A514Q 海工鍛件產品研究

文/閆士超，郭金玲·太原重工鍛造分公司大型鍛件研究所

材料ASTM A514Q 為海洋工程用鋼，主要用于自升式海洋鉆井平臺齒條的制作。近年來隨著我國海上平臺快速發展，海工產品需求量持續增加，因其具有良好的抗海水腐蝕性，良好的沖擊韌性和高強剛度，以及生產和技術的不斷發展，這些海洋工程設備也逐漸向大型化、深水化方向發展、建造這些海洋工程裝備所需要的強度等級、韌性等級及厚度、尺寸精度要求不斷提高，同時涉及到船用產品，船級社需見證相關生產工序、檢驗等，我方保證鍛件質量的同時，合理有效的安排生產工序，節省相關驗船費用，提高產品優勢都是項目所要達到的創新點。

主要研究攻關的內容

ASTM A514Q 屬于適用于焊接的高屈服強度淬火加回火鋼，引用標準中《ASTM A514 Grade Q》中只有相關150mm 板的相關要求，鍛件生產工藝需進一步穩定，優化調質工藝；在驗船見證過程中，產品生產流程控制無法保證準確性，在生產見證過程中周期長，保證如何能高效、有效的生產鍛件是此次技術改進需要解決的問題。鍛件力學性能要求較為嚴格，同時參照標準也來自于《ASTM A514 Grade Q》中相關鋼板標準，針對鍛件與鋼板的差別，所以對熱處理調質有著更嚴格的要求。

主要研究攻關方案

按《ASTM A514 Grade Q》及《材料與焊接規范》，同時依據CCS 要求原材料廠家也取得CCS 工廠認證資質，我方使用原材料為太鋼所生產。材料成分分析檢驗均符合用戶要求（表1、表2），同時符合我廠內控要求。調質處理力學性能，按JB/T 5000.8-2007 Ⅳ組驗收見表3。

生產工藝確定

鍛造工藝確定，由于焊評試板結構較為簡單，所以在鍛造工藝方面只需考慮CCS中對零件取樣數量、取樣位置及試樣規格的要求。圖1為我方生產鍛造工藝卡。

表1 低倍檢測結果

表2 高倍檢測結果

表3 ASTM A514Q 基本指標

在部分鍛件自檢試樣區，調質后待自檢性能合格后，再同CCS共檢，以確保產品一次通過共檢，如產生不合格不僅是時間上的浪費，在驗證鍛件的費用上將形成更大的損失。同時嚴格控制每一步加工工序，做到標識及時移植，保證每一個零件具有可追溯性。CCS 中要求，產品需具有唯一標識，產品編碼作為零件唯一可追溯依據。這也是產品在生產中最需注意的問題。零件調質前粗加工草圖如圖2所示。

研究攻關內容

通過此預備熱處理，最主要的目的是改善內部組織、細化晶粒，為最終熱處理做好組織準備。A514Q 鍛后熱處理工藝如圖3 所示。此次生產海工產品數量較大，共計108 件產品，同時按用戶要求每件產品都需性能檢驗。我廠確定零件工藝模型示意圖如圖4 所示。

由于第一次生產此海工產品，在調質前根據以往經驗及相關資料，查得A514Q 材料化學成分與之前所生產的Q690E 相近，按照公式及經驗確定材料淬火溫度、冷卻介質，冷卻時間按鍛件截面計算所得，制定調質工藝如圖5所示。

在調質工藝完成后，作為熱處理檢驗方法采用硬度值通過系數轉換，確定材料的抗拉強度范圍，在硬度檢驗后，由于硬度值偏高，考慮補充二次回火降低硬度值，由于二次回火往往會產生組織遺傳效應，所以將第二次回火溫度提高到(700±10)℃。

以上工藝完成后在后期力學性能檢驗過程中，其檢驗試樣屈服強度均偏低，同時，部分鍛件的力學性能屈服強度都出現了不滿足要求的情況(表4)，按照海工要求，按件取樣鍛件在力學性能不合格的情況下，需按2 倍數量重新取樣，或者重新熱處理（熱處理次數不超過兩次）。由于此批次鍛件屈服強度低，所以重新調質此批次中性能檢驗中不合格鍛件。

分析前批次調質工藝鍛件在700℃回火，回火溫度已經達到調質工藝的最高回火溫度，通常調質工藝的回火溫度為550 ～650℃，考慮到鋼共析轉變的溫度為727℃，根據公式計算得出材料A514Q 的Ac1值在705℃左右。補充700℃回火在其共析轉變線附近，部分組織可能已經發生了奧氏體相的轉變，在回火完成后空冷狀態下形成了珠光體組織，使強度降低。列舉部分鍛件力學性能見表4。

表4 部分鍛件力學性能

根據以上原因分析，重新熱處理時調整零件調質工藝，主要在調整零件回火溫度方面考慮，要使其工藝完成后得到良好的回火索氏體組織，以具有較高的強度及良好的韌性。

由于產生以上情況，調質工藝繼續按產品開發時工藝執行，即920℃水冷淬火完成后，660℃回火，對前期產生不合格鍛件進行重新熱處理取樣，重新檢驗結果見表5。

從以上結果分析來看，材料屈服強度、抗拉強度均得到了良好提升，更使我們明確了問題產生的原因，摸清楚了材料的特性，第二次補充回火是前期失敗的主要原因，該材質使用硬度值作為性能值的參考也會產生問題，綜合來看還是由于我方缺少相關材質生產經驗，對材料摸不透、拿不準才使得不合格品產生，造成了產品生產周期及相關經濟損失。

根據前批次鍛件生產數據的總結及生產相關工序的合理安排，此次訂貨焊評試板，在調質工藝制定時，考慮此次生產焊評試板有效截面較小，只有55mm，在淬火溫度及冷卻介質都沒改變的情況下，降低回火溫度，防止回火溫度較高情況下材料強度產生大幅度的下降。依據船級社檢驗要求，見證取樣過程，取樣示意圖如圖6 所示。

表5 重新檢驗結果

表6 9 件產品力學性能值

完成情況及應用情況

此次工藝改進后所生產的海工鍛件，經驗船師見證檢驗，產品性能及探傷等技術要求均符合用戶要求，同時取得CCS 鍛件合格證書，全部產品及資料均已交付用戶。9 件產品力學性能值見表6。

項目關鍵技術及創新點

在A514Q 材料淬火工藝的改進措施中，在有效調整回火溫度下，其力學性能值較之前有了較好的改善，在此之前屈服及疲勞強度都接近要求值下限，同時部分鍛件出現屈服強度不合格的情況，如前面介紹的在改變調質工藝回火溫度下，性能值更加穩定。調質工藝的有效調整，即在前期經驗數據的總結下，同時也是對材料進行化學成分有效性的分析。由于其回火硬度取決于回火溫度和回火時間，三者之間存在一定的函數關系，參考同類近似化學成分材料的回火溫度，利用經驗數值在較小的溫度區間做調整。在有效的工藝改進過程中，不僅有效降低了生產成本，同時生產流程也更加順暢。

該技術優勢、差距與不足，需要改進和完善內容；此次海工鍛件A514Q 所用熱鍛及鍛后熱處理工藝在歐美國家趨于成熟，但在國內，由于其缺少相關鍛件驗收標準，對工藝參數的確定尚不穩定。

同時在原材料冶煉技術方面，國內在冶煉方面需取得相關船級社認證的廠家才可冶煉，在國內具有CCS 生產資格的廠家較多，CCS 將A514Q 歸屬在合金鋼范疇中，取得CCS 工廠資質的企業就可以生產此類鍛件，但針對國外船級社，如英國勞氏船級社（LR）對ASTM A514Q/A517Q 則需單獨對此材料生產資質進行認證，所以我廠在此類鍛件的生產資質上同樣也落后于國外的企業，使得我廠海上浮動平臺的制造成本變高。

結束語

ASTM A514Q 是我廠海上浮動平臺起升機構主要零部件使用的材料，由于其產品及材料的特殊性，其生產制造檢驗過程需取得相關船級社生產資質，附加產值較高，我廠在完成A514Q 海工鍛件期間，此批產品化學成分范圍的確定和調質工藝的穩固，為后期此類產品的生產開發提供了有力的理論和實踐基礎。