解德剛，吳紅，趙波，王善寶，袁琴

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

沖擊器用45CrNiMoV鋼是一種淬透性良好的中碳高強(qiáng)度合金鋼，具有強(qiáng)度、韌性匹配性好、應(yīng)用可靠的優(yōu)點(diǎn)，目前主要用于生產(chǎn)棒材產(chǎn)品，用做機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸、連接件、鑿巖釬具或航空航天等領(lǐng)域。但由于該鋼的碳當(dāng)量較高，熱軋空冷后的硬度很高，增大了連續(xù)軋制生產(chǎn)類型鋼材的制造難度，因此，用該鋼制造管材方面的研究還未見公開報(bào)道。本文嘗試了用該鋼進(jìn)行制管，研究針對該鋼物理特性實(shí)施的制管工藝及參數(shù)存在的問題與解決措施，通過工藝設(shè)計(jì)與參數(shù)控制及不同方式的熱處理后，獲得了與棒材產(chǎn)品相近的綜合力學(xué)性能，作為新的工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼材將比棒材大大節(jié)省用鋼量，減輕最終用戶制造設(shè)備的重量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工藝路線

采用100 t轉(zhuǎn)爐冶煉、連鑄工藝制得的方坯規(guī)格為280 mm×380 mm。將實(shí)驗(yàn)鋼方坯依次經(jīng)過余熱裝爐—加熱—軋制—定尺切割—緩冷坑緩冷—再加熱—穿孔—連續(xù)軋制—定徑—熱處理的工藝路線完成制管，獲得Φ150 mm×20 mm規(guī)格的45CrNiMoV鋼管。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1所示，滿足45CrNiMoV鋼成分要求［1］。實(shí)驗(yàn)鋼熱處理采用退火+正火+調(diào)質(zhì)的方案，1～9號實(shí)驗(yàn)中，固定其他工藝參數(shù)，調(diào)整回火溫度為460～700℃，間隔30℃取值，實(shí)驗(yàn)鋼熱處理方案如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Experimental Steel（Mass Fraction） %

表2 實(shí)驗(yàn)鋼熱處理方案Table 2 Heat Treatment Plan for Experimental Steel

在回火后的各試樣上加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣、沖擊試樣、硬度試樣，在Z600電子拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在JBN-500擺錘式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行U型缺口沖擊試驗(yàn)，在HRD-150洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行HRC硬度檢驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)鋼熱塑性與熱強(qiáng)性曲線測定

試樣尺寸為Φ6 mm×110 mm，將試樣置于Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上測定熱塑性、熱強(qiáng)性曲線。該成分鋼的熱塑性與熱強(qiáng)性曲線見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼的熱塑性與熱強(qiáng)性曲線Fig.1 Thermoplasticity and Thermal Strength Curves of Experimental Steel

2.2 實(shí)驗(yàn)鋼熱處理結(jié)果

拉力樣直徑為 10 mm，檢測項(xiàng)目 Rp0.2、Rm、A。 沖擊樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，檢測溫度為20℃，U型缺口。HRC硬度在未做檢驗(yàn)的沖擊樣上進(jìn)行，每實(shí)驗(yàn)號3點(diǎn)。拉伸性能、沖擊性能和硬度檢測結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2、圖3的力學(xué)性能檢測結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到1 000 MPa以上有較寬的工藝控制窗口，延伸率大于7%、斷面收縮率大于35%滿足用戶的潛在預(yù)期，常溫沖擊功大于31 J，實(shí)驗(yàn)鋼綜合力學(xué)性能可以滿足用戶需求［1］。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度與回火溫度的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding Relation between Experimental Steel Strength and Tempering Temperature

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼塑、韌性及硬度與回火溫度的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding Relation between Experimental Steel Plasticity,Toughness and Hardness and Tempering Temperature

3 結(jié)果分析與討論

3.1 熱處理工藝對實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響

在460～700℃范圍內(nèi)，隨著回火溫度的線性升高，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度降低速率先緩后快，超過610℃后強(qiáng)度降低幅度開始增大，而硬度呈現(xiàn)線性的降低、延伸率線性的升高，其間沒有明顯拐點(diǎn)，斷面收縮率在回火溫度超過610℃后有較明顯的提高。值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)鋼在不低于610℃回火時(shí)的沖擊功可以達(dá)到90 J以上，即實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊功是先緩慢升高，到610℃時(shí)開始大幅提高，即610℃為沖擊功升高速率由慢變快的拐點(diǎn)。同時(shí)，610℃也是強(qiáng)度開始大幅度下降的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)的出現(xiàn)預(yù)示著實(shí)驗(yàn)鋼組織狀態(tài)從610℃開始由回火屈氏體向回火索氏體的轉(zhuǎn)變，這與徐盛、劉雅政等［2］得出的45CrNiMoV鋼640℃回火轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w的研究結(jié)果比較接近。實(shí)驗(yàn)鋼金相組織如圖4所示。圖4（a）和（b）中，實(shí)驗(yàn)鋼610℃回火時(shí)的金相組織為回火屈氏體，清晰可見析出了一定量的條狀碳化物，基本還保存有淬火馬氏體的板條形態(tài)；640℃回火時(shí)的金相組織為回火索氏體，析出的碳化物已經(jīng)呈現(xiàn)顆?；慊瘃R氏體板條的形態(tài)已經(jīng)消失。

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼金相組織Fig.4 Metallographic Structures in Experimental Steel

需要指出的是，該45CrNiMoV實(shí)驗(yàn)鋼在熱軋后進(jìn)行切割加工過程中遇到了加工困難的問題。經(jīng)過檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)鋼的熱軋態(tài)硬度達(dá)到了40～46 HRC，過高的硬度不但難以加工，而且刀具磨損很快。一般認(rèn)為，硬度在16～20.5 HRC內(nèi)切削加工性較好，當(dāng)硬度大于32.1 HRC時(shí)，切削性顯著下降，硬度超過40 HRC時(shí)切削加工性很差［3］。通過860℃保溫60 min的退火處理后，試驗(yàn)鋼的硬度下降為25～28 HRC，大大改善了鋼管的切削加工性能。實(shí)驗(yàn)鋼的熱軋態(tài)和退火態(tài)金相組織如圖4（c）和4（d）所示，熱軋態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的金相組織中含有黑色針狀的馬氏體、下貝氏體組織，是硬度高的根本原因。而退火態(tài)的金相組織為鐵素體+珠光體組織，組織類型的改變促成了硬度的降低。

3.2 熱塑性、熱強(qiáng)性對實(shí)驗(yàn)鋼制坯、制管工藝影響

45CrNiMoV實(shí)驗(yàn)鋼的熱塑性曲線顯示，該鋼的熱塑性優(yōu)良，對鋼材表面質(zhì)量影響較小，可以確定較寬的生產(chǎn)工藝參數(shù)窗口。實(shí)驗(yàn)鋼在750℃有一最低點(diǎn)，應(yīng)注意控制不使鋼坯長時(shí)間處在750℃附近受力。45CrNiMoV實(shí)驗(yàn)鋼的熱強(qiáng)性曲線顯示，1 100℃以下的熱軋區(qū)間實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度較高，達(dá)到2kN，900℃以下的強(qiáng)度升高幅度更大，因此，需控制鋼管的主要變形溫度在1 100℃以上，尤其定減徑溫度不要低于900℃，從而減小變形抗力，降低軋制設(shè)備的負(fù)荷。由于實(shí)驗(yàn)鋼正常熱軋狀態(tài)下的強(qiáng)度很高，空冷態(tài)硬度達(dá)到40 HRC以上，一般的冷矯直或鋸切難以實(shí)施，因此，應(yīng)避免鋼管冷矯直工藝和低溫定尺鋸切。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)鋼的熱塑性、熱強(qiáng)性物理特性開展工業(yè)實(shí)驗(yàn)，以連鑄方式進(jìn)行生產(chǎn)，連鑄鋼坯控制在1 200～1 280℃進(jìn)行加熱爐加熱，而后軋制成圓管坯。此處控制終軋溫度在700～950℃進(jìn)行熱切定尺，并將圓管坯放入緩冷坑進(jìn)行緩慢冷卻至500℃以下。隨后將圓管坯由緩冷坑取出放入加熱爐加熱至1 240～1 280℃，保溫足夠時(shí)間，對圓管坯進(jìn)行穿孔、軋制、定型得到所需的外徑和壁厚尺寸。工業(yè)試驗(yàn)鋼圓管坯橫截面和熱酸浸2 h后外表面照片如圖5所示?？梢钥吹剑撆魍獗砻鎯H有少量的淺麻坑，橫截面有0.5級左右的縮孔，避免了實(shí)驗(yàn)鋼鋼坯外表面和橫截面裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

（1）45CrNiMoV鋼在1 100℃以下的熱強(qiáng)度較高，達(dá)到2 kN以上，并且熱強(qiáng)度的升高速率隨溫度的降低顯著增大，制管時(shí)應(yīng)避免低溫軋制，控制不低于1 100℃為宜。

（2）45CrNiMoV鋼的熱軋態(tài)硬度較高，不利于機(jī)械加工，經(jīng)過860℃退火處理后，硬度可降低到 25～28 HRC。

（3）45CrNiMoV鋼管在860℃正火+880℃淬火+不低于610℃回火時(shí)的沖擊功可以達(dá)到90 J以上,回火溫度610℃為沖擊功升高速率由小變大的拐點(diǎn)，也是強(qiáng)度開始大幅度下降的拐點(diǎn)。

（4）45CrNiMoV鋼管的金相組織狀態(tài)從610℃開始由回火屈氏體向回火索氏體的轉(zhuǎn)變，是力學(xué)性能發(fā)生突變的內(nèi)在原因。