楊耀龍 毛 蔚 肖建軍 馮 敬

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

35CrNi3MoV鋼是一種優(yōu)質(zhì)的合金鋼，常用于制造高壓、超高壓容器及相關(guān)附件，由于材料碳含量高且有低溫韌性的要求，因此鍛件產(chǎn)品在制造過程中，既要保證組織的充分轉(zhuǎn)變，又要防止開裂。此外，該鋼屬于NiCrMoV鋼，組織為典型的貝氏體組織，具有十分強(qiáng)烈的組織遺傳性，需要采用合適的預(yù)備熱處理工藝，消除組織遺傳，實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化與均勻化[1-2]，為后期產(chǎn)品力學(xué)性能的苛刻要求做好準(zhǔn)備。本文以某筒體鍛件為研制對象，采用Jmatpro計(jì)算軟件對其化學(xué)成分進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合鍛后熱處理工藝優(yōu)化和鋼水純凈化冶煉，最終實(shí)現(xiàn)筒體鍛件的合格制造。

1 筒體鍛件的尺寸規(guī)格與典型力學(xué)性能要求

筒體鍛件的典型尺寸見圖1，鍛件長度為1902 mm，內(nèi)徑為190 mm，外徑為460 mm，壁厚135 mm，鍛件典型的理化性能要求為：Rp0.2≥960 MPa，Rm=1070～1230 MPa，KV2(-40℃)≥47 J。

圖1 筒體鍛件尺寸圖Figure 1 Dimension drawing of cylinder forging

2 化學(xué)成分優(yōu)化分析

筒體鍛件化學(xué)成分要求見表1，從表1可以看到，碳含量要求較高，范圍在0.30%～0.40%，同時(shí)含有較高的合金含量，按照碳當(dāng)量公式CE=C%+Mn%/20+Ni%/15+(Cr%+Mo%+V%)/10計(jì)算，碳當(dāng)量達(dá)到0.724，在淬火過程中極易出現(xiàn)開裂，因此需要對化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化研究。本文采用Jmatpro對化學(xué)成分進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，主要優(yōu)化對象為碳元素，碳元素計(jì)算根據(jù)上下限以及中間梯度按照0.04%取值，其余元素按照中限進(jìn)行控制，計(jì)算成分見表1。不同碳含量的平衡相析出計(jì)算結(jié)果見圖2，從圖2可以看到，隨著碳含量的增加，碳化物平衡析出相的總量是增加的，從碳化物的類型看，隨著碳含量的增加，碳化物增加的類型主要是滲碳體，而其他類型碳化物增加量不明顯，由于滲碳體在實(shí)際制造過程中，容易沿晶界析出，而且尺寸較大，且容易成網(wǎng)，對韌性控制有較大的負(fù)面影響，因此從碳化物類型角度，碳含量應(yīng)該盡量的低。圖3是不同碳含量對材料淬透性的影響計(jì)算結(jié)果，從圖3可以看到，隨著碳含量的增加，對于工件表面硬度有4HSD的變化，隨著深度的增加，硬度變化趨勢降低，按照筒體1/2壁厚位置(67.5 mm)，硬度變化小于2HSD，強(qiáng)度變化較小。因此綜合考慮碳當(dāng)量、有害相和淬透性，材料的碳含量控制在中下限即0.30%～0.34%，其余合金元素控制在中限，如果鍛件厚度增加，可以適當(dāng)增加Ni、Mo等增加淬透性元素的含量。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition (mass fraction, %)

圖2 35CrNi3MoV鋼不同碳含量平衡相計(jì)算結(jié)果Figure 2 Calculation results of equilibrium phase of 35CrNi3MoV steel with different carbon content圖3 35CrNi3MoV鋼不同碳含量淬透性計(jì)算結(jié)果Figure 3 Calculation results of hardenability of 35CrNi3MoV steel with different carbon content

3 鍛后熱處理工藝模式設(shè)計(jì)

35CrNi3MoV鋼為典型的強(qiáng)組織遺傳材料，鍛件鍛造后，由于內(nèi)外溫度場的差異和變形程度的差異，鍛造完成后，鍛件內(nèi)部的晶粒為粗晶和混晶，因此為了給調(diào)質(zhì)熱處理提供良好的組織和晶粒條件，必須進(jìn)行鍛后熱處理。根據(jù)材料的特性，鍛后熱處理的組織遺傳消除模式主要有兩種[3- 4]，一是平衡轉(zhuǎn)變，一是奧氏體自發(fā)再結(jié)晶，考慮筒體鍛件的尺寸和壁厚，本次筒體鍛件的鍛后熱處理采用奧氏體自發(fā)再結(jié)晶的正回火工藝模式進(jìn)行組織遺傳消除和晶粒均勻化，工藝模式見圖4。

圖4 鍛后熱處理工藝曲線Figure 4 Process curve of heat treatment after forging

4 性能熱處理

通過性能熱處理，可實(shí)現(xiàn)鍛件組織的優(yōu)化以及強(qiáng)韌性的合理匹配，由于筒體鍛件強(qiáng)度和低溫韌性要求高，因此性能熱處理過程中，以馬氏體和貝氏體組織為控制目標(biāo)，為得到馬氏體和貝氏體的臨界冷速，采用Jmatpro對其連續(xù)冷卻曲線(CCT曲線)進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖5，根據(jù)圖5計(jì)算結(jié)果，材料得到全貝氏體的臨界冷速為大于216℃/h，要得到全馬氏體的臨界冷速為7200℃/h，因此在冷卻過程中，要盡量加快冷卻速度，工藝上采取了淬火竄動、冷卻水溫度控制、冷卻水循環(huán)等工藝要求。

圖5 35CrNi3MoV鋼CCT曲線計(jì)算結(jié)果Figure 5 CCT curve calculation results of 35CrNi3MoV steel

另外，由于鍛件碳當(dāng)量高，存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此為了保證充分獲取貝氏體和馬氏體，同時(shí)為了避免開裂，充分利用鍛件高溫塑性較好的特點(diǎn)，采用水冷-空冷-水冷交替冷卻的方式，保證臨界冷卻速度的同時(shí)降低淬火應(yīng)力，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，筒體的淬火工藝曲線見圖6。同時(shí)，考慮到強(qiáng)度對回火溫度敏感的特性，工件在回火過程中，采用外接熱電偶對工件溫度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

圖6 淬火熱處理工藝曲線Figure 6 Quenching heat treatment process curve

5 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

筒體鍛件按照GB/T 34019—2017標(biāo)準(zhǔn)，在工件一端的1/2壁厚處取樣進(jìn)行理化性能檢測，取樣示意圖如圖7所示。筒體鍛件的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2，從表2可以看到，鍛件的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是低溫沖擊，有著較大的富裕量，晶粒度細(xì)小均勻。

表2 筒體鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties of cylinder forgings

圖7 筒體取樣位置圖Figure 7 Cylinder sampling location map

6 結(jié)論

(1)35CrNi3MoV碳含量控制在中下限即0.30%～0.34%，其余合金元素控制在中限，如果鍛件厚度增加，可以適當(dāng)增加Ni、Mo等增加淬透性元素的含量。

(2)采用正回火的鍛后熱處理工藝以及水空交替淬火的性能熱處理，可以得到優(yōu)良的組織和良好的力學(xué)性能，滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。