船用軸系碳錳鋼成分優(yōu)化及鍛后熱處理工藝的改進(jìn)

船用軸系碳錳鋼成分優(yōu)化及鍛后熱處理工藝的改進(jìn)

由于材料簡單、價格低廉等因素，船上的輕精鋼在銀行的使用中所占比例較大。這種彎曲的彎曲接受通常是在彎曲后用反向火處理后進(jìn)行的，但力學(xué)能的剛度指數(shù)通常不符合船舶等級的要求。本文通過對軸系碳錳鋼的成分優(yōu)化及鍛后熱處理工藝的改進(jìn),基本解決了軸系碳錳鋼中力學(xué)性能不合格的問題,節(jié)約了成本,為公司贏得了市場。1鍛后熱處理工藝試驗與分析圖1為中間軸粗加工尺寸及取樣示意圖。根據(jù)船級社對它的化學(xué)成分及性能要求,對中間軸用鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了內(nèi)控,具體成分見表1,被船級社批準(zhǔn)的圖紙的性能要求為Rm=590～710MPa、ReH≥295MPa、A5≥19%、Z≥40%、AKV≥27J,并要求在其兩端各取1個拉伸、3個沖擊試樣。根據(jù)中間軸的化學(xué)成分設(shè)計,制定鍛后熱處理工藝,見圖2。鍛件所用鋼錠在熔煉分析時得到的化學(xué)成分見表2。按圖1所示在中間軸的水口端和冒口端取樣,進(jìn)行力學(xué)性能試驗,試驗結(jié)果見表3。最初的化學(xué)成分控制理念主要出于兩點:①控制C的含量偏上限,得到更多片間距小的P(珠光體,下同)組織,保證鍛件的強(qiáng)度指標(biāo);②適當(dāng)增加碳含量,增加A(奧氏體,下同)的穩(wěn)定性,減小臨界冷卻速度,抑制先共析網(wǎng)狀F(鐵素體,下同)的析出,以利于提高韌性。但從表3中近6爐鋼的力學(xué)性能來看,強(qiáng)度指標(biāo)基本處于要求的中上限,0℃及25℃下的沖擊值均未達(dá)到≥27J的要求(0℃沖擊試驗為船檢師追加試驗)。從金相檢驗上分析,試樣的晶粒度為5～6級,F網(wǎng)狀析出較嚴(yán)重,有混晶現(xiàn)象,部分試樣中的晶界有析出物,A、B、C、D類夾雜物均為1～1.5級,這些都嚴(yán)重影響了鍛件的沖擊韌性。2雜質(zhì)元素的偏聚影響鍛件沖擊韌性的原因主要有鋼水純凈度、含碳量、晶粒度、固溶元素、回火脆性即雜質(zhì)元素的偏聚析出等,從影響鍛件沖擊性能的幾個方面來分析,應(yīng)從以下幾個角度對鋼的化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化并對其熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。1提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般認(rèn)為C含量高,能提高淬透性,但因滲碳體增多,P片層內(nèi)滲碳體寬厚而增加基體脆性,提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度。降低C含量,可以通過提高M(jìn)n的含量部分補(bǔ)償鍛件的強(qiáng)度,Mn含量提高的同時能增加A穩(wěn)定性,增加淬透性,另鋼中含1%～1.5%Mn可促使F在變形時發(fā)生交滑移,使{112}、<111>滑移系在低溫下仍起作用,從而改善鋼的沖擊性能,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2化學(xué)成分對晶粒大小的影響晶粒的細(xì)化,加大了晶界總面積,使晶界雜質(zhì)濃度降低,避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂,同時增大裂紋擴(kuò)展功,從而提高韌性。最終熱處理后的晶粒度主要由加熱形成A時的晶粒度來決定,A晶粒的大小將影響F的尺寸及P團(tuán)的大小,最終影響鋼的強(qiáng)韌性。鋼在加熱A化時,A的晶粒長大主要依靠晶界的移動進(jìn)行的,其驅(qū)動力是晶界兩側(cè)晶粒表面自有能差。凡能影響這兩者的因素都可以改變A晶粒長大的進(jìn)程,鋼中促進(jìn)晶粒長大的元素有C、P、Mn(高碳時),C元素促使晶粒長大的主要原因是降低晶界Fe原子的擴(kuò)散激活能,降低Fe原子間的結(jié)合力,加速A晶粒的長大。強(qiáng)烈阻止A晶粒長大的元素有Al、Nb、V、Ti等元素,故在成分上增加Nb、Al,用來細(xì)化晶粒,Nb的作用尤其給與關(guān)注。關(guān)于用Nb微合金化結(jié)構(gòu)鋼,從而大幅度提高鋼的強(qiáng)韌性,國內(nèi)外學(xué)者已有大量研究及報道,取得了良好的效果。鋼中的Nb在鍛造熱加工過程中一部分形成鈮的碳化物,一部分固溶于鋼中,未溶的彌散分布于晶界、位錯線附近的NbC,在高溫鍛造的過程中對A再結(jié)晶有強(qiáng)烈拖拽作用,抑制A的再結(jié)晶,從而細(xì)化F晶粒和P團(tuán)的尺寸。3火工藝的調(diào)整溫度選擇在900～910℃,此溫度能使化學(xué)成分均勻,同時Nb所形成的碳、氮化合物部分溶于A,剩余碳、氮化物在冷卻時作為彌散結(jié)晶核心,有利于進(jìn)一步細(xì)化F晶粒及P組織。二次正火工藝不變,選擇840～850℃,鼓風(fēng)冷卻至約500℃,抑制先共析F析出?；鼗鸷笾苯涌绽?盡量抑制第二類回火脆性,約400℃時再回爐冷卻,減小殘余熱應(yīng)力及防止白點的生成,低于300℃后出爐空冷。曾有文獻(xiàn)報道,采用亞溫淬火,使組織中留有部分未溶F,未溶F作為結(jié)晶核心有利于細(xì)化晶粒,同時未溶F能溶解部分有害元素,起到凈化晶界的等等左右,從而提高韌性,但因碳錳鋼淬透性有限,淬火后組織應(yīng)仍主要以F+P為主,采用亞溫淬火的前提是最好以調(diào)質(zhì)后的組織作為其原始組織,這樣效果明顯,但成本高,不利于大批量生產(chǎn)。3試驗和性能測試結(jié)果通過以上分析,對中間軸的化學(xué)成分進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化的化學(xué)成分見表4。并改進(jìn)了其鍛后熱處理工藝,見圖3。在經(jīng)鍛后熱處理的中間軸上,按圖1所示位置在其兩端(冒口端和水口端)取樣,進(jìn)行力學(xué)性能試驗,試驗結(jié)果見表5。熱處理工藝改進(jìn)后共計生產(chǎn)15爐,制造過程嚴(yán)格控制成分、鋼水純凈度及嚴(yán)格按工藝執(zhí)行,從性能測試結(jié)果看,強(qiáng)度指標(biāo)基本在中下限,沖擊韌性無論是0℃還是25℃均得到極大提高,完全滿足要求。從金相檢驗看,P團(tuán)細(xì)小并分布均勻,F更加細(xì)小,網(wǎng)狀F析出大大減少,晶粒度可以達(dá)到8～9級。由此可見,成分的優(yōu)化及工藝改進(jìn)是合理可行的。4調(diào)整正火顆粒通過降低C含量,增加Mn含量,并適當(dāng)添加了細(xì)化晶粒的元素Nb和Al,對鍛件的化學(xué)成分進(jìn)行了優(yōu)化;并將鍛后熱處理工藝由一次正火改為兩次正火,增加了一次900～910℃高溫正火,以調(diào)整晶粒;回火后直接空冷,抑制第二類回火脆性,約400℃時再回爐冷卻