船用轴系碳锰钢成分优化及锻后热处理工艺的改进

船用轴系碳锰钢成分优化及锻后热处理工艺的改进

由于材料简单、价格低廉等因素，船上的轻精钢在银行的使用中所占比例较大。这种弯曲的弯曲接受通常是在弯曲后用反向火处理后进行的，但力学能的刚度指数通常不符合船舶等级的要求。本文通过对轴系碳锰钢的成分优化及锻后热处理工艺的改进,基本解决了轴系碳锰钢中力学性能不合格的问题,节约了成本,为公司赢得了市场。1锻后热处理工艺试验与分析图1为中间轴粗加工尺寸及取样示意图。根据船级社对它的化学成分及性能要求,对中间轴用钢的化学成分进行了内控,具体成分见表1,被船级社批准的图纸的性能要求为Rm=590～710MPa、ReH≥295MPa、A5≥19%、Z≥40%、AKV≥27J,并要求在其两端各取1个拉伸、3个冲击试样。根据中间轴的化学成分设计,制定锻后热处理工艺,见图2。锻件所用钢锭在熔炼分析时得到的化学成分见表2。按图1所示在中间轴的水口端和冒口端取样,进行力学性能试验,试验结果见表3。最初的化学成分控制理念主要出于两点:①控制C的含量偏上限,得到更多片间距小的P(珠光体,下同)组织,保证锻件的强度指标;②适当增加碳含量,增加A(奥氏体,下同)的稳定性,减小临界冷却速度,抑制先共析网状F(铁素体,下同)的析出,以利于提高韧性。但从表3中近6炉钢的力学性能来看,强度指标基本处于要求的中上限,0℃及25℃下的冲击值均未达到≥27J的要求(0℃冲击试验为船检师追加试验)。从金相检验上分析,试样的晶粒度为5～6级,F网状析出较严重,有混晶现象,部分试样中的晶界有析出物,A、B、C、D类夹杂物均为1～1.5级,这些都严重影响了锻件的冲击韧性。2杂质元素的偏聚影响锻件冲击韧性的原因主要有钢水纯净度、含碳量、晶粒度、固溶元素、回火脆性即杂质元素的偏聚析出等,从影响锻件冲击性能的几个方面来分析,应从以下几个角度对钢的化学成分进行优化并对其热处理工艺进行改进。1提高韧脆转变温度一般认为C含量高,能提高淬透性,但因渗碳体增多,P片层内渗碳体宽厚而增加基体脆性,提高了韧脆转变温度。降低C含量,可以通过提高Mn的含量部分补偿锻件的强度,Mn含量提高的同时能增加A稳定性,增加淬透性,另钢中含1%～1.5%Mn可促使F在变形时发生交滑移,使{112}、<111>滑移系在低温下仍起作用,从而改善钢的冲击性能,降低韧脆转变温度。2化学成分对晶粒大小的影响晶粒的细化,加大了晶界总面积,使晶界杂质浓度降低,避免产生沿晶脆性断裂,同时增大裂纹扩展功,从而提高韧性。最终热处理后的晶粒度主要由加热形成A时的晶粒度来决定,A晶粒的大小将影响F的尺寸及P团的大小,最终影响钢的强韧性。钢在加热A化时,A的晶粒长大主要依靠晶界的移动进行的,其驱动力是晶界两侧晶粒表面自有能差。凡能影响这两者的因素都可以改变A晶粒长大的进程,钢中促进晶粒长大的元素有C、P、Mn(高碳时),C元素促使晶粒长大的主要原因是降低晶界Fe原子的扩散激活能,降低Fe原子间的结合力,加速A晶粒的长大。强烈阻止A晶粒长大的元素有Al、Nb、V、Ti等元素,故在成分上增加Nb、Al,用来细化晶粒,Nb的作用尤其给与关注。关于用Nb微合金化结构钢,从而大幅度提高钢的强韧性,国内外学者已有大量研究及报道,取得了良好的效果。钢中的Nb在锻造热加工过程中一部分形成铌的碳化物,一部分固溶于钢中,未溶的弥散分布于晶界、位错线附近的NbC,在高温锻造的过程中对A再结晶有强烈拖拽作用,抑制A的再结晶,从而细化F晶粒和P团的尺寸。3火工艺的调整温度选择在900～910℃,此温度能使化学成分均匀,同时Nb所形成的碳、氮化合物部分溶于A,剩余碳、氮化物在冷却时作为弥散结晶核心,有利于进一步细化F晶粒及P组织。二次正火工艺不变,选择840～850℃,鼓风冷却至约500℃,抑制先共析F析出。回火后直接空冷,尽量抑制第二类回火脆性,约400℃时再回炉冷却,减小残余热应力及防止白点的生成,低于300℃后出炉空冷。曾有文献报道,采用亚温淬火,使组织中留有部分未溶F,未溶F作为结晶核心有利于细化晶粒,同时未溶F能溶解部分有害元素,起到净化晶界的等等左右,从而提高韧性,但因碳锰钢淬透性有限,淬火后组织应仍主要以F+P为主,采用亚温淬火的前提是最好以调质后的组织作为其原始组织,这样效果明显,但成本高,不利于大批量生产。3试验和性能测试结果通过以上分析,对中间轴的化学成分进行了优化,优化的化学成分见表4。并改进了其锻后热处理工艺,见图3。在经锻后热处理的中间轴上,按图1所示位置在其两端(冒口端和水口端)取样,进行力学性能试验,试验结果见表5。热处理工艺改进后共计生产15炉,制造过程严格控制成分、钢水纯净度及严格按工艺执行,从性能测试结果看,强度指标基本在中下限,冲击韧性无论是0℃还是25℃均得到极大提高,完全满足要求。从金相检验看,P团细小并分布均匀,F更加细小,网状F析出大大减少,晶粒度可以达到8～9级。由此可见,成分的优化及工艺改进是合理可行的。4调整正火颗粒通过降低C含量,增加Mn含量,并适当添加了细化晶粒的元素Nb和Al,对锻件的化学成分进行了优化;并将锻后热处理工艺由一次正火改为两次正火,增加了一次900～910℃高温正火,以调整晶粒;回火后直接空冷,抑制第二类回火脆性,约400℃时再回炉冷却