曹 虹

(武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司技術(shù)部，湖北430084)

我公司承接了高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用限位塊鍛件的供貨合同，材料為碳錳鋼。鍛件化學(xué)成分要求符合德國GL船級社規(guī)范，而力學(xué)性能指標(biāo)中的屈服強(qiáng)度大大超過了船規(guī)的要求，且要求做-20℃低溫沖擊試驗(yàn)。

1 技術(shù)要求

化學(xué)成分要求見表1。力學(xué)性能要求見表2。力學(xué)性能試樣為縱向一拉三沖，AKV(-20℃)，具體取樣位置見圖1。超聲波探傷按JFSSI3—1982驗(yàn)收。熱處理狀態(tài)為淬火+回火。零件尺寸為900 mm×550 mm×325 mm，粗加工尺寸為910 mm×560 mm×335 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照以上技術(shù)要求，經(jīng)過冶煉、鍛造、粗加工及淬火(全油冷)+回火后進(jìn)行了化學(xué)成分及力學(xué)性能檢驗(yàn)。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition requirements (mass fraction, %)

圖1 取樣位置圖Figure 1 The sampling location

Rm/MPaRp0.2/MPaA5(%)Z(%)AKV2(-20℃)/J500～620≥360≥18≥45平均值≥27

化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可見，限位塊實(shí)際成分符合表1的要求。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表中數(shù)值可看出屈服強(qiáng)度指標(biāo)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，低溫沖擊值富余超過100 J。對試驗(yàn)結(jié)果分析后認(rèn)為，由于驗(yàn)收條件中屈服強(qiáng)度及沖擊值都超出了GL船規(guī)的要求，所以全油冷的淬火方式已滿足不了性能要求。

表3 限位塊的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The chemical composition of set blocks(mass fraction, %)

表4 限位塊調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能Table 4 The mechanics performance of set blocks after quenching and tempering treatment

3 工藝改進(jìn)

為了確保達(dá)到用戶要求，從以下幾方面對原工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 新的工藝路線

確定新的工藝路線是：鋼包精煉真空處理→大氣鑄錠→鍛造→退火→粗加工→超聲波探傷→熱處理→力學(xué)性能試驗(yàn)→超聲波探傷。

3.2 冶煉工藝

配料時，加入適量的優(yōu)質(zhì)還原鐵、生鐵、優(yōu)質(zhì)廢鋼，使還原鐵和生鐵之和達(dá)到40%以上。嚴(yán)格控制硫、磷含量，有效地抑制鋼的冷、熱脆性。采用30 t電爐精煉后進(jìn)行真空處理，真空度≤133 Pa，保持(12～15)min。每噸鋼用0.5 kg Si-Ca進(jìn)行終脫氧以改變夾雜物形態(tài)。盡量降低鋼中P含量，確保成品鋼中P、S≤0.015%，用下注的方式大氣鑄錠。對化學(xué)成分進(jìn)行控制，針對力學(xué)性能要求在調(diào)整C、Mn含量后，加入了少量的合金元素作為強(qiáng)化元素，以提高材料的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)。

3.3 鍛造工藝

鋼錠升溫加熱到1 200～1 250℃，保溫一定時間后開始鍛造。鍛造采用鐓粗→拔長→再鐓粗→再拔長成型的步驟，鍛后退火處理。具體成型圖及鍛件規(guī)格見圖2。

3.4 熱處理工藝

限位塊粗加工后轉(zhuǎn)入熱處理廠進(jìn)行淬火+回火熱處理，冷卻方式由全油冷改變?yōu)樗阌屠洌瑹崽幚砉に嚽€見圖3。

圖2 鍛造示意圖Figure 2 Forging schemes

圖3 淬火+回火工藝Figure 3 Quenching+tempering technology

3.5 改進(jìn)工藝后的試驗(yàn)結(jié)果

采用改進(jìn)后的工藝生產(chǎn)的限位塊力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可知，強(qiáng)度指標(biāo)、塑韌性指標(biāo)均滿足限位塊鍛件的技術(shù)要求。

限位塊鍛件按JFSSI3—1982標(biāo)準(zhǔn)超聲波探傷符合要求。

表5 限位塊最終力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The eventually mechanics performance test results of set blocks

4 結(jié)果分析

(1)為獲得良好的綜合力學(xué)性能，冶煉中盡量降低P、S含量，C、Mn含量則按規(guī)定的上限調(diào)整，且鋼中適當(dāng)加入Cr、Ni、Mo微量元素，同時提高對有害元素Cu的控制。通過以上煉鋼手段降低了鋼中的夾雜物含量，提高了鋼水的純凈度，在滿足超聲波探傷要求的條件下也提高了材料的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性。

(2)在鍛造方面兩鐓兩拔的塑性變形破碎了鋼錠中粗大的初生樹枝狀結(jié)晶和柱狀結(jié)晶，產(chǎn)生重要的細(xì)化晶粒作用，并且使鍛件中的疏松、孔洞等缺陷完全焊合，鍛件組織更加均勻細(xì)化、致密，對提高強(qiáng)度及低溫沖擊韌性大有幫助。尤其對低溫沖擊韌性影響很大，使沖擊結(jié)果富余量很大。

(3)熱處理方面采用水淬油冷的雙液淬火法，利用水的較強(qiáng)的冷卻能力避免過冷奧氏體的分解，以獲得更多的馬氏體組織，進(jìn)一步提高屈服強(qiáng)度，同時利用油的慢冷有效降低產(chǎn)品的變形和開裂傾向?？刂坪没鼗饻囟瓤墒巩a(chǎn)品的力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。

5 結(jié)論

(1)限位塊鍛件晶粒越細(xì)小，低溫沖擊韌性越高，塑性也越好。

(2)提高鍛件用鋼的純凈度和采用兩鐓兩拔的鍛造工藝從兩方面提高了鍛件的組織致密性及均勻性，在提高強(qiáng)度及低溫沖擊韌性指標(biāo)的同時保證了探傷合格率。

(3)熱處理淬火采用水淬油冷的冷卻方式，可以有效的提高限位塊鍛件的屈服強(qiáng)度，獲得良好的綜合力學(xué)性能。