué)性能要求，通過對不同化學(xué)成分的材料熱處理組織轉(zhuǎn)變的理論分析，分別測算出該材料的AC3、AC1相變點溫度，為達到組織均勻化及相變轉(zhuǎn)變完全，鑄件淬火的保溫溫度確定為AC3＋（50～100）℃、AC1－（50～150）℃：然后依據(jù)以下三條原則制定熱處理工藝。

（1）AC3以上溫度對鑄件進行退火，均勻成分，為淬火做好組織上的準(zhǔn)備。

（2）對鑄件進行兩相區(qū)的淬火，使未溶進奧氏體中的鐵素體分割奧氏體，鐵素體彌散分布，阻止奧氏體晶粒長大，從而細(xì)化晶粒，提高鑄件的低溫韌性。

（3）對鑄件進行淬火，組織均勻化后通過淬火細(xì)化晶粒，提高鑄件的低溫韌性。

（4）采用高溫回火，得到回火索氏體，以達到材料要求的綜合力學(xué)性能。

根據(jù)以上原則設(shè)計出3 種熱處理工藝制度：退火（A）+亞溫淬火（Q1）+回火（T），淬火（Q）+高溫回火（T）及正火（N）+回火（T），分別對不同化學(xué)成分試樣進行力學(xué)性能檢測，熱處理工藝方案見表4。

表4 熱處理工藝方案

2 試驗過程

2.1 冶煉過程

根據(jù)C460 材料的成分要求，結(jié)合材料在低溫沖擊方面的性能要求，對低溫沖擊性能有重要影響作用的殘余元素如S、P 含量控制及輔材的加入如表5 所示。

表5 C460 材料冶煉過程

C460 材料采取電弧爐EAF 熔煉—鋼包精煉爐LF 熔煉—真空脫氣VD 的冶煉工藝，具體流程如圖1 所示。

圖1 C460 冶煉工藝流程

2.2 熱處理過程及力學(xué)性能檢測

按照表4 確定的熱處理工藝試驗方案，每組三個試樣，根據(jù)ASTMA370 取樣標(biāo)準(zhǔn)的要求，按照圖2 要求對試塊加工進行取樣，分別檢測表6 中力學(xué)性能的要求。

圖2 取樣標(biāo)準(zhǔn)

3 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)既定的熱處理工藝制度處理后力學(xué)性能檢測結(jié)果見表6。

表6 力學(xué)性能檢測結(jié)果

3.1 金相檢測結(jié)果

圖4 QT 熱處理工藝制度下金相組織

不同的熱處理工藝制度對應(yīng)的金相組織如圖3～5 所示，經(jīng)AQ1T 熱處理制度和QT 熱處理制度處理后的材料組織為均為貝氏體，經(jīng)NT 熱處理制度處理后的組織為貝氏體+鐵素體。

圖3 QLT 熱處理工藝制度下金相組織

3.2 熱處理工藝對性能的影響

（1）通過對表6 中不同的熱處理工藝類型所得的檢測數(shù)據(jù)比對可以看出，同種材料采用三種不同熱處理工藝時，經(jīng)過NT 處理的材料強度和沖擊性能均最低，采用AQ1T 處理后材料的強度和沖擊綜合指標(biāo)最高。導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因是材料直接進行高溫退火后其成分和組織均得到均勻化，在這種條件下，又進行亞溫淬火，晶粒細(xì)化，晶界增多，從而材料的強度和韌性提高。而經(jīng)過NT 處理的材料，由于冷卻速度慢，晶粒尺寸相對較大，存在混晶，且組織內(nèi)部片層間距較大，從而導(dǎo)致了強度和沖擊韌性較低。

圖5 NT 熱處理工藝制度下金相組織

（2）對于AQ1T 和QT 工藝，隨回火溫度的提高，材料的強度降低，沖擊功明顯提高；而NT 工藝在560～590℃回火，材料的強度隨回火溫度的提高而降低，但是沖擊功變化不明顯。

（3）通過不同的熱處理工藝制度處理后，AQ1T 工藝得到的材料裂紋尖端張開位移（CTOD）均合格，QT 工藝得到的CTOD 結(jié)果不穩(wěn)定，而NT工藝處理后材料的CTOD 均不合格，這主要是由于經(jīng)過AQ1T 工藝處理后的材料晶粒細(xì)化、析出物能夠彌散分布，從而使材料具備較高強度的同時具備了高韌性。

4 試驗結(jié)論

（1）C 含量控制在標(biāo)準(zhǔn)上限可確保材料的強度，Mn 能提高材質(zhì)的強度但是顯著惡化低溫沖擊性能，應(yīng)嚴(yán)格控制，Ni 控制在標(biāo)準(zhǔn)的上限，可顯著提升材質(zhì)的低溫沖擊性能。

（2）同一種化學(xué)成分，退火+亞溫淬火+高溫回火能同時提高材料強度和低溫沖擊的綜合性能。

（3）不同的熱處理工藝制度下，采用AQ1T 熱處理工藝制度得到的材料綜合力學(xué)性能最優(yōu)，不但滿足了材料的碳當(dāng)量Ceq＜0.55，焊接敏感性Pcm≤0.28，裂紋尖端張開位移（CTOD）檢測合格，滿足了材料在低溫環(huán)境下使用的綜合性能達到要求。