PCrNi3MoVA钢回火脆性相关问题的讨论

王洪刚(东北特钢集团北满特钢质量处，黑龙江161041)



PCrNi3MoVA钢回火脆性相关问题的讨论

王洪刚
(东北特钢集团北满特钢质量处，黑龙江161041)

摘要:通过对炮钢身管材料的试验分析和对回火脆性相关问题的研究讨论，提出了影响回火脆性的原因及控制措施。针对钢中化学成分元素的影响作用机理从实践到理论进行了分析讨论。

关键词:PCrNi3MoVA钢;回火脆性;转变温度

1　对PCrNi3　MoVA钢的试验分析

试验证明炮钢身管材料经电渣重熔后，对钢的综合性能有很大提高，这对于提高此钢种的使用强度具有现实意义。为此，我们根据实际情况，选用PCrNi3MoVA钢结合厚壁火炮身管材料进行了回火脆性试验研究。

技术要求为Rp≥1 059 MPa( 105 kg/mm2) ; Z ≥20%;αk≥29 J/cm2( 3．0 kg·M/cm2) ;αk(－40℃)≥19 J/cm2( 2．0 kg·M/cm2)。结合130 mm身管进行一轮试验。身管壁厚为132．5 mm，共7支，解剖2支，检测结果见表1。

从表1两支解剖身管可以明显看出，其Rp、Z值均可达到1 029 MPa强度等级，而韧性指标ak值偏低，尤其是回火脆性更为严重。为此针对减轻该钢回火脆性倾向进行进一步探讨。

关于低合金钢的可逆性回火脆性现象早已引起人们的重视，并做了大量的研究工作。有些冶金工作者对回火脆性研究多采用阶梯冷却和等温脆性法，测定回火脆性钢的FATT。用SEM观察其断口断裂形态，并用AES观察晶界上析出杂质元素和合金元素浓度来研究钢的回火脆性。其研究结果表明，FATT温度越高，△FATT温度增量越大，钢的回火脆性断裂形态均呈沿晶断裂，其晶界上析出杂质元素。

引起回火脆性的主要因素是以杂质存在的P、Sb、Sn、As等作为合金元素使用的Si、Mn等脆化元素及增加脆化杂质脆化作用的元素Ni、Cr、C等向原始奥氏体晶界可逆偏析引起的。

在产生回火脆性的过程中，合金元素和脆化杂质元素向奥氏体晶界析出不是一个孤立行为，而是互相影响、相互制约的，是并存的行为。有的冶金工作者指出，奥氏体晶粒尺寸、显微组织也是控制钢的回火脆性的主要元素。

鉴于上述研究结果，如何使PCrNi3MoVA钢在Rp≥1029MPa( 105kg /mm2)情况下，其回火

表1　试样力学性能检测结果Table 1　Test results of mechanical properties of specimen

脆性倾向减少到最低程度，其各项性能指标均达到1 029 MPa强度等级，这是当前研究的主要课题。为了进一步提高该钢的韧性，减少其回火脆性倾向，认为在PCrNi3MoV钢化学成分规定范围内，必须对某些元素进行合理的调整，在冶炼过程中加以严格控制。就实际情况看，对杂质元素Sb、Sn、As从技术管理角度尚无良好的控制措施，但对P、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、C等诸元素还是完全可以进行合理的调整并加以严格控制的，并通过热处理实现细化钢的晶粒、获得满意的显微组织。为此对PCrNi3MoV钢提出以下几点看法。

2　化学成分调整

P: P是引起回火脆性最主要的杂质元素，而P在晶界脆化问题上有许多方面和其它杂质元素Sb、Sn、As的情况是不同的。在奥氏体化的过程中，就发生相当程度的晶界偏析，所以在正常回火时也发生沿晶断裂。P含量过高，不仅对渣钢质点偏析有很大的影响，同时使炸破韧性AB值也有明显降低。国内专家指出，调质结构钢P每增加0．01%，提高冷脆界23℃，增加回火脆性倾向△T50℃的沿界值40℃。国外厚壁炮钢对于P的含量也有严格要求，如美、法等国厚壁炮钢的P含量均控制在0．01%以下，尤其是高强度后壁火炮用钢更是如此。

Mn、Si: Mn、Si已经确定为脆化元素。在产生回火脆性的钢中发现Mn，Si也向奥氏体原始晶界偏析，并促进钢的脆化。两者对室温韧性影响不大，但低温韧性随Mn、Si含量的增高而脆性显著增大。降低Si含量，不仅降低回火脆性敏感性，而且也导致奥氏体晶粒的细化。所以Si、Mn在满足脱氧作用的情况下，应尽可能降低。故该钢Mn含量在0．25%～0．35%，Si含量在0．20% ～0．30%为宜。

Ni、Cr: Ni、Cr在钢中同时存在时对钢的回火脆性影响更为突出。

从图1可以看出，Ni、Cr同时存在引起的回火脆性要比这两个元素任何一个元素单独存在时严重得多。又可以看出Cr和P组合产生的脆性与Ni、Cr、P组合的情况相近。还可以看出Ni的转变温度增量反而比另两个钢种都小。这说明P引起回火脆性不需要Ni的存在，但P与Cr组合引起回火脆性时却有密切关系。所以应控制该钢Ni含量在3．3%～3．5%范围，Cr含量在1．2%～1．4%范围为宜。

图1　0．40%C，3．5%Ni，1．7%Cr，0．05%P钢回火脆性变化Figure 1　 Temper brittleness change of steel with 0．40%C，3．5%Ni，1．7%Cr，0．05%P

C:碳素钢虽然含有大量脆化杂质元素，但却不发生回火脆性，而含杂质元素的无碳Fe-Cr-Ni钢却产生严重的回火脆性倾向。所以C本身不是脆化元素，也不是引起回火脆性必要存在的元素，但是对回火脆性倾向较大的钢会起到促进作用。如果将引起回火脆性的必要元素Mn、Si、Cr控制在最低限，势必降低钢的淬透性。如何在减轻回火脆性的同时，还要确保钢的淬透性，研究认为C含量控制在0．36%～0．42%为宜。生产实践证明，电渣钢的脆裂倾向较小，故C含量提高到中上线是可行的。

Mo: Mo是防止产生回火脆性的合金元素，该钢的Mo含量提高到上限0．40%～0．45%为宜。

V:从细化钢的晶粒来减轻回火脆性角度认为，V含量控制在0．15%～0．25%是可行的。美国在以175 mm炮管用钢4330为基础的回火脆化研究中指出，V含量在0．29%时，钢的室温、低温韧性最佳，为0．13%时最差。

综上分析，将PCrNi3MoVA钢调整的化学成分列于表2中。

3　奥氏体晶粒度的影响

近几年的研究表明，在一定条件下奥氏体晶粒度对回火脆性倾向有一定影响。国外学者Capus对此进行了研究，对0．3% C、3．0% Ni、0．75% Cr钢的样本进行试验，其检测结果如表3。

可以看出，在不同状态下回火脆性敏感性低的纯净钢，随着奥氏体晶粒尺寸的增加，脆性转变温度稍有提高。而含有杂质元素P的钢在不纯净状态下，随着奥氏体尺寸增大，脆性转变温度急剧增加。这表明晶粒粗大将导致更严重的回火脆性，但这种影响只在回火脆性敏感性大的钢材中

表2　PCrNi3MoVA钢化学成分调整结果(质量分数，%)Table 2　The adjustment results of chemical composition of PCrNi3MoVA steel ( mass fraction，%)

表3　试样热处理检测结果Table 3　Test results of heat treatment of specimen

表现出来。为了减轻该钢的回火倾向，必须在调质过程中采用快速加热、高温正火、低温淬火，使其晶粒均匀细化。

4　组织的影响

试验证明显微组织对回火脆性敏感性有一定影响。当获得M或M + B时，回火脆性敏感性小，反之回火脆性敏感性增大。均匀的低温贝氏体组织特别是P含量高时，回火脆性增大。为此必须在上述成分调整的基础上，在淬火过程中降低水温，增加水冷时间，使身管室部位获得大量马氏体组织。这也是减轻回火脆性的主要措施。

5　结论

对高强度厚壁火炮身管材料研究表明，无论PCrNi3MoV还是PCrNi4MoV、PCrNi4WMoV都遇到了回火脆性这一技术问题，同时也对钢中P的含量高低引起了足够重视。国外许多文献指出P的危害性最大，但其它元素合理配合还没有引起足够重视。

作者认为，要减轻Ni-Cr-Mo-V系列钢的回火脆性，提高钢的低温韧性，不仅要降低钢中P含量，而且还要对一些影响钢的脆性的元素进行合理调整。只有这样才能生产出符合质量要求的产品。

编辑李韦萤

Discussion on Related Problems of Temper Brittlement of PCrNi3MoVA Steel

Wang Honggang

Abstract:The reasons of influencing temper brittlement and control measurements are put forward by analyzing the material of the gun steel tube body though test and research and discuss on the related problems of temper brittlement．The influence mechanism of the chemical elements in steel is analyzed and discussed from practice to theory．

Key words:PCrNi3MoVA steel; temper brittlement; transition temperature

收稿日期:2014—06—16

文献标志码:B

中图分类号:TG156．5