大型低碳合金钢锻件亚温淬火工艺参数的确定.pdf

2 0 0 5年第 4期 总 1 1 0期 大型低碳合金钢锻件 亚温淬火工艺参数的确定 徐博 刘时雨 1 北满特殊钢股份有限公司 黑龙江 1 6 1 0 4 2 2 第一重型机械集团冶金研究所 黑龙江 1 6 1 042 摘要 对不同成分的大型低碳合金钢锻件亚温淬火工艺进行研究 确定了亚温淬火工艺参数 并应用于实 际生产中 结果表明 大型低碳合金钢锻件经亚温淬火热处理后 在满足工件强度的条件下 不仅可以获得更 好的塑韧性 而且可以细化晶粒组织 节省能源 关键词 低碳合金钢 亚温淬火 强度 塑韧性 晶粒细化 中图分类号 T G1 6 2 7 文献标识码 A T h e D e t e r mi n a t i o n o f t h e S u b t e m p e r a t u r e Q u e n c h i n g P r o c e s s P a r a me t e r f o r L a r g e L o w Ca r b o n A l l o y S t e e l F o r g i n g s Xu Bo Li u S h i y u Ab s t r a c t Th e s u b t e mp e r a t u r e q u e n c h i n g p r o c e s s f o r t h e l a r g e l o w c a r b o n a l l o y s t e e l for g l n g w i t h d iffe r e n t c h e m i c al c o mp o s i t i o n h a s b e e n d e s c r i b e d i n t h i s a r t i c l e a n d t h e s u b t e mp e r a t u re q u e n c h i n g p r oc e s s p a r a me t e r w h i c h h as b e e n a l rea d y a p p l i e d i n t h e p r a c t i c al p r o d u c t i o n h a s b e e n d e t e r mi n e d a s w e l 1 Th e r e s u l t s s h o ws t h a t t h e l a r g e l o w c a r b o n a l l o y s t e e l c a n n o t o n l y o b t a i n t h e b e t t e r p l a s t i c t o u g h n e s s b u t a l s o r e fi n e t h e g r ain s i z e s t r u c t u r e w i t h e n e r g y s a v i n g a f t e r t h e s u b t e mp e r a t u r e q u e n c h i n g t r e a t me n t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f s a t i s f y i n g t h e s t r e n g t h o f t h e w o r k i n g p i e c e Ke y wo r d s l o w c a r b o n a l l o y s t e e l s u b t e mp e r a t u r e q u e n c h i n g s t r e n gth p l ast i c t o u g h n e s s gra i n s i z e refi n i n g 1 前言 大型锻件的热处理可以决定产品最终 的使用 性能 它在大锻件粗加工以后进行 所采用的工 艺取决于材质和所需要的性能 在进行大锻件 的 加热时 应根据大锻件的特点采用不同的加热方 式 其核心问题是在加热过程中要尽量降低温差 热应力 确保已存在的缺陷不再扩大 同时也要考 虑到不能在高温阶段停留时间过长 以防奥氏体 晶粒长大 钢 中奥氏体的转变一般是 由形核 核的长大 碳化物的溶解和成分的均匀化这样几个步骤完成 的 这几个过程都是铁 碳 和合金元素 的扩散过 程 所以需要一定 的时间 时间越长这个过程进行 得越完全 但 另一方 面也应考 虑到保温 时间过 长 奥氏体晶粒长大对钢的性能有不利影响 研 究表明 奥氏体的形成过程是比较快的 所以保温 时间主要取决于锻件心部温度到达加热温度所需 的时间 这个时间主要取决 于中间保持后 的加热 速度 一般亚共析钢淬火加热温度为 A a 3 0 5 0 大锻件高温加热温度比小件稍高 大 收稿 日期 2 0 0 5一 O 8 0 1 2 6 锻件正火 淬火温度应取规定温度的上限 本文 以2 0 M n M o 1 2 C r l M o V两种材质为例 就大锻件 亚温淬火热处理工艺参数的确定进行详细论述 2 0 M n M o 1 2 C r l M o V钢属于亚共析钢 其高温 退火 后得 到 的珠 光体 珠光 体 先 共析 铁素 体 或渗碳体 以及铁素体 碳化物 都属于平衡组 织 钢加热到 A 以上时 首先发生珠光体向奥氏 体的转变 这个转变过程可分为 3个 阶段 1 在 P P界面 即珠光体团间界面及 F F e C界面形成 奥氏体晶核并逐渐长大 形成奥氏体晶粒 在 P P界面形核时 晶核只向一侧长大 在 F F e C界 面形 核时 晶核向两侧 长大 2 残余 渗碳体 溶 入奥氏体 3 奥氏体成分均匀化 粒状珠光体 转变为奥 氏体时 奥氏体 只在 F F e C界面形 核 亚共析钢 中的珠光体转变为奥氏体时 奥 氏体还 可以在 F P界面形核 珠光体消失后 随着温度 的升高 奥氏体逐步长入铁素体 合金元素及碳在 仅 两相间重新分配 加热到 A a以上时铁素体 全部消失 奥氏体成分继续均匀化 试验研究表 明 2 0 Mn Mo 1 2 C r l M o V钢在略低 于A 的温度奥氏体化淬火 可提高钢的韧性 降 低脆性转变温度 并可消除 回火脆性 亚温淬火 维普资讯 大型铸锻件 加热温度应接近于A a 以避免出现过多铁素体而 影响钢的强度 2 2 0 Mn Mo钢低温淬火工艺的制订 2 0 Mn Mo管板两件 单重 1 0 5 1 6 k g 尺寸见图 1 化学成分见表 1 性能要求为 3 5 0 MP a 1 5 1 0 MP a 5 1 8 A K u 6 0 J 2 0 M n Mo钢的 临界点见表 2 J 0 o N C 2 2 9 6 图 1 管板尺寸图 F i g u r e 1 T h e d i me n s i o n s k e t c h o f t h e t u b e s h e e t p 媚 表 1 2 0 Mn Mo管板化学成分 质量分数 Ta b l e 1 Th e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f 2 0 Mn Mo t u b e s h e e t ma s s f r a c t i o n 件 号 C S i Mn C r P S Mo 1 O 1 9 O 3 3 1 2 6 O 1 3 O O 1 5 O O 1 2 O 2 4 2 O 2 O O 3 3 1 3 7 O 2 2 O O 1 3 O O 1 8 O 2 7 表2 2 0 Mn Mo钢的临界点 Ta b l e 2 Th e c r i t i c a l p o i n t o f2 0 M n M o s t e e l Ac 1 Ac 3 Ad Ad 7 3 0 8 3 9 7 2 9 6 8 5 2 1 原常规热处理工艺 2 0 Mn Mo 钢正常调质热处理的 目的是获得 晶 粒较细且均匀的奥氏体组织 为以后的冷却转变 准备组织条件 所以正确选择淬火 正火温度是 极其重要的 具体工艺参数见图 2 经热处理 后 性能结果见表 3 时间 h 图2 2 0 Mn Mo 钢常规调质热处理工艺 F i gu re 2 Th e c o n v e n t i o n a l q u e n c h i n g t e mp e r i n g h e a t t r e a t me n t p r o c e s s o f 2 0 Mn Mo s t e e l 表3 2 0 Mn Mo钢常规调质热处理后 的性能检查结果 Ta b l e 3 Th e p r o p e r t y e x a mi n e d r e s u l t s of 2 0 M n M o s t e e l a f t e r t h e c o n v e n t i o n a l q u e n c h i n g t e mpe r i n g t r e a t me n t tr b 岛 A K U 工件号 HB S MP a MP a J 4 7 2 5 8 5 2 0 5 2 0 7 2 1 6 2 2 4 1 6 7 1 4 4 7 5 6 0 2 1 2 o o 2 1 5 2 O 5 1 61 4 9 4 6 2 6 2 2 2 2 2 2 1 5 2 O 5 1 7 0 2 51 2 6 4 5 2 2 5 1 8 4 2 0 4 2 0 4 1 6 2 该工艺完全按正常热处理参数制订 其热处 理性能结果也满足技术要求 是成型的规范 的热 处理调质工艺 但用于2 0 M n M o 钢大锻件时却经 常出现不能消除因炼钢或锻造原因造成晶粒粗大 的现象 奥氏体晶粒度的大小对其力学性能与工 艺性能有很大的影响 粗大的奥氏体晶粒钢冷却 后 将获得粗大 的组织转变产物 使钢的塑性 特 别是韧性降低 所以大锻件晶粒粗大时必须进行 细化晶粒热处理 这里以另两件同尺寸管板为例 管板经超声 波探伤发现 3 号件草状波严重 4 号件无底波 晶 粒度检验结果 3号件 4级 4号件 3级 随后用 下述两种工艺方案进行晶粒细化 都取得良好的 效果 2 2 晶粒细化热处理工艺 由于管板晶粒粗大 所以我们尝试进行低温 淬火和正火 调质晶粒细化热处理工艺 3号件 采用低温淬火工艺 见图3 4 号件采用正常奥氏 体晶粒细化热处理工艺 即正火 淬 火 回火工 艺 见图 4 两件 管板 热处理后 的性能结果见表 4 图3中 管板第一次加热到略低于正常调质 温度进行淬火的目的是使工件组织完成奥氏体转 变 冷却后再加热至 8 3 0 属于亚温淬火 亚 共析钢在略低于A 的温度奥氏体化淬火 即在奥 氏体成核后还没来得及长大就淬火 不仅可以获 得细小的晶粒组织 还可提高钢的韧性 降低脆性 2 7 维普资讯 2 0 0 5年第 4期 总 1 1 0期 转变温度 并可消除 回火脆性 亚温淬火的加 热 温度应接近A 以避免出现过多铁素体而影响钢 的强度 在相同回火温度下 亚温淬火与正常温 度淬火相 比 强度略低 由表 4可以看 出 亚温淬火工 艺比正火 回 赠 赠 火工艺在满足管板强度要求情况下 可 以获得更 好的塑韧性和晶粒细化的效果 并且由于高温加 热温度低 节 省了大量能源 消耗 另外对于一些 经正火或调质热处理后冲击韧性不合格的产品 经亚温淬火热处理后可 以满足图纸技术要求 时 间 h 图3 管板亚温淬火工艺 F i g u r e 3 T h e s u b t e mp e r a t u r e q u e n c h i n g p r o c e s s f o r t h e t u b e s h e e t 时间 h 图4 管板正火 淬火回火工艺 F i g u r e 4 Th e n o r ma l i z i n g q u e n c h t e mp e r i n g p r o c e s s o f t h e t u b e s h e e t 表4 管板性能检查结果 Ta b l e 4 Th e p r o p e r t y e x a mi n e d r e s u l t s o f t h e t u b e s h e e t b A K u 晶粒度 工件号 MP a MP a J 级 4 6 6 6 1 7 2 5 21 7 2 3 8 21 8 3 7 7 5 4 8 2 6 2 8 2 4 5 21 8 2 3 0 2 2 5 4 9 4 6 2 6 2 2 1 8 6 1 7 4 1 6 9 4 7 5 1 2 6 4 5 2 2 5 1 7 6 1 8 0 1 7 2 3 1 2 C r l Mo V钢亚温热处理工艺的制订 1 2 C r l Mo V钢属 于低合 金热 强钢 主要 用 于 制造使用温度不超过 5 8 0 的高压设备 中的过热 钢管 三通等锻件 对晶粒度和冲击韧性 的要求极 严 本文以尺 寸为 6 1 0 iT l r n x 1 4 0 0 iT l r n 内孑 L 2 j 4 0 0 m m 单重 5 2 6 6 k g 见 图 5 的 4件三通为 例 对 热 处 理 工 艺 进 行 分 析 和 研 究 4 件 1 2 C r l M o V钢三通的化学成分见表 5 钢 的临界点 见表 6 性能要求 为 I 2 7 4 MP a I 4 4 1 MP a 5 12 0 A K u 15 5 J 图5 1 2 C r l Mo V钢三通尺寸图 F i g u r e 5 Th e t e e d i me n s i o n o f 1 2 C r l Mo V s t e e l 维普资讯 大型铸锻件 表 5 1 2 C r 1 Mo V钢化学成分 质量分数 Ta b l e 5 T h e c h e mi c a l c o m p o s i t i o n o f 1 2 C r 1 Mo V s t e e l ma s s f r a c t i o n 件号 C S i Mn C r P S M O V 1 O 1 3 0 2 5 O 6 1 1 O 2 0 0 1 0 O 0 0 7 O 3 3 O 3 3 2 0 1 3 O 2 5 O 6 1 1 O 2 0 0 1 0 O O 0 r 7 O 3 3 O 3 3 3 0 1 5 O 2 2 O 6 8 1 O 8 O O 1 2 O O o 6 O 3 O O 1 8 4 O 1 2 O 2 2 0 6 4 1 2 O O O 0 9 O Ol 1 O 3 2 O 2 4 表 6 1 2 C r 1 Mo V钢的临界点 C Ta b l e 6 Th e c r i tic a l p o i n t o f1 2 Cr 1 Mo V s t eel Ac 1 Ac a A 1 Ad 7 7 4 8 1 3 8 9 2 9 3 4 7 61 7 8 7 8 3 0 8 9 5 4件三通 中 l 2号件超声 波探 伤草状波严 重 晶粒度为 3 级 l 号件采用正火 调质热处 理工艺 见图 6 2号件采用两次亚温 淬火工艺 见图7 进行晶粒细化热处理 正火的加热温度 要高些 有利于合金元素的扩散 消除微区偏析 并割断原始粗 晶粒与奥 氏体化后 晶粒之 间的联 系 但这时得到的晶粒要粗些 调质时奥氏体化 则选择晶粒不致发生显著长大的温度 由于低碳 合金钢较低的温度下加热保温后以一定的冷却速 妊 I 赠 妊 I 赠 度限速冷却 可以获得珠 光体或铁 索体 的平衡组 织 再加热后其晶粒组织不存在晶粒遗传现象 为 我们采用低温淬火进行细化晶粒处理提供了必要 条件 所以据此制订了亚温淬火工艺参数 热处 理后性能结果见表 7 由表 7可以看 出 虽然 l 2 号件晶粒度合格 但 1 号件冲击指标不合格 对 l 号件又进行 7 6 0 o C 高温补充回火 冲击指标仍 然不合格 强度还降低很多 即使再进行更高温度 回火也很难保证技术要求 为此 我们采用如图 8所示的亚温淬火 回火工艺对该件进行返修处 理 结果见表 8 3 4号件探伤结果合格 3号件采用图9所 示的正常调质热处理工艺 4号件采用图 l 0所示 的正火 回火工艺进行处理 结果见表 8 表7 性能检查结果 o r or b 如 A K u 晶粒度 工件号 MP a M P a J 级 3 5 4 5 3 0 2 6 5 9 0 3 5 3 9 1 6 7 3 6 0 5 4 5 2 7 4 0 98 3 O 4 9 4 6 2 6 2 2 1 8 6 1 7 4 1 6 9 2 7 7 5 51 2 6 4 5 2 2 5 1 7 6 1 8 O 1 7 2 时间 h 图 6 正火 调质工艺 F i g u r e 6 T h e p r o c e s s o f n o r ma l i z i n g q u e n c h t e mp e r i n g 时 间 h 图7 两次亚温淬火工艺 F i gu re 7 T h e t wo t i me s s u b t e mpe r a t u re q u e n c h i n g p r o c e s s 2 9 维普资讯 2 0 0 5年第 4期 总 1 1 0期 p 赠 p 赠 p 赠 时问 h 图8 亚温淬火热处理工艺 F i g u r e 8 T h e h e a t t r e a t me n t p r o c e s s o f s u b t e mp e r a t u r e h e a t t rea t me n t 时间 h 图9 调质热处理工艺 F i g u r e 9 T h e p r o c e s s o f q u e n c h t e mp e r i n g h e a t t r e a t m