大型耳軸鍛件熱處理工藝研究

郎慶斌, 鄭三妹, 殷立濤, 于慎君, 李 光, 劉曉恩

(中信重工機械股份有限公司,河南 洛陽 471003)

0 前 言

煉鋼轉爐上的耳軸是轉爐傾動裝置的重要組成部分,其工作條件高溫、多塵,會使耳軸產生撓曲變形,因此,要求耳軸具有足夠的強度和韌性[1].18CrMnMoB鋼具有良好的淬透性、鍛造、焊接和切削加工等工藝性能,廣泛用于制造工作溫度在450 ℃以下的大截面高強度鍛件.用18CrMnMoB鋼制造耳軸,不但可以滿足性能要求,還可以降低材料成本,具有重要的市場價值.

1 試驗材料及主要技術指標

某公司有兩件特大型18CrMnMoB鋼耳軸鍛件,其調質尺寸如圖1所示.

技術條件中要求在φ700 mm端的1/3半徑處進行性能檢驗.由于工件截面較大,影響合金淬透性,熱處理工藝是否合理對鍛件力學性能影響很大,需通過熱處理工藝試驗來研究18CrMnMoB鋼的熱處理工藝參數,并制定其熱處理工藝,使耳軸性能滿足各項力學指標.試驗樣品的化學成分見表1,力學性能見表2.鍛件應具有5級以上的實際晶粒度.

表1 18CrMnMoB鋼鍛件的化學成分Tab.1 The chemical composition of the 18CrMnMoB steel forging

表2 18CrMnMoB鋼鍛件的技術驗收指標Tab.2 The technical targets of the 18CrMnMoB steel forging

圖1 鍛件的尺寸簡圖

2 熱處理工藝

熱處理工藝模擬不同的奧氏體化溫度下的淬火試驗及回火溫度對性能的影響.試驗在程序自動控制的熱處理試驗電爐上進行,試驗電爐的最高加熱溫度為1 300 ℃.

將試驗樣品分成兩組:第一組樣品分別采用不同的奧氏體化溫度進行淬火,然后在同一電爐內進行580 ℃回火;第二組樣品在880 ℃保溫淬火后分別進行不同溫度回火.第一組樣品淬火結束后,觀察不同的奧氏體化溫度對其組織與晶粒度的影響,見圖2和表3.

第一組試驗的回火結束后,做室溫拉伸和室溫沖擊測試,力學性能如圖3所示.同理,第二組試驗結束后做同樣的室溫拉伸和室溫沖擊測試,力學性能如圖4所示.

圖2 不同淬火溫度下的組織

表3 不同淬火溫度下的晶粒度Tab.3 The grain size at different quenching temperatures

圖3 淬火溫度對室溫力學性能的影響

圖4 回火溫度對室溫力學性能的影響

3 結果與分析

3.1 組織及力學性能

由組織、晶粒度和性能測試結果發(fā)現:試樣在較低加熱溫度獲得的淬火組織為板條馬氏體+下貝氏體,見圖2(a).隨著加熱溫度升高,合金元素溶入奧氏體內越來越多,奧氏體穩(wěn)定性提高,淬透性隨之提高,下貝氏體組織減少,主要為板條馬氏體,見圖2(b)和圖2(c).當加熱溫度達到940 ℃時,淬火組織基本為馬氏體,見圖2(d).隨著加熱溫度的提高,奧氏體晶粒長大逐漸明顯,在860 ℃時,奧氏體晶粒出現粗化趨勢;當溫度達到900 ℃以上時,奧氏體晶粒已粗化.因此,試樣獲得細晶粒的淬火溫度不能高于900 ℃.抗拉強度和沖擊韌性之間存在著較佳匹配的淬火溫度區(qū)間,即抗拉強度與韌性均隨淬火溫度升高而提高.抗拉強度在900 ℃時達到最大值,沖擊功在880 ℃時達到最大值.當超過極限后,強度與韌性開始下降.

奧氏體晶粒尺寸和合金碳化物在奧氏體中的溶解度受淬火溫度的影響,因此,淬火溫度改變了鋼的淬透性和馬氏體板條束尺寸.隨著淬火溫度的升高,一方面Cr和Mo的碳化物溶入到奧氏體中的量增加,奧氏體中的合金度增大,淬火后馬氏體中C和合金元素的過飽和度增大,回火后析出的彌散細小碳化物增加;另一方面,奧氏體晶粒尺寸增大,相變后馬氏體板條束尺寸增大[2].可見,隨淬火溫度的升高與合金元素的溶入,鋼的抗拉強度和韌性增大,同時,晶粒長大使鋼的抗拉強度和韌性降低.880～900 ℃之間淬火時,抗拉強度和沖擊吸收功增大,前者起主要作用;淬火溫度高于900 ℃時,強度和沖擊吸收功減小,后者起主要作用.為了得到較佳的強、韌性匹配,淬火溫度必須精確控制在880～900 ℃的范圍內.

試樣隨回火溫度的升高,抗拉強度降低,沖擊韌性增加.低于600 ℃回火時,屈服強度在820 MPa以上,抗拉強度在935 MPa以上.高于540 ℃回火時沖擊功明顯提高,沖擊功≥145 J,這表明材料具有較高的強度和韌性.此外,材料的回火溫度低于580 ℃時,材料強度隨溫度升高而較緩慢下降;而回火溫度高于580 ℃時,由于α相已完成回火轉變的四個階段[3],金屬內部的回復與再結晶已基本終了,試樣即隨著溫度的升高,碳化物繼續(xù)聚集長大,強度迅速下降.由此可見,試樣在540 ℃回火時已具有良好的韌性,而為了保證大鍛件的強度,回火溫度又不應高于580 ℃,故耳軸的回火溫度應選擇在540～580 ℃.

3.2 熱處理工藝及檢驗結果分析

根據上述試驗結果,試樣淬火溫度制定為880～900 ℃,回火溫度制定為560～580 ℃,實際生產調質工藝如圖5所示.

表4為耳軸調質后的力學性能檢驗和晶粒度評定結果. 耳軸抗拉強度為840～875 MPa、屈服強度為725～765 MPa、沖擊功≥118 J. 450 ℃拉伸,抗拉強度為706～720 MPa、屈服強度為605～625 MPa,同比室溫拉伸,抗拉強度平均下降約145 MPa,屈服強度下降約130 MPa.耳軸鍛件的常溫拉伸和高溫拉伸斷口形貌見圖6.常溫拉伸斷口微觀形貌主要為等軸狀韌窩和少量的解理平面,韌窩的尺寸稍小,有少量撕裂棱,表明常溫下材料具有較好的塑韌性,如圖6(a)所示.高溫拉伸斷口形貌為等軸韌窩,大而深的韌窩分布均勻且數量較多,表明450 ℃下材料韌性非常好,如圖6(b)所示.檢驗結果表明,耳軸經上述調質工藝處理后,獲得了良好的綜合力學性能.

圖5 耳軸生產中的調質工藝

表4 檢驗結果Tab.4 The inspected results

圖6 拉伸斷口形貌

試驗樣品加入了質量分數為0.001 5%～0.003 0%的B.在冷卻過程中B原子向奧氏體晶界偏聚,而B在晶界上的溶解度很低,隨著B原子偏聚過程的進展,將發(fā)生B相脫溶[4].首先析出金相不可見的微細B相,其一側與奧氏體是共格界面,能量很低,形核困難;而另一側與非共格晶界有利的鐵素體形核,但B相粒子很微細,其非共格界面也不足以促進形核,故使得耳軸淬透性大大提高[5].同時鋼中加入Mo元素,提高了回火穩(wěn)定性.回火析出彌散碳化物起到沉淀強化的效果,即使C含量不高,調質也能獲得較高的常溫和高溫強度及良好的韌性.

5 結 論

(1) 18CrMnMoB鋼加熱高于900 ℃時,晶粒明顯粗化,因此淬火要在低于900 ℃進行.

(2) 采用880～900 ℃的淬火溫度和560～580 ℃的回火溫度,可以得到最佳的強、韌性匹配.抗拉強度達840～875 MPa、屈服強度達725～765 MPa,沖擊功>118 J.

參考文獻:

[1] 王濤.轉爐耳軸承的故障分析和維護措施[J].冶金設備,2009(S1):143-145.

[2] 田光新,劉俊友,張藝.熱處理對含硼奧氏體合金組織和性能的影響[J].鑄造技術,2009,30(11):1418-1422.

[3] 康大韜.大型鑄鍛件材料及熱處理[M].北京:龍門書局出版社, 1998:205-209.

[4] 孟淑敏.關于鋼中硼的最佳含量[J].國外金屬熱處理,1996,17(4):36-38.

[5] 趙銘弟,李秀光,李春生.硼對調質型低碳合金鋼淬火、回火的影響[J].沈陽航空工業(yè)學院學報,2003,20(3):34-36.