輪緣鍛件屈服強度及晶粒度不合格問題研究

辛宇

（駐某地代表室，黑龍江 齊齊哈爾 161042）

0 引言

某型船用鍛件是船用重要部件，其質量好壞直接影響整個系統的安全性。通過對輪緣鍛件屈服強度及晶粒度不合格問題的分析研究，采取改善措施，制造過程工藝得到固化，對同類產品起到了很好的借鑒作用。

1 問題概述

輪緣鍛件（爐號：7200073，卡號：2040024）檢驗結果為沖擊和冷彎結果合格，但屈服強度出現波動且低于標準要求，同時晶粒度等級也不滿足技術要求，結果見表1。

表1 輪緣性能結果

輪緣進行重新熱處理后再次進行檢驗，屈服強度略有改善，但仍然有較大波動，且個別值不滿足技術要求，晶粒度等級未得到明顯改善，結果見表2。

表2 輪緣重新熱處理后性能結果

2 問題定位

為找到輪緣屈服強度波動較大且部分值不合格問題，以及晶粒度等級不合格的根本原因，避免問題重復發生，從技術上進行歸零分析。

2.1 屈服強度不合格問題定位

針對屈服強度波動較大且部分值低于標準要求問題，建立故障樹進行分析，如圖1所示。

圖1 屈服強度問題分析故障樹

2.1.1 X1成分偏析及異常

輪緣熔煉成分和成品成分結果見表3，表中熔煉和成品成分結果都滿足技術要求。C和合金元素含量都為技術要求的中下限。

表3 輪緣熔煉及成品成分質量分數結果 %

為驗證鍛件化學成分的均勻性，在0°、90°、180°、270°4個位置重新取料復驗成分，結果見表4，顯示沿輪緣試料區周向的4個位置的化學成分非常均勻，無明顯偏析。

表4 卡號2040024輪緣化學成分質量分數復驗結果 %

2.1.2 X2 檢測過程及試樣異常

為排除檢測過程異常，同時驗證強度的均勻性。分別在0°、90°、180°、270°4個位置重新取料進行了力學性能復驗。結果見表5。復驗結果表明4個位置的屈服強度比較均勻且均不合格，表明檢測過程無異常。

表5 卡號2040024輪緣力學性能復驗結果

2.1.3 X3 工藝執行過程異常

為了得回火索氏體組織[1]，熱處理采用水淬油冷工藝，熱處理過程電偶敷設在爐前和爐后代表最高和最低溫度的地方。淬火溫度工藝要求（870±10）℃，實際執行偶溫為875～879 ℃，回火溫度工藝要求（580±10）℃，輪緣鍛件的實際執行偶溫為575～580 ℃，回火均溫時間8 h。熱處理工藝執行正常，滿足工藝要求。

輪緣執行第一次返修熱處理工藝參數，熱處理過程電偶敷設在爐前和爐后代表最高和最低溫度的地方。正火溫度工藝要求（840±10）℃，實際執行溫度為835～837 ℃，淬火溫度工藝要求（880±10）℃，實際執行偶溫為872～879℃，回火溫度工藝要求（570±10）℃，輪緣鍛件的實際執行偶溫為569～573 ℃。入水水溫為15 ℃，出水水溫為20 ℃，水冷時間20 min。熱處理工藝執行正常，滿足工藝要求。

2.1.4 X4 沿鍛件壁厚強度差異大

為驗證輪緣鍛件沿壁厚的性能均勻性，鍛件近表層和心部分別取料進行了復驗。結果見表6，顯示近外層屈服強度最高，心部屈服強度最低。強度差別達到50 MPa。沿壁厚強度變化非常大，從而導致多次檢驗過程強度出現較大波動，屈服強度低于標準要求。

表6 輪緣不同部位復驗性能結果

綜上所述[2]，輪緣鍛件成分滿足要求且分布均勻，C和合金元素為技術要求下限；復驗屈服強度均低于要求值，沿周向分布均勻，可排除檢測和試樣異常的原因；熱處理執行過程滿足工藝要求，無異常。

輪緣鍛件沿壁厚強度差異較大，導致多次檢驗過程屈服強度波動較大且取樣位置屈服強度不合格。

2.2 晶粒度不合格問題定位

屈服強度低于標準要求問題，建立如圖2所示故障樹進行分析。

圖2 屈服強度低于標準要求問題分析故障樹

2.2.1 X1 晶粒尺寸均勻性復驗

輪緣晶粒度按GB/T 6394進行[3]。為檢驗輪緣晶粒分布的均勻性，在鍛件試料區均布6點取試樣檢驗晶粒度（如表7）。結果顯示晶粒度分布比較均勻，不存在明顯的混晶現象，均未達到技術條件6級的要求。

表7 晶粒度復檢結果

輪緣鍛件無明顯粗大晶粒，也無混晶現象，也說明鍛造成型過程滿足工藝要求，無異常。

2.2.2 X3 當前熱處理工藝細化晶粒效果驗證

輪緣鍛件工藝設計方面在鍛后熱處理階段增加了2次過冷處理，同時在性能熱處理前增加了1次正火處理，目的是為細化輪緣晶粒。

從晶粒度檢測結果看，輪緣鍛件達到均勻的5級的水平，但輪緣鍛件的晶粒度未進一步有效細化。證明當前增加多次正火的措施無法進一步細化晶粒，細化晶粒工藝需要進行進一步研究。

綜上所述，輪緣鍛件各個位置晶粒尺寸分布均勻，晶粒度5級,當前采用的進一步細化晶粒的熱處理措施未達到理想的細化晶粒的效果。

3 機理分析

3.1 屈服強度不合格機理分析

為分析屈服強度偏低的原因，輪緣鍛件在拉力試樣附近取金相試樣進行了金相組織分析。高倍結果見圖3、圖4，顯示輪緣金相組織為回火索氏體+貝氏體回火組織+少量鐵素體組織的混合組織，未得到預期的完全回火索氏體+回火貝氏體組織。理論上，出現鐵素體組織表明材料的淬透性不足和當前的冷卻速度不足。鐵素體組織的出現也是屈服強度不足的主要原因。

圖3 輪緣鍛件高倍組織（200×）

圖4 輪緣鍛件高倍組織（500×）

從工藝方面看，輪緣鍛件材質為40CrNiMoA，壁厚約為220 mm，按規范采用水淬油冷的方式進行淬火冷卻，水冷時間為30 min，油冷時間為70 min。由于C元素和合金含量按下限控制，導致材料的淬透性降低。同時水冷時間相對較短，造成冷卻速度不足。現有成分C元素和合金含量偏低，可以進一步降低回火溫度，以提高屈服強度。

從機理分析可以得出，延長輪緣淬火的水冷時間、提高冷卻速度，以及降低回火溫度等措施，可以提高鍛件的屈服強度。具體的工藝參數和能達到的效果還需要進行實驗驗證。

3.2 晶粒度不合格機理分析

輪緣鍛件執行了多次以細化晶粒為目的的正火和過冷后，晶粒未能有效細化到目標等級。因此需要進行工藝試驗。從細化晶粒的機理出發[4-5]，經研究設計進行了以下幾組試驗：1）改變奧氏體化后的冷卻速度，φ20 mm試樣取出空冷和爐冷退火進行比較；2）提高退火溫度，分別在880 ℃和930 ℃進行退火，高溫退火目的是判斷是否存在組織遺傳；3）改變升溫速度，選擇70 ℃/h升溫和功率升溫（1 h到溫）兩種加熱方法。

第一次晶粒度模擬試驗結果見表8，從中可以看出：1）所有采用的方法，未起到明顯的細化晶粒作用；2）相對于正火方法，采用退火晶粒度細化效果較好；3）提高退火溫度至930 ℃后，晶粒發生粗化；4）快速升溫在細化晶粒方面作用不明顯。

表8 第一次模擬試驗的晶粒度結果

針對正常溫度退火和正火后都未能有效細化晶粒的問題，經研究重新設計以下幾組試驗：1）降低加熱溫度，分別加熱到800 ℃、840 ℃、880 ℃進行奧氏體化；2）增加奧氏體化次數，1#、2#等試樣加熱過程經歷5次熱循環，目的是通過反復的加熱和冷卻細化晶粒；3）10#、11#等試樣完成低溫處理后，再進行880 ℃加熱2 h。

第一次晶粒度模擬試驗結果見表9，從中可以看出：1）降低加熱溫度，可以起到明顯的細化晶粒作用，840 ℃進行退火后，晶粒度可以達到8級以上；2）低溫奧氏體化后，再次在880 ℃加熱，晶粒會逐步恢復至6.5～7.0級；3）增加奧氏體化循環次數，沒有明顯的細化晶粒作用。

表9 第二次模擬試驗的晶粒度結果

通過細化晶粒試驗可以看出，在880 ℃及更高的溫度進行奧氏體化，無法進一步細化晶粒。而且，低溫奧氏體化細化后的晶粒在880 ℃及更高的溫度重新奧氏體化后，晶粒度會逐步粗化。文獻及試驗結果表明[6]，現有晶粒度在5～6級的根本原因是奧氏體化溫度偏高。進一步細化晶粒需要降低奧氏體化溫度。

輪緣鍛件強度和晶粒尺寸對工藝參數的要求相互制約，為細化晶粒，需要降低奧氏體化溫度，同時需要重新驗證回火溫度和強度的數值關系。為研究強度與回火溫度關系，經研究設計進行了較快冷速下不同淬火溫度（880℃、840 ℃）和不同的回火溫度（500～580 ℃）模擬試驗。

結果表明：降低淬火溫度至840 ℃后，強度未發生明顯下降。降低回火溫度至520～540 ℃后，強度可以出現明顯提升。不同淬火溫度和回火溫度下，沖擊功變化幅度較小。

金相組織結果見圖5、圖6，表明輪緣淬火溫度由880℃降至840 ℃后，晶粒尺寸發生了較明顯的細化，同時840℃淬火也可以保證獲得完全的貝氏體組織。

圖5 輪緣840淬火組織（500×）

圖6 輪緣880淬火高倍組織（500×）

4 采取措施及驗證

通過上述分析，為提高屈服強度和進一步細化晶粒尺寸，主要的改進措施為：1）降低奧氏體化溫度至830～850 ℃；2）降低回火溫度至540～550 ℃，可以提高屈服強度；3）增加水冷時間至20 min，以提高淬火冷卻速度。

卡號2040024輪緣按上述措施完成第2次返修。從檢測結果看，強度得到提高，晶粒度也滿足要求。檢測結果見表10。

表10 卡號2040024輪緣第二次返修后性能結果

為驗證輪緣鍛件沿周向和沿壁厚強度分布的均勻性，在鍛件共檢性能合格后，在余料上沿周向對稱180°各取2組拉力，內層靠近中心位置對稱180°各取5組拉力和1組沖擊。屈服強度及其他性能指標全部合格。證明現有措施有效得當。

5 結語

通過對輪緣鍛件屈服強度及晶粒度不合格問題的分析研究，找到了原因,采取了改善措施，制造過程工藝得到固化，對同類產品起到了很好的借鑒作用。