20Mn水电锻件低温冲击功波动研究

王月乔 李 其 沈贤莉

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

低温冲击韧性是材料在低温下使用的重要力学性能指标，主要表征材料在低温情况下抵抗冲击载荷的能力，关系到设备的使用安全[1]。低温冲击值与材料的化学成分、微观组织、非金属夹杂物等诸多因素相关，在低温冲击试验中，容易出现冲击值的波动甚至不合格现象，从而导致产品报废，给生产企业造成重大经济损失[2-4]。20Mn属于优质碳素结构钢，一般采用正回火处理，某20Mn水电锻件性能热处理后在0℃进行低温冲击试验，其冲击功出现大幅波动现象，其中最低为20 J，最高有120 J。为明确冲击功异常波动的原因，提供解决冲击功波动的工艺方法，根据其化学成分、金相组织等试验分析结果，开展系列工艺试验，研究改善和消除20Mn冲击功波动的方法。

1 冲击功波动原因分析

为明确冲击功波动原因，首先对锻件试料的化学成分进行了分析，分析结果见表1，满足技术要求。分别对低冲击功试样和高冲击功试样进行金相组织对比分析(见图1)，两种冲击值试样的组织均为铁素体+珠光体+贝氏体+少量魏氏组织，且两种试样都存在一定程度的偏析。在低冲击功试样中，偏析区的铁素体网尺寸较大，按照铁素体网进行晶粒度评级为2.0～3.0级；在高冲击功试样中，偏析区中铁素体网的尺寸较小，按照铁素体网尺寸进行晶粒度评级约为5.0级。因此，从金相组织初步判定，引起20Mn水电锻件冲击功波动的内因是偏析区中铁素体网尺寸不一致，低冲击功试样偏析区中的铁素体网尺寸大，高冲击功试样偏析区中铁素体网尺寸小。

2 试验方案

采用EDS对偏析区和非偏析区进行了化学成分分析，分析结果见表2。从表2看到，偏析区中主要是C、Si、Mn和Cr的偏析，C和Mn属于奥氏体稳定性元素，Si固溶在铁素体中降低材料塑性和韧性，促使铁素体晶粒粗化，Cr与C形成碳化物，降低C的扩散速度，延缓组织的平衡转变时间，因此在20Mn偏析区中的组织为先共析铁素体和贝氏体组织为主，只有极少量的珠光体。根据上述分析结果，拟通过对20Mn锻件材料进行等温退火预处理+正回火试验和降低正火的奥氏体化温度两种工艺试验，探讨实现偏析区中铁素体网的细化和平衡组织的转变、提高组织均匀性与冲击韧性的可行性。

表1 锻件试料区化学成分测试结果(质量分数，%)Table 1 Test result of chemical composition of forgings in test coupon zone (Mass, %)

(a)低冲击功试样

(b)高冲击功试样图1 低冲击功试样与高冲击功试样金相组织对比Figure 1 Contrast of metallographic structure between the low impact power specimen and the high impact power specimen

采样位置CSiMnCr非偏析区偏析区5.289.25-0.481.141.410.210.31

3 结果与讨论

3.1 等温退火预处理+正回火试验

将低冲击功试样和高冲击功试样以及在锻件冲击试样试料区切取30 mm×30 mm×280 mm的试块一起加热至910℃，保温4 h，炉冷至650℃，等温8 h处理后，2个冲击试样的金相组织见图2。从图2可以发现，无论低冲击功试样还是高冲击功试样，试样组织均为铁素体+珠光体组织，铁素体晶粒度都得到很大程度的细化，达到7.0级以上。但是，两种冲击功试样的珠光体组织分布和尺寸还存在一定程度的不均匀性，表明试验材料微观成分仍然存在一定的波动。主要原因是预处理的奥氏体温度较低，碳化物扩散效果不明显。

(a)19 J低冲击功试样

(b)118 J高冲击功试样图2 两种试样经过等温8 h处理后的金相组织Figure 2 Metallographic structure of two specimens after 8 hours isothermal treatment

将经过预处理的试块加热至910℃，按照锻件正火时试料区的数值模拟冷却速度进行冷却，冷却速度见图3，冷却后在615±10℃进行回火处理，处理后进行常温拉伸和0℃冲击试验，试验结果见表3。从实验结果上看，经过等温预备热处理+正回火处理后，0℃的冲击试验结果虽然满足技术要求，但是仍然存在一定程度的波动，通过对66 J冲击试样的组织分析发现，组织中依然存在偏析区，偏析区中的铁素网尺寸仍然较大。这是由于20Mn钢中没有合金元素，无法钉扎晶界，阻止晶粒在高温时的长大，偏析区中由于C、Mn等元素的偏析，正火过程中无法像正常区一样转变成为铁素体和珠光体进行组织细化，而是沿原奥氏体晶界析出先共析铁素体后，直接转变成贝氏体，从而引起冲击韧性的波动。等温预备热处理+正回火后低冲击功试样的金相组织见图4。

图3 锻件试料区冷却速度数值模拟结果Figure 3 Numerical simulation result of cooling rate of forgings at test coupon zone

编号Rp0.2MPaRmMPaA%Z%0℃KV2J技术要求12≥265355352≥515537533≥212931≥357475≥3075、110、156117、105、66

3.2 调整正火温度试验

试验结果表明，正火温度偏高导致偏析区中的晶粒过度长大，因此为减少偏析区中的晶粒长大倾向，决定降低奥氏体化温度进行试验，奥氏体化温度降低为840℃、860℃和880℃，仍然采用与上述相同规格的试块和冷却速度进行试验，试验后的力学性能测试结果见表4。从表4看到，奥氏体化温度降低后，试样0℃的冲击值波动明显减小，但840℃和860℃的强度略低于技术要求，880℃的力学性能满足技术要求。不同奥氏体化处理后试样的金相组织见图5。从图5看到，840℃、860℃和880℃正火处理的试样，组织均为铁素体+珠光体，组织均匀，铁素体晶粒尺寸细小。而900℃奥氏体化的试样，组织为铁素体+珠光体+贝氏体+少量魏氏组织。组织中贝氏体区域的铁素体网尺寸较大，组织均匀性较差。

表4 降低正火温度的力学性能测试结果Table 4 Mechanical property test result after reducing normalizing temperature

(a)840℃(b)860℃(c)880℃(d)900℃

图5 不同正火温度处理后的金相组织(100×)
Figure 5 Metallographic structure after treatment by different normalizing temperature (100×)

降低正火温度后，20Mn的晶粒长大倾向减小，奥氏体稳定性降低，因此铁素体晶粒尺寸细，转变主要集中在高温阶段的平衡转变，因此降低正火温度后试块的强度降低，另一方面由于奥氏体稳定性的降低，在偏析区中发生了平衡转变，未观察到贝氏组织和贝氏体组织中的铁素体网，从而使得冲击韧性均匀性提高。

4 结论

(1)20Mn水电锻件冲击韧性波动的原因是由于微观成分不均匀，形成粗大的铁素体网造成的。

(2)适当降低正火温度是细化铁素体网的有效途径。

[1] 张浩，唐俊强，梁晓辉. 提高钻杆接头冲击功的工艺方法[J]. 热加工工艺，2006(10)：77-78.

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