沖擊器用45CrNiMoV鋼制管實驗研究

解德剛，吳紅，趙波，王善寶，袁琴

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

沖擊器用45CrNiMoV鋼是一種淬透性良好的中碳高強度合金鋼，具有強度、韌性匹配性好、應用可靠的優點，目前主要用于生產棒材產品，用做機械結構傳動軸、連接件、鑿巖釬具或航空航天等領域。但由于該鋼的碳當量較高，熱軋空冷后的硬度很高，增大了連續軋制生產類型鋼材的制造難度，因此，用該鋼制造管材方面的研究還未見公開報道。本文嘗試了用該鋼進行制管，研究針對該鋼物理特性實施的制管工藝及參數存在的問題與解決措施，通過工藝設計與參數控制及不同方式的熱處理后，獲得了與棒材產品相近的綜合力學性能，作為新的工程機械結構用鋼材將比棒材大大節省用鋼量，減輕最終用戶制造設備的重量，具有廣闊的應用前景。

1 實驗設計

1.1 工藝路線

采用100 t轉爐冶煉、連鑄工藝制得的方坯規格為280 mm×380 mm。將實驗鋼方坯依次經過余熱裝爐—加熱—軋制—定尺切割—緩冷坑緩冷—再加熱—穿孔—連續軋制—定徑—熱處理的工藝路線完成制管，獲得Φ150 mm×20 mm規格的45CrNiMoV鋼管。

1.2 實驗材料與方法

實驗鋼化學成分如表1所示，滿足45CrNiMoV鋼成分要求［1］。實驗鋼熱處理采用退火+正火+調質的方案，1～9號實驗中，固定其他工藝參數，調整回火溫度為460～700℃，間隔30℃取值，實驗鋼熱處理方案如表2所示。

表1 實驗鋼化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Experimental Steel（Mass Fraction） %

表2 實驗鋼熱處理方案Table 2 Heat Treatment Plan for Experimental Steel

在回火后的各試樣上加工標準拉伸試樣、沖擊試樣、硬度試樣，在Z600電子拉力試驗機上進行拉伸試驗，在JBN-500擺錘式試驗機上進行U型缺口沖擊試驗，在HRD-150洛氏硬度計上進行HRC硬度檢驗。

2 實驗結果

2.1 實驗鋼熱塑性與熱強性曲線測定

試樣尺寸為Φ6 mm×110 mm，將試樣置于Gleeble 3800熱模擬試驗機上測定熱塑性、熱強性曲線。該成分鋼的熱塑性與熱強性曲線見圖1。

圖1 實驗鋼的熱塑性與熱強性曲線Fig.1 Thermoplasticity and Thermal Strength Curves of Experimental Steel

2.2 實驗鋼熱處理結果

拉力樣直徑為 10 mm，檢測項目 Rp0.2、Rm、A。 沖擊樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，檢測溫度為20℃，U型缺口。HRC硬度在未做檢驗的沖擊樣上進行，每實驗號3點。拉伸性能、沖擊性能和硬度檢測結果如圖2、圖3所示。圖2、圖3的力學性能檢測結果顯示，實驗鋼屈服強度達到1 000 MPa以上有較寬的工藝控制窗口，延伸率大于7%、斷面收縮率大于35%滿足用戶的潛在預期，常溫沖擊功大于31 J，實驗鋼綜合力學性能可以滿足用戶需求［1］。

圖2 實驗鋼強度與回火溫度的對應關系Fig.2 Corresponding Relation between Experimental Steel Strength and Tempering Temperature

圖3 實驗鋼塑、韌性及硬度與回火溫度的對應關系Fig.3 Corresponding Relation between Experimental Steel Plasticity,Toughness and Hardness and Tempering Temperature

3 結果分析與討論

3.1 熱處理工藝對實驗鋼力學性能的影響

在460～700℃范圍內，隨著回火溫度的線性升高，實驗鋼的強度降低速率先緩后快，超過610℃后強度降低幅度開始增大，而硬度呈現線性的降低、延伸率線性的升高，其間沒有明顯拐點，斷面收縮率在回火溫度超過610℃后有較明顯的提高。值得注意的是，該實驗鋼在不低于610℃回火時的沖擊功可以達到90 J以上，即實驗鋼的沖擊功是先緩慢升高，到610℃時開始大幅提高，即610℃為沖擊功升高速率由慢變快的拐點。同時，610℃也是強度開始大幅度下降的拐點。拐點的出現預示著實驗鋼組織狀態從610℃開始由回火屈氏體向回火索氏體的轉變，這與徐盛、劉雅政等［2］得出的45CrNiMoV鋼640℃回火轉變為回火索氏體的研究結果比較接近。實驗鋼金相組織如圖4所示。圖4（a）和（b）中，實驗鋼610℃回火時的金相組織為回火屈氏體，清晰可見析出了一定量的條狀碳化物，基本還保存有淬火馬氏體的板條形態；640℃回火時的金相組織為回火索氏體，析出的碳化物已經呈現顆粒化，淬火馬氏體板條的形態已經消失。

圖4 實驗鋼金相組織Fig.4 Metallographic Structures in Experimental Steel

需要指出的是，該45CrNiMoV實驗鋼在熱軋后進行切割加工過程中遇到了加工困難的問題。經過檢驗，發現實驗鋼的熱軋態硬度達到了40～46 HRC，過高的硬度不但難以加工，而且刀具磨損很快。一般認為，硬度在16～20.5 HRC內切削加工性較好，當硬度大于32.1 HRC時，切削性顯著下降，硬度超過40 HRC時切削加工性很差［3］。通過860℃保溫60 min的退火處理后，試驗鋼的硬度下降為25～28 HRC，大大改善了鋼管的切削加工性能。實驗鋼的熱軋態和退火態金相組織如圖4（c）和4（d）所示，熱軋態實驗鋼的金相組織中含有黑色針狀的馬氏體、下貝氏體組織，是硬度高的根本原因。而退火態的金相組織為鐵素體+珠光體組織，組織類型的改變促成了硬度的降低。

3.2 熱塑性、熱強性對實驗鋼制坯、制管工藝影響

45CrNiMoV實驗鋼的熱塑性曲線顯示，該鋼的熱塑性優良，對鋼材表面質量影響較小，可以確定較寬的生產工藝參數窗口。實驗鋼在750℃有一最低點，應注意控制不使鋼坯長時間處在750℃附近受力。45CrNiMoV實驗鋼的熱強性曲線顯示，1 100℃以下的熱軋區間實驗鋼的強度較高，達到2kN，900℃以下的強度升高幅度更大，因此，需控制鋼管的主要變形溫度在1 100℃以上，尤其定減徑溫度不要低于900℃，從而減小變形抗力，降低軋制設備的負荷。由于實驗鋼正常熱軋狀態下的強度很高，空冷態硬度達到40 HRC以上，一般的冷矯直或鋸切難以實施，因此，應避免鋼管冷矯直工藝和低溫定尺鋸切。

根據該實驗鋼的熱塑性、熱強性物理特性開展工業實驗，以連鑄方式進行生產，連鑄鋼坯控制在1 200～1 280℃進行加熱爐加熱，而后軋制成圓管坯。此處控制終軋溫度在700～950℃進行熱切定尺，并將圓管坯放入緩冷坑進行緩慢冷卻至500℃以下。隨后將圓管坯由緩冷坑取出放入加熱爐加熱至1 240～1 280℃，保溫足夠時間，對圓管坯進行穿孔、軋制、定型得到所需的外徑和壁厚尺寸。工業試驗鋼圓管坯橫截面和熱酸浸2 h后外表面照片如圖5所示。可以看到，鋼坯外表面僅有少量的淺麻坑，橫截面有0.5級左右的縮孔，避免了實驗鋼鋼坯外表面和橫截面裂紋的產生。

4 結論

（1）45CrNiMoV鋼在1 100℃以下的熱強度較高，達到2 kN以上，并且熱強度的升高速率隨溫度的降低顯著增大，制管時應避免低溫軋制，控制不低于1 100℃為宜。

（2）45CrNiMoV鋼的熱軋態硬度較高，不利于機械加工，經過860℃退火處理后，硬度可降低到 25～28 HRC。

（3）45CrNiMoV鋼管在860℃正火+880℃淬火+不低于610℃回火時的沖擊功可以達到90 J以上,回火溫度610℃為沖擊功升高速率由小變大的拐點，也是強度開始大幅度下降的拐點。

（4）45CrNiMoV鋼管的金相組織狀態從610℃開始由回火屈氏體向回火索氏體的轉變，是力學性能發生突變的內在原因。