无碳化物贝氏体钢重型钎杆的生产与应用

叶凌云，高鹏举，程巨强，刘志学

（1、湖北嘉裕管业股份有限公司，湖北嘉鱼437200；2、西安工业大学材料与化工学院，陕西西安710032）

1 前言

目前国内外重型钎杆广泛应用的材料主要为Cr-Ni-Mo合金钢[1]，如S64（23CrNi3Mo），SKC31（12～25Cr2Ni3Mo）、EN36（18CrNi3）、4320（20 CrNi2Mo）、SAE8620（20 CrNiMnMo）等。高镍型的钎具用钢是国外钎具公司渗碳重型钎杆的主要用钢之一，主要应用于渗碳钎杆、连接套筒等方面，由于该类钢合金元素含有较高的镍和钼等元素，具有良好的强韧性与工艺性能，但材料价格昂贵。国内根据国外钎钢用钢的特点，结合我国国情也相继研制了Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V、Cr-Ni-W系的钎钢钢种，如22SiMnNi2CrMo、18～23CrNi3Mo、18 CrNi3MoV等和经济型的Si-Mn-Mo系和Si-Mn-Mo-V系等新钢种[2]，其中的55SiMnMo主要应用于H22、H25小型钎杆。对于渗碳重型钎杆，目前国内外应用较多的主要钢种为Cr-Ni-Mo系和Cr-Ni-Mo-V系等，由于该类钢中含有较高的镍，导致产品价格偏高，限制了重型钎钢材料的发展。因此，如何降低重型钎杆的成本和研制一种经济型的高品质钎杆用渗碳钢，具有重要的经济意义。

2 无碳化物贝氏体钢重型钎杆的生产

2.1 无碳化物贝氏体钎杆材料及制备和组织及力学性能

无碳化物贝氏体钎杆材料采用Cr-Mn-Si-Mo系合金钢，主要的合金元素为锰、硅和少量铬钼及微合金化元素等。钢的冶炼采用电炉冶炼+LF+VD精炼，模铸或连铸，热轧成φ65～70mm的棒料。表1根据相关标准要求测定的规格为φ65 mm无碳化物贝氏体钎钢材料的力学性能。可以看出，920℃空冷、200℃低温回火状态无碳化物贝氏体钢在较高强度的同时，具有较高的冲击韧度值，920℃水冷、200℃低温回火，无碳化物贝氏体钢达到超高强度水平，同时具有良好的冲击韧度值。正火热处理的力学性能和淬火热处理力学性能相比，强度差别值较小，说明无碳化物贝氏体钢具有良好的淬透性，无论正火或淬火处理具有良好的强韧性配合。利用无碳化物贝氏体钢良好的空冷淬硬性和淬透性，生产钎杆时，热处理时可以用空冷（或风冷）替代淬火热处理，以减少产品热处理变形等缺陷，热处理工艺简单，适用于实际钎杆的生产。

表1 无碳化物贝氏体钎钢材料的力学性能

图1是无碳化物贝氏体钎钢材料920℃奥氏体化加热空冷和淬火（水冷）200℃回火的显微组织。从金相和电子显微组织并结合X衍射物相分析，可以看出，无碳化物贝氏体钢正火低温回火组织为板条状（图1a），组织由贝氏体铁素体和奥氏体组成，无碳化物相存在，奥氏体分布在贝氏体铁素体板条之间（图1b）。淬火低温回火无碳化物贝氏体钢的组织也呈板条状（图1c），组织由马氏体和奥氏体及其少量的贝氏体组成，淬火后的组织中存在残余奥氏体相，残余奥氏体分布在马氏体板条之间（图1d）。研究表明[3]，残余奥氏体是韧性相，组织中存在一定量的残余奥氏体，可以阻碍裂纹的扩展，使裂纹扩展过程分叉或裂纹尖端由于奥氏体的变形出现钝化，提高材料抵抗裂纹的扩展能力，提高材料的韧性。

2.2 无碳化物贝氏体中空钢及其重型钎杆的制造

高温回火状态的无碳化物贝氏体钢棒料，利用热穿-热轧法生产中空钢。无碳化物贝氏体中空钢的制造工艺为：棒料→下料→钻中心孔→感应加热→热轧穿孔→热轧减径及其定径→冷床冷却→高温回火→螺纹加工→渗碳及其热处理→成品钎杆。图2为热穿-减径法生产的无碳化物贝氏体圆形截面和多边形截面中空钢的宏观形貌，可以看出，中空钢外表面质量良好。因此，无碳化物贝氏体钎钢具有良好的热加工性能。

图1 920℃不同热处理200℃回火组织

图2 热穿-热轧法生产的无碳化物贝氏体中空钢

2.3 无碳化物贝氏体钢重型钎杆的渗碳及其热处理工艺

2.3.1 渗碳及其热处理工艺

确定无碳化物贝氏体重型钎杆的渗碳及其热处理工艺如图3所示。

图3 无碳化物贝氏体钢重型钎杆渗碳及其热处理工艺

2.3.2 渗碳处理后性能及其组织观察

表2是渗碳热处理后无碳化物贝氏体钢重型钎杆实体检验结果。从表2可以看出，渗碳缓冷880℃空冷+200℃低温回火，无碳化物贝氏体钢重型钎杆表面硬度HRC为58～59，渗层碳化物和马氏体和奥氏体级别等满足渗碳钎杆技术要求。

表2 无碳化物贝氏体钢重型钎杆的渗碳检验结果

图4是920℃渗碳低温回火无碳化物贝氏体钢重型钎杆渗层截面硬度分布。从图可以看出，内外渗碳层表面硬度较高，HV为687（HRC59）内表面HV648（HRC57），心部硬度较低，HV388（HRC41），表现出良好的空冷淬硬性。

图5是无碳化合物贝氏体钢重型钎杆实体杆渗碳层组织。图5a为渗碳杆体截面图，从宏观照片可以看出，内外表面渗碳层分布均匀。图5b为渗层组织，从图片可以看出，渗碳层组织细小，组织为高碳马氏体和奥氏体组织，基体组织（图5c）经过长时间渗碳，组织细小无过分长大，按照相关标准测定晶粒度等级为7～8级，基体的TEM（图5d）显微组织为贝氏体铁素体和残余奥氏体组织，即无碳化物贝氏体组织，残余奥氏体分布在板条贝氏体铁素体之上或板条之间。

图4 920℃渗碳低温回火无碳化物贝氏体钢重型钎杆截面渗层硬度分布

图5 无碳化物贝氏体钢渗碳层钎杆组织

通过上述工艺生产的无碳化物贝氏体钢重型钎钢50余吨，生产的T38、T45、T51和B35等各种型号和不同规格的重型钎杆，在2008年～2009年分别在国内和国外用户现场使用，用户反映良好，用无碳化物贝氏体钢制造的重型钎杆具有良好的应用前景。

3 结论

（1）无碳化物贝氏体钎钢正火低温回火的力学性能为σb≥1300MPa，δ5≥13%，ψ≥56%，AKU≥120J，淬火低温回火的力学性能为σb≥1500MPa，δ5≥10%，ψ≥53%，AKU≥100J，力学性能达到Cr-Ni型渗碳钢力学性能指标的要求。

（2）正火低温回火无碳化物贝氏体钢的组织由贝氏体铁素体和奥氏体组成，淬火低温回火钢的组织由马氏体、残余奥氏体和无碳化物贝氏体组织组成。无碳化物贝氏体钢钎杆具有良好的渗碳性能，渗碳后空（风）冷，表层硬度HRC≥57，具有良好的空冷淬硬性和淬透性。

（3）用无碳化物贝氏体钢生产的重型钎杆，实际应用使用效果良好，具有良好的应用前景。

[1]胡铭，董鑫业.我国钎钢钎具工业生产现状及发展趋势[J].特殊钢，2000，（2）.

[2]徐曙光.我国钎钢钎具的发展与进步[J].特殊钢，1990，11（5）：1～7.

[3]程巨强，刘志学，王元辉.新型贝氏体钢的组织和冲击疲劳性能研究[J].材料工程，2006，12：8～10.