5NiCrMoV鋼鍛件熱處理工藝

  NiCrMoV系列高強(qiáng)鋼是我國(guó)常用的船舶結(jié)構(gòu)用低合金高強(qiáng)度鋼，具有強(qiáng)度高、低溫韌性?xún)?yōu)、焊接性良好等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國(guó)已完成特厚鋼板的研究與工業(yè)化"，船體結(jié)構(gòu)制造以鋼板為主，但對(duì)于船舶的異型或大壁厚結(jié)構(gòu)部件，鋼板具有較多的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。基于此，開(kāi)展5NiCrMoV鋼鍛件的生產(chǎn)研究。5NiCrMoV高強(qiáng)鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.11%，最大設(shè)計(jì)壁厚為120mm，屈服強(qiáng)度為785～925MPa。以5NiCrMoV鋼鍛件為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)定不同的回火溫度，分析鍛件的力學(xué)性能與金相組織，探討120mm壁厚鍛件的合理熱處理工藝。1試驗(yàn)材料與方法 1.1 試驗(yàn)材料   為使本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更貼合工業(yè)化生產(chǎn)，試驗(yàn)采用“電弧爐+精煉脫氣"冶煉鋼水，隨后進(jìn)行電渣重熔，電渣錠中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.8%、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。采用鍛壓機(jī)對(duì)電渣錠進(jìn)行開(kāi)壞鍛造，采用數(shù)控立車(chē)對(duì)鍛件進(jìn)行機(jī)加工，獲得環(huán)狀試驗(yàn)用鍛件，內(nèi)徑為2800mm、高度為1000mm、壁厚為120mm。     鍛件熱處理工藝為淬火+高溫回火。在鍛件上取若干個(gè)直徑為3mm、高度為10mm的標(biāo)準(zhǔn)膨脹試樣，用Gleeble膨脹儀測(cè)得鍛造5NiCrMoV鋼的加熱相變點(diǎn)Ac1為636℃，加熱轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為806℃。本研究以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定試驗(yàn)材料的熱處理工藝與鍛件試板的獲取方法。     將環(huán)狀鍛件整環(huán)淬火后，875℃溫度下保溫5h，水冷，入水轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間不大于2.5min，淬火水容量與鍛件質(zhì)量比值大于10。在環(huán)狀鍛件上分切4塊弧長(zhǎng)為1000mm、高度為1000mm、壁厚為120mm的試板，分別進(jìn)行600℃、620℃、640℃、660℃高溫回火，保溫10h，空冷至室溫。淬火與回火熱處理均選用電阻爐，溫控精度為±5℃。1.2試驗(yàn)方法     高溫回火后，對(duì)4塊試板進(jìn)行解剖取樣，每塊試板壁厚區(qū)分內(nèi)表面、內(nèi)表面T/4（T為試板壁厚，即距內(nèi)表面30mm處）、心部、外表面T/4、外表面共5層，逐層取樣。每層壁厚位置均按《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228.1一2010）加工R4型拉伸試樣，采用美特斯CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，記錄材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。按《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T229—2007）加工10mm×10mmX55mm尺寸V形缺口試樣，采用美特斯ZBC2302擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行-20℃與-84℃低溫沖擊試驗(yàn)，記錄材料的沖擊能量值、斷面率。按《鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》（GB/T6803—2008）加工P-3型試樣，采用JL-3000型號(hào)落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定材料斷裂時(shí)的最高溫度。按《金屬平均晶粒度測(cè)定材料斷裂時(shí)的最高溫度。按《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》（GB/T6394一2017）與《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》（GBT226一2015），采用奧林巴斯X51M金相顯微鏡進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)與金相組織觀察。2結(jié)果與分析2.1 室溫拉伸性能     不同回火溫度試板室溫拉伸性能結(jié)果見(jiàn)表1。5NiCrMoV鋼室溫拉伸指標(biāo)值為屈服強(qiáng)度785～925MPa、斷后伸長(zhǎng)率≥15%、斷面收縮率≥50%。由檢測(cè)結(jié)果可知：試板的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均隨回火溫度的升高而降低，且溫度越高屈服強(qiáng)度下降幅度越大；沿壁厚方向，心部的強(qiáng)度略低于內(nèi)外表面。將不同回火溫度試板的拉伸性能與指標(biāo)值范圍相對(duì)比，600℃試板屈服強(qiáng)度處于指標(biāo)值上限，640℃與660℃試板屈服強(qiáng)度低于指標(biāo)下限，620℃試板屈服強(qiáng)度處于指標(biāo)值中限，最大值為880MPa，最小值為839MPa，滿(mǎn)足指標(biāo)值要求。在本研究的后序試驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注620℃試板各項(xiàng)性能指標(biāo)。     不同回火溫度試板的斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率均可滿(mǎn)足指標(biāo)值要求，且隨著回火溫度升高，數(shù)值均略有升高，640℃回火達(dá)到最大值，在660℃回火時(shí)略有下降，說(shuō)明此溫度下材料的強(qiáng)度與韌性均下降。試板的斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率，壁厚的表面與心部無(wú)明顯變化規(guī)律。2.2低溫沖擊性能    不同回火溫度試板的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。5NiCrMoV鋼低溫沖擊指標(biāo)值為-20℃沖擊能量值≥80J、-20℃沖擊斷面率≥90%、-84℃沖擊能量值≥47J。由表2可知，試板在-20℃與-84℃進(jìn)行低溫沖擊，能量值與斷面率均隨回火溫度的升高而升高，640℃時(shí)達(dá)到最大值，在660℃時(shí)出現(xiàn)下限趨勢(shì)，這與室溫拉伸性能中斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率的變化趨勢(shì)一致。沿壁厚方向，試板心部的低溫韌性?xún)?yōu)于內(nèi)外表面。將不同回火溫度試板的低溫沖擊性能與指標(biāo)值范圍相對(duì)比，600℃試板在-20℃低溫沖擊斷面率低于指標(biāo)值、-84℃低溫沖擊能量值處于指標(biāo)下限，其他試板低溫沖擊性能均滿(mǎn)足指標(biāo)值。     620℃試板的-20℃低溫沖擊試驗(yàn)中，能量最小值為229J，是指標(biāo)下限值（80J）的2.9倍，斷面率為100%。-84℃低溫沖擊試驗(yàn)中，能量最小值為126J，是指標(biāo)下限值（47J）的2.7倍，斷面率均值66%。試板在620℃回火時(shí)，表現(xiàn)出了良好的低溫韌性，且儲(chǔ)備量大，可保證鍛件在低溫下的使用安全。2.3落錘試驗(yàn)     由落錘試驗(yàn)測(cè)定的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（Nil-DuctilityTransition Temperature，NDTT）是廣泛應(yīng)用的一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變溫度指標(biāo)，是表征材料抗冷脆性能的重要參量。不同回火溫度試板的落錘試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。620℃試板的心部與表面NDTT均低于-100℃，滿(mǎn)足指標(biāo)值要求（低于-70℃），表明試板低溫下抗脆性斷裂能力良好。2.4 晶粒度檢測(cè)     試板的晶粒度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，試板的晶粒度均勻性良好，晶粒度處于6.5～7.3，表面與心部的晶粒度無(wú)明顯差異，回火溫度對(duì)晶粒度無(wú)明顯影響。2.5 金相組織觀察     不同回火溫度試板外表面與心部的金相組織觀察結(jié)果如圖1所示。試板的外表面為回火馬氏體組織，心部為回火馬氏體并含有少量粒狀貝氏體。    材料的含碳量?jī)H為0.09%，過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性較低，需要更快的冷卻速度才可得到馬氏體組織，因此在淬火熱處理中對(duì)入水轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間、淬火水容量與鍛件的質(zhì)量比值做出要求。鍛件在淬火過(guò)程中，內(nèi)外表面快速冷卻，形成板條馬氏體，使材料具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性。心部冷卻速度稍慢，首先在過(guò)冷奧氏體晶內(nèi)或晶界上形成少量的粒狀貝氏體，然后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成板條馬氏體與粒狀貝氏體組織。與馬氏體相比，粒狀貝氏體強(qiáng)度略低，但其彌散于馬氏體中，可以起到復(fù)相強(qiáng)化的作用，而且粒狀貝氏體對(duì)奧氏體的分割作用又造成馬氏體的晶粒細(xì)化。這種低碳板條馬氏體與貝氏體結(jié)合組織的韌性將優(yōu)于單一馬氏體組織，但對(duì)強(qiáng)度影響不大,因此材料的心部與表面一樣具有較好的強(qiáng)韌性匹配，尤其對(duì)于低溫韌性具有不錯(cuò)的表現(xiàn)。     在回火過(guò)程中，隨著溫度升高，位錯(cuò)發(fā)生遷移與合并，使其釘扎效果減弱，材料強(qiáng)度出現(xiàn)下降。另外，隨著溫度升高，超過(guò)鐵素體固溶度的碳以碳化物形式析出、球化、聚集長(zhǎng)大，也會(huì)影響材料的拉伸性能。      觀察金相組織可知，600℃試板的組織表現(xiàn)為明顯的板條狀結(jié)構(gòu)，其間有析出的碳化物，材料表現(xiàn)為高強(qiáng)度、低韌性。620℃試板的組織保留馬氏體板條結(jié)構(gòu)，碳化物在晶粒內(nèi)部與晶界上開(kāi)始呈現(xiàn)球化現(xiàn)象，出現(xiàn)彌散的小顆粒碳化物，對(duì)材料低溫韌性有較大貢獻(xiàn)，材料強(qiáng)韌性匹配良好。640℃試板已接近材料的Ac1溫度，出現(xiàn)大量球化碳化物并聚集長(zhǎng)大，進(jìn)一步提高了材料的低溫韌性，但材料強(qiáng)度明顯降低。660℃試板馬氏體的板條狀結(jié)構(gòu)消失，基體中的碳化物開(kāi)始溶解并減少，存在的碳化物尺寸較大，此種組織表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度大幅下降，且韌性開(kāi)始下降。3結(jié)論   采用電渣重熔+鍛造成型方式制造的120mm壁厚5NiCrMoV鋼鍛件，調(diào)質(zhì)熱處理工藝：淬火溫度875℃±5℃，快速水冷；回火溫度620℃±5℃，空冷至室溫。此工藝處理的120mm壁厚鍛件試板，其拉伸強(qiáng)度與低溫韌性匹配良好，且低溫韌性?xún)?chǔ)備量大，可滿(mǎn)足5NiCrMoV鋼力學(xué)性能指標(biāo)要求。鍛件通過(guò)調(diào)質(zhì)后，晶粒度均勻，表面為回火馬氏體組織，心部含有少量粒狀貝氏體組織。