SA-266M Gr.4材料的研究

宋宏威 王 帥

(1.中國第一重型機(jī)械股份公司熱處理分廠，黑龍江161042；2.中核四○四有限公司，甘肅732850)

?

SA-266M Gr.4材料的研究

宋宏威1王 帥2

(1.中國第一重型機(jī)械股份公司熱處理分廠，黑龍江161042；2.中核四○四有限公司，甘肅732850)

對(duì)SA-266M Gr.4材料的化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化控制，針對(duì)性地制定了熱處理工藝參數(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，該種材料各項(xiàng)性能指標(biāo)均一次性合格。

SA-266M Gr.4；化學(xué)成分；優(yōu)化控制；性能熱處理

以往我公司生產(chǎn)過小批量SA-266M Gr.4鍛件，其性能試驗(yàn)結(jié)果不理想，強(qiáng)度指標(biāo)不滿足技術(shù)要求，產(chǎn)品返修率較高，生產(chǎn)成本增加，不利于市場競爭。最近我公司承制了10臺(tái)反應(yīng)器合同，材質(zhì)均為SA-266M Gr.4，為順利完成此次生產(chǎn)，我們收集了以往相關(guān)資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且制定了切實(shí)可行的方案。

1 技術(shù)要求與分析

用戶要求SA-266M Gr.4鍛件的化學(xué)成分與ASME標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分對(duì)比見表1。用戶性能指標(biāo)要求見表2。

表1 SA-266M Gr.4化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 SA-266M Gr.4性能要求

根據(jù)用戶要求及我公司實(shí)際生產(chǎn)狀況，對(duì)此項(xiàng)目特征進(jìn)行了分析，特點(diǎn)如下：

(1)有利條件

沖擊試驗(yàn)溫度為10℃。雖然用戶要求值較高，但是參考現(xiàn)有的SA-105M及16Mn(R-HIC)數(shù)據(jù)，表明沖擊功沒有問題。SA-266M Gr.4材質(zhì)鍛件積累了一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)不利條件

鍛件試樣位于T×T/2處取樣，強(qiáng)度不易合格。此種材料的淬透性低，以往生產(chǎn)的SA-266M Gr.4鍛件表面硬度達(dá)到要求值上限時(shí)，位于T/4處的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)卻滿足不了用戶要求(Rm：485 MPa～655 MPa)。模擬時(shí)間長。較以往生產(chǎn)的鍛件，本項(xiàng)目鍛件模擬時(shí)間增加了3 h，強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步降低。

2 優(yōu)化方案

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

化學(xué)成分優(yōu)化在優(yōu)化方案中起決定性的作用。因要求的抗拉強(qiáng)度值較高，須將能夠提高強(qiáng)度的元素盡量按上限控制，如C、Si、Mn。C含量的提高有助于鍛件強(qiáng)度值的增高，但是用戶要求較ASME標(biāo)準(zhǔn)中C含量要求低(見表1)，因此C含量上調(diào)空間有限。 Si元素使鍛件的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度顯著提高，但塑性和韌性明顯降低。Mn元素能提高鍛件的硬度和強(qiáng)度，并能提高鋼的淬透性。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)以往類似材質(zhì)產(chǎn)品強(qiáng)度與合金元素?cái)?shù)據(jù)并初步分析二者之間的關(guān)系。針對(duì)SA-266M Gr4和SA-105M材質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)，如果強(qiáng)度大于490 MPa，則需：C含量≥0.19%，Si含量0.3%～0.35%，Mn含量1.24%～1.28%，Cr含量0.05%～0.06%，Ni含量0.05%～0.06%，Mo含量0.05%，V含量0.02%～0.03%，Ceq為0.420%～0.429%，詳見圖1～圖3。而對(duì)于16Mn(R-HIC)材質(zhì)，如果強(qiáng)度大于490 MPa，則需：C含量≥0.16%，Si含量0.27%～0.33%，Mn含量1.24%～1.30%，Cr含量0.08%～0.20%，Ni含量≥0.11%，Mo含量≥0.05%，V含量≥0.01%，Ceq為0.404%～0.418%，詳見圖4～圖6。

2.2 化學(xué)元素分析及確定元素組成方案

綜合以上強(qiáng)度與各元素的關(guān)系得知，對(duì)強(qiáng)度影響較大的Si、Mn元素含量最好控制在如下范圍：Si：0.3%～0.35%，Mn：1.20%～1.30%。C元素的控制應(yīng)多方面考慮，但是可以肯定的是Ceq、C、Cr、Ni、Mo、V越大越好，并且在滿足Ceq的條件下，應(yīng)盡量避免將有益的合金元素過于按下限控制，從而減小微合金化作用。進(jìn)一步采用專業(yè)軟件模擬，得出SA-266M材質(zhì)中各元素關(guān)系：當(dāng)Ceq≥0.38%時(shí)，才能保證強(qiáng)度≥485 MPa，其中Si為0.30%～0.35%，Mn為1.22%～1.35%，Cr為0.15%～0.20%，而C含量是通過Ceq和Cr、Mn含量進(jìn)行反推計(jì)算的，可以得出控制范圍為0.15%～0.18%，其余Ni、Mo、Cu、V按殘余元素控制即可。必要時(shí)可以加入適量的Nb細(xì)化晶粒，可起到一定的強(qiáng)化作用，加入一定量的Cr還可以起到提高抗回火能力的作用。綜合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)及軟件模擬結(jié)果，最終確定鍛件化學(xué)成分按表3進(jìn)行控制。

圖1 強(qiáng)度與C含量關(guān)系

圖2 強(qiáng)度與Si含量關(guān)系

圖3 強(qiáng)度與Mn含量關(guān)系

圖4 強(qiáng)度與C含量關(guān)系

圖5 強(qiáng)度與Si含量關(guān)系

圖6 強(qiáng)度與Mn含量關(guān)系

2.3 工藝參數(shù)的選取

結(jié)合已經(jīng)確定的化學(xué)成分及生產(chǎn)現(xiàn)狀，調(diào)質(zhì)熱處理采用了圖7所示工藝參數(shù)。

圖7中，中間保持600～700℃的目的是：(1)減小鍛件內(nèi)外溫差，為相變做準(zhǔn)備，使相變?cè)阱懠恼麄€(gè)截面上進(jìn)行，可以避免產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。(2)減少高溫均溫時(shí)間，保證高溫階段較大的加熱速度，從而減少鍛件在高溫的停留時(shí)間，進(jìn)而減少較大的氧化。

3 性能結(jié)果

本項(xiàng)目10臺(tái)反應(yīng)器共40件性能件，此40件鍛件均為1次調(diào)質(zhì)合格。其中我們選取了具有代表性的14個(gè)鍛件進(jìn)行了性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表4。

表3 SA-266M Gr.4化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖7 熱處理工藝參數(shù)

序號(hào)有效壁厚/mmRm/MPaReL/MPaA(%)10℃沖擊功/J晶粒度等級(jí)123456789101112131417017017017017017017017017017019523523523552853053553051751953053252853054350551753734532832332131731532532131431537030530734338.535.533.53240373437343537403533.5188/214/213188/214/213140/132/107145/128/117113/120/160171/174/142132/145/152172/153/169142/126/138111/148/143179/165/170237/315/262117/155/162174/160/1677.57.57.57.07.57.07.57.07.57.57.07.57.07.0

4 結(jié)論

此項(xiàng)目40件鍛件性能檢驗(yàn)全部合格，說明此次對(duì)SA-266M Gr4材質(zhì)化學(xué)成分的控制及制定的工藝方案是可行的，其中控制化學(xué)成分的效果顯著，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，例如抗拉強(qiáng)度值多數(shù)位于要求范圍的中下限，個(gè)別鍛件位于要求值的下限。此次對(duì)化學(xué)成分的調(diào)整不僅為今后SA-266M Gr.4材料的化學(xué)成分再次優(yōu)化積累了參考數(shù)據(jù)，更為以后類似材質(zhì)的化學(xué)成分調(diào)整提供了參照依據(jù)。

[1] 康大韜, 葉國斌, 等. 大型鍛件材料及熱處理[M]. 上海: 龍門書局. 1998.

[2] 樊東黎, 徐躍明, 等. 熱處理工程師手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 2011.

[3] 褚錦輝，劉時(shí)雨. 42CrMo高硬度支重輪調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化[J]. 大型鑄鍛件, 2007(4).

編輯 陳秀娟

Research on SA-266M Gr.4 Material

Song Hongwei, Wang Shuai

The chemical composition of SA-266M Gr.4 has been controlled and optimized. The heat treatment process parameters have been prepared with target and applied in actual production. The results show that various mechanical properties of this kind of material meet the requirements.

SA-266M Gr.4; chemical composition; optimization and controlling; property heat treatment

2016—02—16

宋宏威(1982—)，工程師，主要從事金屬材料工程研究。

TG316.1+7

B