張英云 閻建安 劉焊坤 衛(wèi)心宏

(太原重工鑄鍛分公司工藝材料所，山西030024)

材質(zhì)為ASTM A487B的曲軸是我公司開發(fā)的石油鉆采類設(shè)備用鑄件。該鑄造曲軸生產(chǎn)的前提條件是材料的系列評定試驗首先要滿足技術(shù)要求，通過對性能檢驗結(jié)果的試驗方案進行分析、研究和制造方案的改進，最終確定出合理的生產(chǎn)工藝方案。

1 主要技術(shù)要求

按合同要求，曲軸的化學成分和評定試塊、基爾試棒的性能要求分別見表1和表2。評定試塊的規(guī)格及性能試棒的取樣位置見圖1。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction,%)

表2 力學性能Table 2 Mechanical property

圖1 評定試塊規(guī)格Figure 1 The size of assessment test coupon

2 生產(chǎn)工藝

2.1 工藝方案

參考以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，初次試驗時，采用未經(jīng)真空處理的鋼水首先澆注兩塊評定試塊。推算該鋼種的AC3約為830℃，因此性能熱處理采用900～910℃正火+870～880℃水淬+ 600～610℃回火。正火的主要目的是細化晶粒，因為晶粒細小均勻，不僅可提高強度，而且韌性也很好。在實際熱處理時，同爐帶一塊規(guī)格如圖2所示的真空處理試塊(從報廢件上截取)。

2.2 試驗結(jié)果

按上述工藝方案對兩種試塊進行性能熱處理，處理后的力學性能數(shù)據(jù)見表3，拉力試棒宏觀斷口見圖3和圖4。

圖2 真空處理試塊Figure 2 The test coupon is treated by vacuum

2.3 結(jié)果分析及改進措施

對比表3中兩種試塊的性能數(shù)值，可以看出強度數(shù)值相差不大且都接近要求值，完全可以通過重新調(diào)質(zhì)降低回火溫度達到要求，而塑性指標尤其是延伸率和低溫沖擊相差很大，根據(jù)以往類似材料的生產(chǎn)經(jīng)驗，單單調(diào)整回火溫度不會有大的提高。且從斷口的宏觀照片(圖3)可以看出，未經(jīng)真空處理的評定試塊存在明顯夾渣。對試驗料進行成品分析，結(jié)果見表4。非金屬夾雜物硫化物檢驗結(jié)果為1號試棒2.5級，試塊0.5級。組織有明顯的疏松現(xiàn)象。延伸率與化學成分、鋼水純凈度、晶粒度和組織形態(tài)有關(guān)系；低溫沖擊主要與材料的淬透能力即合金元素的種類和含量有關(guān)，合金元素Cr、Mo、Ni不僅能增加鋼的淬透性，提高鋼的強度和回火穩(wěn)定性，而且Cr、Mo在提高強度的同時一定程度上還能提高韌性；Mo還可以防止合金調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火時第二類回火脆化現(xiàn)象的發(fā)生[1]。Ni能提高鋼的低溫韌性，而S、P作為鋼種有害元素，會顯著降低鋼的塑性及低溫韌性。結(jié)合成品分析結(jié)果得出試塊的主要合金元素均處在下線水平，為更大程度地細化鑄件原始晶粒，獲得組織致密的鑄件，同時盡量降低氣體和夾雜物的不利影響，進而提高鑄件的淬透能力，對評定試塊的制造方案進行以下改進：(1)采用精煉并經(jīng)真空除氣的鋼水，H≤2.0×10-6，O≤50×10-6，N≤80×10-6，S、P≤0.015(質(zhì)量分數(shù)，%)，同時提高主要合金元素的下線含量即(質(zhì)量分數(shù)，%)Cr 0.70～0.80，Ni 0.75～0.80，Mo 0.25～0.30。(2)在試塊的兩個側(cè)面加放外冷鐵，加大冒口，采用低溫快澆，以獲得心部的致密細晶組織。(3)性能熱處理時將回火溫度調(diào)整為580～590℃，同時淬火時加大冷卻水的循環(huán)，提高冷卻能力。

表3 初次性能檢驗結(jié)果Table 3 First mechanical property results

表4 試驗料成品分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 The chemical composition of test coupon (mass fraction,%)

圖3 評定試棒的拉力斷口Figure 3 The tensile fracture of assessment test bar

圖4 1號試棒的拉力斷口Figure 4 The tensile fracture of No.1 test bar

ReL/MPaRm/MPaA4(%)Z(%)Akv/J(0℃)基爾試棒1基爾試棒2評定試塊S1評定試塊S291089060563097596080080520.518.510.57.559.056.520.019.0108,99,100(-20℃)98,100,10050,46,3254,36,40

圖5 試棒 500×Figure 5 The test bar

圖6 試塊 500×Figure 6 The test coupon

2.4 第一次改進后的試驗結(jié)果

按調(diào)整后的工藝方案重新澆注6塊評定試塊(編號為S1，S2，S3，S4，S5，S6)和1組(4根)基爾試棒。將S1，S2兩塊試塊和基爾試棒同爐進行性能熱處理，性能檢測結(jié)果見表5。隨后對基爾試棒1和試塊S2的沖擊殘樣進行組織分析，分析結(jié)果為試棒是回火索氏體+回火屈氏體，試塊是鐵素體+回火索氏體+貝氏體，且呈現(xiàn)明顯偏析。組織照片分別見圖5、圖6。

從表5看出，試塊的強度指標已滿足要求，但延伸率還未達到標準要求，而基爾試棒的各項指標均達到要求。由此推斷，只要熱處理工藝選用恰當，該材料完全能夠達到技術(shù)要求的性能指標。

2.5 熱處理工藝的改進

(1)工藝方案的確定

結(jié)合上述試驗結(jié)果，將熱處理工藝調(diào)整為兩次正火+調(diào)質(zhì)(870～880℃，水冷，580℃回火)。其中一次正火(920～930℃，風冷)用以減少鑄件的成分偏析和消除原鑄造組織遺傳，使組織均勻化。隨后進行第二次較低溫度的正火(900～910℃，風冷)，并且適當延長奧氏體化時間(2 h/100 mm)，用以細化晶粒。

(2)試驗結(jié)果

將S3、S4試塊按上述方案重新進行性能熱處理，結(jié)果見表6。

表6 重新熱處理后的性能檢驗結(jié)果Table 6 The mechanical property result after reheat treatment

從表6數(shù)值可以看出，塑性指標雖不合格但有所改善，強度指標高出要求值約100 MPa。鋼的回火過程是碳化物不斷從馬氏體中析出、聚集和長大的過程。隨著回火溫度的升高，強度會降低，塑性會得到改善。并且隨著高溫下回火時間的延長，碳化物聚集長大明顯，且有連接趨勢，表現(xiàn)在鋼的性能上就是強度、硬度降低，而延伸率提高[2]。因此對原試驗料的剩余部分重新進行600～610℃回火，且延長保溫時間到5 h/100 mm，試驗結(jié)果見表7。此結(jié)果完全滿足技術(shù)要求。

表7 重回火后的性能結(jié)果Table 7 The mechanical property result after retempering

3 結(jié)論

為保證合金鑄鋼最好的熱處理效果，首先從鑄鋼件源頭抓起，即鋼水一定要精煉并經(jīng)真空除氣，適當提高主要合金元素的含量，同時降低S、P等有害元素的含量。

對于截面較大的鑄鋼試塊，為使性能熱處理后達到較高的強韌性組合，建議采用兩次正火處理，以獲得更均勻的組織和更細的晶粒。同時，在調(diào)質(zhì)階段，延長回火保溫時間到5 h/100 mm。

材質(zhì)為ASTM A487B的鑄造曲軸，材料性能評定試驗的理想熱處理工藝為一次正火920～930℃，風冷；二次正火900～910℃，風冷；淬火870～880℃，水冷，回火600～610℃，空冷。

[1] 那順桑.金屬熱處理300問[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.6.

[2] 薛傳佳，王玉輝，李窘.支撐輥用鋼疲勞壽命的研究.金屬材料研究.2007，33(1)：9-11.