辛宇
(駐某地代表室,黑龍江 齊齊哈爾 161042)
某型船用鍛件是船用重要部件,其質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性。通過(guò)對(duì)輪緣鍛件屈服強(qiáng)度及晶粒度不合格問(wèn)題的分析研究,采取改善措施,制造過(guò)程工藝得到固化,對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。
輪緣鍛件(爐號(hào):7200073,卡號(hào):2040024)檢驗(yàn)結(jié)果為沖擊和冷彎結(jié)果合格,但屈服強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)且低于標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí)晶粒度等級(jí)也不滿足技術(shù)要求,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 輪緣性能結(jié)果
輪緣進(jìn)行重新熱處理后再次進(jìn)行檢驗(yàn),屈服強(qiáng)度略有改善,但仍然有較大波動(dòng),且個(gè)別值不滿足技術(shù)要求,晶粒度等級(jí)未得到明顯改善,結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 輪緣重新熱處理后性能結(jié)果
為找到輪緣屈服強(qiáng)度波動(dòng)較大且部分值不合格問(wèn)題,以及晶粒度等級(jí)不合格的根本原因,避免問(wèn)題重復(fù)發(fā)生,從技術(shù)上進(jìn)行歸零分析。
針對(duì)屈服強(qiáng)度波動(dòng)較大且部分值低于標(biāo)準(zhǔn)要求問(wèn)題,建立故障樹(shù)進(jìn)行分析,如圖1所示。
圖1 屈服強(qiáng)度問(wèn)題分析故障樹(shù)
2.1.1 X1成分偏析及異常
輪緣熔煉成分和成品成分結(jié)果見(jiàn)表3,表中熔煉和成品成分結(jié)果都滿足技術(shù)要求。C和合金元素含量都為技術(shù)要求的中下限。
表3 輪緣熔煉及成品成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果 %
為驗(yàn)證鍛件化學(xué)成分的均勻性,在0°、90°、180°、270°4個(gè)位置重新取料復(fù)驗(yàn)成分,結(jié)果見(jiàn)表4,顯示沿輪緣試料區(qū)周向的4個(gè)位置的化學(xué)成分非常均勻,無(wú)明顯偏析。
表4 卡號(hào)2040024輪緣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)驗(yàn)結(jié)果 %
2.1.2 X2 檢測(cè)過(guò)程及試樣異常
為排除檢測(cè)過(guò)程異常,同時(shí)驗(yàn)證強(qiáng)度的均勻性。分別在0°、90°、180°、270°4個(gè)位置重新取料進(jìn)行了力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表5。復(fù)驗(yàn)結(jié)果表明4個(gè)位置的屈服強(qiáng)度比較均勻且均不合格,表明檢測(cè)過(guò)程無(wú)異常。
表5 卡號(hào)2040024輪緣力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果
2.1.3 X3 工藝執(zhí)行過(guò)程異常
為了得回火索氏體組織[1],熱處理采用水淬油冷工藝,熱處理過(guò)程電偶敷設(shè)在爐前和爐后代表最高和最低溫度的地方。淬火溫度工藝要求(870±10)℃,實(shí)際執(zhí)行偶溫為875~879 ℃,回火溫度工藝要求(580±10)℃,輪緣鍛件的實(shí)際執(zhí)行偶溫為575~580 ℃,回火均溫時(shí)間8 h。熱處理工藝執(zhí)行正常,滿足工藝要求。
輪緣執(zhí)行第一次返修熱處理工藝參數(shù),熱處理過(guò)程電偶敷設(shè)在爐前和爐后代表最高和最低溫度的地方。正火溫度工藝要求(840±10)℃,實(shí)際執(zhí)行溫度為835~837 ℃,淬火溫度工藝要求(880±10)℃,實(shí)際執(zhí)行偶溫為872~879℃,回火溫度工藝要求(570±10)℃,輪緣鍛件的實(shí)際執(zhí)行偶溫為569~573 ℃。入水水溫為15 ℃,出水水溫為20 ℃,水冷時(shí)間20 min。熱處理工藝執(zhí)行正常,滿足工藝要求。
2.1.4 X4 沿鍛件壁厚強(qiáng)度差異大
為驗(yàn)證輪緣鍛件沿壁厚的性能均勻性,鍛件近表層和心部分別取料進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表6,顯示近外層屈服強(qiáng)度最高,心部屈服強(qiáng)度最低。強(qiáng)度差別達(dá)到50 MPa。沿壁厚強(qiáng)度變化非常大,從而導(dǎo)致多次檢驗(yàn)過(guò)程強(qiáng)度出現(xiàn)較大波動(dòng),屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。
表6 輪緣不同部位復(fù)驗(yàn)性能結(jié)果
綜上所述[2],輪緣鍛件成分滿足要求且分布均勻,C和合金元素為技術(shù)要求下限;復(fù)驗(yàn)屈服強(qiáng)度均低于要求值,沿周向分布均勻,可排除檢測(cè)和試樣異常的原因;熱處理執(zhí)行過(guò)程滿足工藝要求,無(wú)異常。
輪緣鍛件沿壁厚強(qiáng)度差異較大,導(dǎo)致多次檢驗(yàn)過(guò)程屈服強(qiáng)度波動(dòng)較大且取樣位置屈服強(qiáng)度不合格。
屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求問(wèn)題,建立如圖2所示故障樹(shù)進(jìn)行分析。
圖2 屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求問(wèn)題分析故障樹(shù)
2.2.1 X1 晶粒尺寸均勻性復(fù)驗(yàn)
輪緣晶粒度按GB/T 6394進(jìn)行[3]。為檢驗(yàn)輪緣晶粒分布的均勻性,在鍛件試料區(qū)均布6點(diǎn)取試樣檢驗(yàn)晶粒度(如表7)。結(jié)果顯示晶粒度分布比較均勻,不存在明顯的混晶現(xiàn)象,均未達(dá)到技術(shù)條件6級(jí)的要求。
表7 晶粒度復(fù)檢結(jié)果
輪緣鍛件無(wú)明顯粗大晶粒,也無(wú)混晶現(xiàn)象,也說(shuō)明鍛造成型過(guò)程滿足工藝要求,無(wú)異常。
2.2.2 X3 當(dāng)前熱處理工藝細(xì)化晶粒效果驗(yàn)證
輪緣鍛件工藝設(shè)計(jì)方面在鍛后熱處理階段增加了2次過(guò)冷處理,同時(shí)在性能熱處理前增加了1次正火處理,目的是為細(xì)化輪緣晶粒。
從晶粒度檢測(cè)結(jié)果看,輪緣鍛件達(dá)到均勻的5級(jí)的水平,但輪緣鍛件的晶粒度未進(jìn)一步有效細(xì)化。證明當(dāng)前增加多次正火的措施無(wú)法進(jìn)一步細(xì)化晶粒,細(xì)化晶粒工藝需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。
綜上所述,輪緣鍛件各個(gè)位置晶粒尺寸分布均勻,晶粒度5級(jí),當(dāng)前采用的進(jìn)一步細(xì)化晶粒的熱處理措施未達(dá)到理想的細(xì)化晶粒的效果。
為分析屈服強(qiáng)度偏低的原因,輪緣鍛件在拉力試樣附近取金相試樣進(jìn)行了金相組織分析。高倍結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4,顯示輪緣金相組織為回火索氏體+貝氏體回火組織+少量鐵素體組織的混合組織,未得到預(yù)期的完全回火索氏體+回火貝氏體組織。理論上,出現(xiàn)鐵素體組織表明材料的淬透性不足和當(dāng)前的冷卻速度不足。鐵素體組織的出現(xiàn)也是屈服強(qiáng)度不足的主要原因。
圖3 輪緣鍛件高倍組織(200×)
圖4 輪緣鍛件高倍組織(500×)
從工藝方面看,輪緣鍛件材質(zhì)為40CrNiMoA,壁厚約為220 mm,按規(guī)范采用水淬油冷的方式進(jìn)行淬火冷卻,水冷時(shí)間為30 min,油冷時(shí)間為70 min。由于C元素和合金含量按下限控制,導(dǎo)致材料的淬透性降低。同時(shí)水冷時(shí)間相對(duì)較短,造成冷卻速度不足。現(xiàn)有成分C元素和合金含量偏低,可以進(jìn)一步降低回火溫度,以提高屈服強(qiáng)度。
從機(jī)理分析可以得出,延長(zhǎng)輪緣淬火的水冷時(shí)間、提高冷卻速度,以及降低回火溫度等措施,可以提高鍛件的屈服強(qiáng)度。具體的工藝參數(shù)和能達(dá)到的效果還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
輪緣鍛件執(zhí)行了多次以細(xì)化晶粒為目的的正火和過(guò)冷后,晶粒未能有效細(xì)化到目標(biāo)等級(jí)。因此需要進(jìn)行工藝試驗(yàn)。從細(xì)化晶粒的機(jī)理出發(fā)[4-5],經(jīng)研究設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下幾組試驗(yàn):1)改變奧氏體化后的冷卻速度,φ20 mm試樣取出空冷和爐冷退火進(jìn)行比較;2)提高退火溫度,分別在880 ℃和930 ℃進(jìn)行退火,高溫退火目的是判斷是否存在組織遺傳;3)改變升溫速度,選擇70 ℃/h升溫和功率升溫(1 h到溫)兩種加熱方法。
第一次晶粒度模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8,從中可以看出:1)所有采用的方法,未起到明顯的細(xì)化晶粒作用;2)相對(duì)于正火方法,采用退火晶粒度細(xì)化效果較好;3)提高退火溫度至930 ℃后,晶粒發(fā)生粗化;4)快速升溫在細(xì)化晶粒方面作用不明顯。
表8 第一次模擬試驗(yàn)的晶粒度結(jié)果
針對(duì)正常溫度退火和正火后都未能有效細(xì)化晶粒的問(wèn)題,經(jīng)研究重新設(shè)計(jì)以下幾組試驗(yàn):1)降低加熱溫度,分別加熱到800 ℃、840 ℃、880 ℃進(jìn)行奧氏體化;2)增加奧氏體化次數(shù),1#、2#等試樣加熱過(guò)程經(jīng)歷5次熱循環(huán),目的是通過(guò)反復(fù)的加熱和冷卻細(xì)化晶粒;3)10#、11#等試樣完成低溫處理后,再進(jìn)行880 ℃加熱2 h。
第一次晶粒度模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9,從中可以看出:1)降低加熱溫度,可以起到明顯的細(xì)化晶粒作用,840 ℃進(jìn)行退火后,晶粒度可以達(dá)到8級(jí)以上;2)低溫奧氏體化后,再次在880 ℃加熱,晶粒會(huì)逐步恢復(fù)至6.5~7.0級(jí);3)增加奧氏體化循環(huán)次數(shù),沒(méi)有明顯的細(xì)化晶粒作用。
表9 第二次模擬試驗(yàn)的晶粒度結(jié)果
通過(guò)細(xì)化晶粒試驗(yàn)可以看出,在880 ℃及更高的溫度進(jìn)行奧氏體化,無(wú)法進(jìn)一步細(xì)化晶粒。而且,低溫奧氏體化細(xì)化后的晶粒在880 ℃及更高的溫度重新奧氏體化后,晶粒度會(huì)逐步粗化。文獻(xiàn)及試驗(yàn)結(jié)果表明[6],現(xiàn)有晶粒度在5~6級(jí)的根本原因是奧氏體化溫度偏高。進(jìn)一步細(xì)化晶粒需要降低奧氏體化溫度。
輪緣鍛件強(qiáng)度和晶粒尺寸對(duì)工藝參數(shù)的要求相互制約,為細(xì)化晶粒,需要降低奧氏體化溫度,同時(shí)需要重新驗(yàn)證回火溫度和強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系。為研究強(qiáng)度與回火溫度關(guān)系,經(jīng)研究設(shè)計(jì)進(jìn)行了較快冷速下不同淬火溫度(880℃、840 ℃)和不同的回火溫度(500~580 ℃)模擬試驗(yàn)。
結(jié)果表明:降低淬火溫度至840 ℃后,強(qiáng)度未發(fā)生明顯下降。降低回火溫度至520~540 ℃后,強(qiáng)度可以出現(xiàn)明顯提升。不同淬火溫度和回火溫度下,沖擊功變化幅度較小。
金相組織結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6,表明輪緣淬火溫度由880℃降至840 ℃后,晶粒尺寸發(fā)生了較明顯的細(xì)化,同時(shí)840℃淬火也可以保證獲得完全的貝氏體組織。
圖5 輪緣840淬火組織(500×)
圖6 輪緣880淬火高倍組織(500×)
通過(guò)上述分析,為提高屈服強(qiáng)度和進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸,主要的改進(jìn)措施為:1)降低奧氏體化溫度至830~850 ℃;2)降低回火溫度至540~550 ℃,可以提高屈服強(qiáng)度;3)增加水冷時(shí)間至20 min,以提高淬火冷卻速度。
卡號(hào)2040024輪緣按上述措施完成第2次返修。從檢測(cè)結(jié)果看,強(qiáng)度得到提高,晶粒度也滿足要求。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表10。
表10 卡號(hào)2040024輪緣第二次返修后性能結(jié)果
為驗(yàn)證輪緣鍛件沿周向和沿壁厚強(qiáng)度分布的均勻性,在鍛件共檢性能合格后,在余料上沿周向?qū)ΨQ180°各取2組拉力,內(nèi)層靠近中心位置對(duì)稱180°各取5組拉力和1組沖擊。屈服強(qiáng)度及其他性能指標(biāo)全部合格。證明現(xiàn)有措施有效得當(dāng)。
通過(guò)對(duì)輪緣鍛件屈服強(qiáng)度及晶粒度不合格問(wèn)題的分析研究,找到了原因,采取了改善措施,制造過(guò)程工藝得到固化,對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品起到了很好的借鑒作用。