改善ASTM A668 Cl.E材質大鍛件沖擊吸收功及晶粒度的研究

趙學文

ASTM A668 Cl.E屬于低中碳低合金鋼，退火或正回火需保證產品的力學性能。某批ASTM A668 CL.E材質鍛件化學成分要求（max）和實際成分見表1，熱處理正回火后需保證最終性能值（σ0.2≥295MPa，σb≥570MPa，δ4≥22%，Ψ≥35%，AKV(0℃)≥27J），其取樣部位見圖1。

圖1 鍛件取樣部位

1.問題分析

實際生產中采用圖2所示的熱處理工藝，鍛件的強度（見表2）均滿足性能要求，但沖擊值均不合格。該批鍛件實際成分相當于國產35Mn，Ac1溫度727℃，Ac3溫度790℃，此材質正常的正火溫度應選擇（850±10）℃，回火溫度應選擇（640±10）℃。該鍛件正回火后強度要求值比較苛刻且沖擊試驗溫度為0℃，為確保性能值，結合以往類似材質熱處理工藝參數，實際正火溫度選用900℃，回火溫度選用580℃，空冷時僅吊下空冷。

因沖擊值不合格返修的鍛件熱處理難度較大，選取沖擊殘樣做金相分析未發現夾雜物超標缺陷，沖擊組織為鐵素體+珠光體，部分珠光體組織成團狀，且部分晶粒粗大（見圖3、圖4）。一般正火溫度偏高或均溫、保溫時間過長或冷卻速度較慢易造成此現象。

從強度和沖擊搭配值看，我們認為正火溫度選擇偏高、回火溫度偏低是造成強度富裕量較大而沖擊值不合格的主要原因。

表2 性能結果

圖2 熱處理工藝

圖3 晶粒度照片（7級，少量5級）100×

圖4 組織照片（鐵素體+珠光體）200×

2.工藝試驗

為驗證以上分析并確定返修熱處理工藝，進行小樣模擬試驗。

（1）試驗材料 在鍛件性能余料上加工拉伸和沖擊小試樣。

（2）試驗設備 模擬爐，最高使用溫度為1250℃。

（3）模擬試驗方案 不同正火溫度（回火溫度）、冷卻方式的組合共8組方案。方案A：850℃×2h（空冷）+600℃×4h（空冷）；方案B：850℃×2h（空冷）+640℃×4h（空冷）；方案C：850℃×2h（水冷）+600℃×4h（空冷）；方案D：850℃×2h（水冷）+640℃×4h（空冷）；方案E：880℃×2h（空冷）+600℃×4h（空冷）；方案F：880℃×2h（空冷）+640℃×4h（空冷）；方案G：880℃×2h（水冷）+600℃×4h（空冷）；方案H：880℃×2h（水冷）+640℃×4h（空冷）。

（4）試驗結果 表3中A～H試驗方案中，伸長率普遍偏低，其他性能均合格。強度和沖擊值隨熱處理溫度和冷卻方式的變化規律如下：正火溫度升高30℃，屈服強度升高30～60MPa，抗拉強度值升高30～60MPa。G方案強度最高，可見經正火溫度提高并加速冷卻后，強度值最高。C～D沖擊值最高、G～H沖擊值次之。工藝參數和沖擊值關系表明：隨著正火溫度的下降，沖擊值明顯升高；在同一正火溫度下，隨回火溫度升高，沖擊值也明顯改善，640℃約是600℃回火溫度下的沖擊值的2倍；在同一正火和回火溫度下，水冷后的沖擊值高于空冷后的沖擊值，可見加速冷卻可改善沖擊值。

以上8組方案的組織和晶粒度情況見表4。空冷后的組織除貝氏體回火組織外，還有鐵素體+珠光體，水冷后的組織均為貝氏體回火組織，組織分布比較均勻，晶粒度均為8級。可見，D方案沖擊值最好。

3.生產驗證

考慮到本次試驗采用小樣模擬，且在實際生產中受爐溫偏差、裝爐量等的影響，因此，制訂返修工藝時正火溫度選用（870±10）℃，吊下臺車時噴霧加速冷卻，回火參數選用（640±10）℃（見圖5）。

4.返修結果及結論

返修后性能數據見表5，強度和沖擊值均合格。返修后組織均勻，晶粒度7級（見圖6），組織均勻，晶粒度得到改善。

表3 試驗結果

表4 A～H方案組織與晶粒度

表5 返修后性能結果

圖5 返修熱處理工藝

圖6