Q345D鍛件低溫沖擊值低的原因分析和改進(jìn)措施

文/周鵬，李波，王湘蘇，王一飛·中車資陽機(jī)車有限公司

Q345D鋼在熱處理（正火回火）后普遍存在低溫沖擊值偏低的問題。通過力學(xué)性能檢測、化學(xué)成分分析、金相分析等方法對問題原因進(jìn)行分析；采用調(diào)整化學(xué)成分含量，適當(dāng)降低鍛造中始鍛終鍛溫度，加強(qiáng)正火冷卻效果等措施，提高Q345D鍛件低溫沖擊值，使Q345D鍛件機(jī)械性滿足客戶要求，提高力學(xué)性能檢測合格率。

Q345D鋼是一種含有少量合金元素的低合金高強(qiáng)度鋼，由于具有耐腐蝕、耐低溫性能，以及良好的加工工藝性能、焊接工藝性能和其他特殊性能，被廣泛用于化工、石油、船舶、鍋爐、壓力容器等領(lǐng)域。

某公司從09年開始生產(chǎn)該牌號的鍛件，作為大型風(fēng)機(jī)葉片，交貨狀態(tài)為正火回火。由于時常出現(xiàn)低溫沖擊值偏低而無法達(dá)到技術(shù)要求的情況，力學(xué)性能合格率僅為60%左右，并且由于重復(fù)檢測率較高，極大影響了公司的供貨能力，造成較大的經(jīng)濟(jì)名譽(yù)損失。通過對低溫沖擊值偏低的鍛件進(jìn)行理化金相分析及鍛造、熱處理工藝改進(jìn)后，力學(xué)性能檢測合格率上升至90%以上。

生產(chǎn)工藝及技術(shù)

Q345D原材料棒料經(jīng)下料后轉(zhuǎn)至室式加熱燃?xì)鉅t中加熱，裝爐數(shù)量≤40件，始鍛溫度控制在(1200±30）℃，終鍛溫度＞800℃，按照出坯工藝在1.5tz出坯，100%進(jìn)行尺寸檢查后打磨毛刺，轉(zhuǎn)至雙室式加熱爐中加熱，裝爐數(shù)量≤60件，始鍛溫度控制在(1200±30）℃，終鍛溫度＞800℃，在電液錘中進(jìn)行模鍛，切邊校正后進(jìn)行熱處理，轉(zhuǎn)至臺車式加熱燃?xì)鉅t中進(jìn)行正火回火。所有的加熱過程升溫均勻，保溫時間滿足工藝要求。熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 熱處理工藝曲線

試驗(yàn)結(jié)果及分析

力學(xué)性能檢測

對兩爐Q345D鍛件進(jìn)行力學(xué)性能檢測，如表1所示。檢測結(jié)果表明，試樣抗拉強(qiáng)度、規(guī)定強(qiáng)度、斷后伸長率及硬度（HB）均符合與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議（以下簡稱客戶要求）中規(guī)定的力學(xué)性能要求，但是低溫沖擊值卻比客戶要求低得多。

化學(xué)成分分析

將上述兩爐沖擊試樣殘樣制取化學(xué)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，各項(xiàng)元素化學(xué)成分含量均在GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的要求范圍內(nèi)，但對低溫沖擊值影響較大的P、S元素含量也較低，其中Mn元素接近下限，V元素含量較低，Ti元素含量超過0.03%。

金相分析

對上述兩爐Q345D鍛件取樣進(jìn)行金相顯微組織檢測。檢測結(jié)果表明，其組織均為正常的鐵素體+珠光體，并且無過熱過燒組織，但是試樣表面分布著大量的黃色塊狀氮化鈦，且晶粒度較粗大，如圖2所示。

圖2 Q345D鍛件金相顯微組織

試驗(yàn)結(jié)果分析

由以上分析可以看出，各項(xiàng)元素化學(xué)成分含量均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)，但對低溫沖擊值影響較大的P、S元素含量也較低，其中Mn元素接近下限，V元素含量較低，Ti元素含量超過0.03%。對于含碳量較低的結(jié)構(gòu)鋼，適當(dāng)增加錳含量能夠提高材料的沖擊韌性。V、Als元素具有細(xì)化晶粒的效果，而晶粒的細(xì)化效果越好，低溫沖擊值越高。鋼中非金屬夾雜物相對較少，但是試樣表面分布著大量的黃色塊狀氮化鈦。氮化鈦屬于硬脆相，分布在鋼機(jī)體上，割裂鋼的基體連續(xù)性。且相關(guān)資料表明，Ti元素具有細(xì)化晶粒的作用，但是當(dāng)Ti元素加入量達(dá)到0.03%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，液態(tài)時就形成了大顆粒的氮化鈦，細(xì)化奧氏體晶粒的作用就減弱，再加上過剩的鈦在晶界富集，致使鋼的低溫沖擊功明顯下降。

表1 Q345D鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果

表2 Q345D鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （單位：%）

根據(jù)理化檢測結(jié)果結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝分析認(rèn)為，致使低溫沖擊值較低的原因主要有以下幾個方面：

⑴Mn元素含量較低，不利于提高低溫沖擊值；

⑵V、Als元素含量偏低，不利于細(xì)化晶粒；

⑶Ti元素含量超過0.03%，導(dǎo)致基體上析出大量氮化鈦，過剩的Ti可能在晶界富集，使鍛件的低溫沖擊值急劇下降；

⑷正火空冷效果不好，導(dǎo)致晶粒粗大。由于鍛造始鍛溫度較高，在鍛造過程中晶粒難以破碎，在隨后的再結(jié)晶過程中形成大晶粒，降低低溫沖擊值。

改進(jìn)措施及效果

改進(jìn)措施

針對上述原因進(jìn)行如下改進(jìn)措施：

⑴適當(dāng)提高M(jìn)n元素含量，達(dá)到1.4%～1.7%；

⑵適當(dāng)提高V、Als元素含量，加強(qiáng)細(xì)化晶粒效果；

⑶控制Ti元素含量不超過0.03%；

⑷降低鍛造始鍛溫度，達(dá)到降低終鍛溫度的目的；

⑸加強(qiáng)正火冷卻效果，改冷卻方式空冷為風(fēng)冷或霧冷，細(xì)化晶粒。

改進(jìn)效果

根據(jù)上述改進(jìn)措施，適當(dāng)調(diào)整化學(xué)成分含量，結(jié)果如表3所示；將終鍛、始鍛溫度控制在800～1150℃，熱處理工藝正火后冷卻方式改為風(fēng)冷，所得力學(xué)性能結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，實(shí)施改進(jìn)措施后低溫沖擊值大大提高，力學(xué)性能完全滿足客戶要求。

表3 改進(jìn)措施后Q345D鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （單位：%）

表4 改進(jìn)措施后Q345D鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果

結(jié)論

實(shí)踐證明，通過調(diào)整原材料中Mn元素（1.4%～1.7%）、Ti元素（＜0.03%）、V及Als元素（適當(dāng)提高）的含量，適當(dāng)降低始鍛溫度以及加強(qiáng)正火冷卻效果細(xì)化晶粒后，大大提高了低溫沖擊值，所得力學(xué)性能均達(dá)到客戶要求，極大地提高了一次檢測合格率。