張新文， 劉廣華， 軒康樂(lè)， 王曉蘭， 劉 永

(1.江蘇永鋼集團(tuán)有限公司特鋼公司， 江蘇 蘇州 215628； 2.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司， 江蘇 常州 213000)

引 言

履帶式起重機(jī)是工程起重行業(yè)的一類重要機(jī)械，是現(xiàn)代工程建設(shè)施工不可或缺的大型設(shè)備之一，而起重機(jī)臂架是履帶式起重機(jī)承載和移送、起吊重物的關(guān)鍵部位，不僅要具有高強(qiáng)度、高塑性和良好的韌性，還必須具有良好的焊接性能，國(guó)內(nèi)衡鋼、寶鋼公司等企業(yè)已經(jīng)成功研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，并取得了較好的業(yè)績(jī)[1-4]。這類高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管屬于低碳高強(qiáng)度鋼，通過(guò)添加微合金化元素，使材料的力學(xué)性能大幅提升[5]。

為滿足其苛刻的工作環(huán)境，890 MPa級(jí)鋼管要求在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，也要滿足其低溫沖擊韌性(-40 ℃低溫沖擊功大于45 J)，但根據(jù)以往的生產(chǎn)和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該鋼級(jí)的低溫沖擊韌性是一個(gè)難以逾越的技術(shù)難題。

1 情況介紹

1.1 生產(chǎn)工藝

管坯生產(chǎn)工藝：電弧爐(鐵水+廢鋼)→LF爐精煉→VD爐真空→連鑄(Φ600 mm)→軋制(Φ200 mm))→冷卻→精整檢驗(yàn)→入庫(kù)。

鋼管生產(chǎn)工藝：下料→加熱(1250±15 ℃，保溫240 min)→穿孔→軋管→加熱(890±10 ℃，保溫15 min)→定徑(Φ139.7 mm×14.2 mm)→冷卻(空冷)→精整檢驗(yàn)→熱處理→探傷→取樣檢驗(yàn)→入庫(kù)。

1.2 化學(xué)成分

材料的化學(xué)成分如表1所示，向鋼中添加了V，Nb，Cr，Mo，W等強(qiáng)化元素，以提高鋼的綜合機(jī)械性能[6-7]。

表1 化學(xué)成分

1.3 熱處理及性能檢測(cè)

鋼管規(guī)格為Φ139.7 mm×14.2 mm，正火爐為49個(gè)料位，回火爐為86個(gè)料位，根據(jù)料位擬定的熱處理工藝為：930 ℃保溫62 min后水淬，655 ℃回火保溫215 min后空冷至室溫。

在鋼管上取Φ10 mm×60 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣(試樣的平行長(zhǎng)度為60 mm)，按照GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)，在UTM5305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。沿縱向取10 mm×10 mm×55 mm的試樣，在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)ZBC2302-C)上進(jìn)行-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所示。可以看出，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均可以滿足要求，但沖擊功比較低且不穩(wěn)定。

表2 機(jī)械性能檢測(cè)

2 原因分析

從鋼管上取10 mm×10 mm×15 mm試樣，經(jīng)4%的硝酸酒精腐蝕后，在Axio Imager M2m金相顯微鏡下觀察，檢測(cè)面為橫向。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，回火索氏體中含有大塊貝氏體組織，是導(dǎo)致材料沖擊性能不穩(wěn)定的主要原因，如圖1所示。貝氏體組織的析出，說(shuō)明鋼在淬火時(shí)冷卻速度較慢，低于淬火臨界冷卻速度。

圖1 回火索氏體+貝氏體組織

3 改進(jìn)措施

從沖擊功不合格的鋼管上取樣，在實(shí)驗(yàn)室模擬鋼管熱處理。

3.1 第一輪熱處理試驗(yàn)

3.1.1 熱處理工藝

該產(chǎn)品的合金含量約4.3%，由于合金含量較高，

淬火后會(huì)有較多殘余奧氏體存在。殘余奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的速度快，而向珠光體轉(zhuǎn)變的速度慢。殘余奧氏體在高溫區(qū)內(nèi)回火時(shí)，優(yōu)先析出先共析鐵素體，隨后分解為珠光體，需要較長(zhǎng)時(shí)間。從不合格鋼管上取一段鋼管試樣，選擇在655 ℃下回火保溫100 min后空冷，熱處理工藝如表3所示。

表3 熱處理工藝

3.1.2 檢測(cè)結(jié)果

從鋼管上取樣，避開(kāi)熱影響區(qū)，進(jìn)行拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)，并檢測(cè)鋼的組織，如表4，5和圖2所示。

表4 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 回火索氏體+貝氏體組織

可以看出，經(jīng)過(guò)655 ℃下的回火，觀察組織時(shí)仍然發(fā)現(xiàn)貝氏體組織，強(qiáng)度和韌性全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但強(qiáng)度富余量較少，說(shuō)明經(jīng)過(guò)本次回火，貝氏體中過(guò)飽和鐵素體中的碳原子及碳化物得到了有效的擴(kuò)散，提高了鋼材的韌性。

3.2 第二輪熱處理試驗(yàn)

3.2.1 熱處理工藝

為使該產(chǎn)品充分奧氏體化，在原來(lái)淬火加熱時(shí)間的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)20 min，即930 ℃保溫82 min，放入水池并快速攪拌，充分淬火；之后，在655 ℃回火保溫215 min，使其過(guò)冷奧氏體充分轉(zhuǎn)變并促使碳化物溶解，熱處理工藝如表6所示。

表6 熱處理工藝

3.2.2 檢測(cè)結(jié)果

在鋼管上避開(kāi)熱影響區(qū)取樣，進(jìn)行拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)，并檢測(cè)鋼的組織，如表7，8和圖3所示。

圖3 回火索氏體組織

表7 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以看出，鋼的組織全部為回火索氏體，低溫韌性較強(qiáng)且有較大富裕，而強(qiáng)度略低，說(shuō)明淬火冷卻到位，但回火溫度過(guò)高所致。

表8 低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 第三輪熱處理試驗(yàn)

3.3.1 熱處理工藝

當(dāng)溫度大于300 ℃時(shí)，淬火鋼隨著回火溫度的

升高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率均呈下降趨勢(shì)[8]。根據(jù)第二輪的試驗(yàn)結(jié)果，鋼的強(qiáng)度偏低，塑韌性較好，這種情況下可適當(dāng)降低鋼的回火溫度，再次探索鋼管的熱處理工藝。

取一段鋼管試樣，在實(shí)驗(yàn)室加熱爐進(jìn)行整體熱處理。加熱到930 ℃后保溫82 min，使其充分奧氏體化，之后再在640 ℃下回火保溫215 min，如表9所示。

表9 熱處理工藝

3.3.2 檢測(cè)結(jié)果

從鋼管上避開(kāi)熱影響區(qū)取樣，進(jìn)行拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)，并檢測(cè)鋼的組織，如表10，11和圖4所示。

圖4 回火索氏體組織

表10 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以看出，鋼的組織全部為回火索氏體，強(qiáng)度和韌性均有一定的富裕，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表11 低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 應(yīng)用與推廣

將試驗(yàn)室的熱處理工藝進(jìn)行推廣，生產(chǎn)5個(gè)批次約450噸鋼管，將其加熱到930 ℃后保溫82 min后水淬，再在640 ℃下回火保溫215 min，鋼管機(jī)械性能及沖擊功全部合格且穩(wěn)定。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表12所示。

表12 鋼管的機(jī)械性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)回火索氏體中含有大塊貝氏體組織，是導(dǎo)致材料沖擊性能不穩(wěn)定的主要原因，說(shuō)明鋼在淬火過(guò)程中冷卻速度低于臨界冷卻速度，而回火時(shí)又不充分，殘余奧氏體中的碳原子沒(méi)有充分?jǐn)U散，導(dǎo)致鋼的塑韌性較差。

(2)模擬鋼管的回火工藝，并適當(dāng)縮短回火時(shí)間，在655 ℃下回火保溫100 min，強(qiáng)度和韌性全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但強(qiáng)度富余量較小。

(3)為使鋼奧氏體化更加均勻，延長(zhǎng)淬火加熱保溫時(shí)間。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，鋼的塑韌性較好，但強(qiáng)度略低。

(4)將回火溫度從655 ℃降低至640 ℃，通過(guò)淬火+回火處理后，可獲得韌性和強(qiáng)度均有富裕的結(jié)果，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。將該工藝進(jìn)行推廣，獲得較好的結(jié)果。