锻造对30CrNi2MoV钢在亚温淬火下组织与性能的影响

2019-03-15张晓宇许晓静杜东辉刘志刚蔡成彬

材料科学与工艺 2019年1期

张晓宇，许晓静，杜东辉，刘志刚，童浩，蔡成彬

(江苏大学先进制造与现代装备技术工程研究院，江苏镇江 212013)

CrNiMoV系高淬透性高强钢大型锻件广泛应用于核电、火电、冶金、石化、军工等领域，是大型成套设备的关键零部件，其制造技术水平直接影响到大型成套装备的运行寿命和运行可靠性，现有的制造技术水平远不能满足我国大型装备发展的长寿命、高可靠迫切需求[1-2].大型锻件必须由大型铸锭锻造而成，大型铸锭在制造过程中必然存在枝晶组织等组织、成分的不均匀性.

30CrNi2MoV钢是一种中碳合金钢，具有高的淬透性和良好的综合力学性能，常用于制造高强韧性的大型锻件[3-5].尽管该钢种有先天优势，但同时具有强烈的组织遗传性，在加热过程中产生的粗大奥氏体晶粒难于细化，使材料的塑性和韧性同时降低[6-8].与铸件相比，金属经锻造加工后能改善其组织结构和力学性能.铸造组织经锻造方法热加工变形后,由于金属的变形和再结晶，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能[9].有关研究表明[10-13]，在常规淬火工艺后继续增加亚温奥氏体化处理，锻件的抗拉强度和冲击韧性明显提高[14].锻件的组织性能与锻造工艺有很大的关系.相对于单次锻造，多次锻造可通过多次锻前加热发生的再结晶、奥氏体相变等改善材料组织.锻造次数不能太少但也并非越大越好，前者会导致枝晶组织得不到消除，后者会导致组织、性能方向性明显，但会相应增加成本问题.至今为止，尚未有一种短流程方法，仅通过锻造和后续最终处理制造即可获得低温冲击韧性高、室温强度高的30CrNi2MoV 钢锻件，这在一定程度上限制了30CrNi2MoV钢件的质量提升和制造成本下降.

本文采用金相显微镜、扫描电子显微镜观察和力学试验等方法，研究了增加后续亚温奥氏体化处理条件下不同锻造态工艺对30CrNi2MoV钢的组织与力学性能的影响.

1 试验

试验采用锻造后的30CrNi2MoV钢，其化学成分见表1.经测定，锻造后的材料晶粒度为2级.试验采用的试件尺寸为10 mm×10 mm×20 mm.

热处理制度如下：1)奥氏体化温度工艺，将毛坯试样加热到860 ℃奥氏体化，保温6 h后再将温度降至780 ℃，再保温2 h,油冷淬火至室温；2)回火工艺，奥氏体化温度为600 ℃，保温16 h，然后油冷至室温.

对试样分成3组进行不同的锻造工艺加工.A 组为2次镦拔锻造工艺，B组为2次镦拔+1次镦粗锻造，C组为2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造(即3次镦拔工艺).然后，将锻造后的各组试样进行热处理；最后，将热处理后的试样进行精加工.将冲击试样加工成l0 mm ×l0 mm ×55 mm的夏比V型缺口冲击试样，拉伸试样加工尺寸为标准试样.拉伸试验在WE-300 型试验机上按GB/T 228.1—2002[11]进行，冲击试验在JBn-300B 冲击试验机上按GB/T 229—l994[12]进行，每个状态3个试样取平均值.试样经苦味酸和硝酸酒精混合溶液腐蚀后，在金相显微镜下观测微观组织，在日立 S-4300型冷场发射扫描电子显微镜(SEM)下观察断口形貌.

表1 30CrNi2MoV钢的成分(质量分数/%)

2 结果与分析

2.1 显微组织

金属在高温塑性变形过程中发生动态回复和动态再结晶[13]，动态再结晶过程有助于晶粒细化，会在一定程度上改善坯料力学性能[10].图1(a)、(b)、(c)为热处理前后的2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造工艺下的晶粒分布.由图1可以看出，图1(b)、(c)中的晶粒尺寸明显比图1(a)要小，而且经过2次镦拔+1次镦粗锻造后晶粒更加均匀化，说明锻造工艺有利于细化和均匀化晶粒，晶粒尺寸越细小，均匀性程度越高.

2.2 拉伸性能及断口特征

材料的拉伸性能一般与材料内部缺陷如细孔、疏松、裂纹等有关，这些缺陷严重影响着材料的机械性能[15].本文将分别经过3种锻造工艺的试样，依次在室温下进行拉伸实验.通过3种不同锻造工艺：2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造工艺获得的试样，经过拉伸冲击后的断口形貌如图2所示.

从图2可以看出，图2(a)有明显裂痕缺陷，图2(b)和2(c)中断口处的细小韧窝较多且均匀，几乎没有明显的缺陷，因此，经过锻造工艺后，可以有效减少锻件内部的疏松、裂纹等缺陷，从而提高锻件的力学性能.具体数值列于表2.

从表2可以看出，与经过2次锻造的30CrNi2MoV 钢相比，经过后2种锻造工艺处理后的锻件，其抗拉强度和延伸率分别有所提高.但是相对于镦粗+拔长锻造工艺来说，2次镦拔+1次镦粗锻造工艺的效果更加明显，抗拉强度和延伸率分别提升了约120 MPa和2.2%.

图1 不同锻造态下30CrNi2MoV钢的晶粒分布

Fig.1 Grain distribution of 30CrNi2MoV steel under different forging states: (a) two times pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one drawing + one upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one upsetting + one stretching process

图2 30CrNi2MoV钢的拉伸断口形貌

Fig.2 Tensile fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one drawing + one upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one upsetting + one stretching process

表2不同锻造态的30CrNi2MoV钢的拉伸强度和延伸率

Table 2 Tensile strength and elongation of 30CrNi2MoV steel under different forging states

锻造工艺抗拉强度/MPa延伸率/%A1 043.635.65B1 161.637.80C1 157.436.13

2.3 低温冲击性能及硬度

将分别经过3种锻造工艺：2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长的试样分成3组，每组3个试样，依次在-40 ℃下进行冲击试验，在显微硬度仪上测量其硬度.经冲击试验后断口形貌如图3所示，冲击韧性和硬度大小列于表3.

从图3看出，图3(a)、(b)中的组织更加均匀，表面细小韧窝较多，几乎无枝晶，从而提高锻件的力学性能.从表3可以看出，与未经过锻造工艺处理的锻件相比，经过锻造处理的锻件，其硬度得到了一定程度的提高,从而提高了锻件的耐磨性.与此同时,其冲击韧性大幅提高，大约是原来的两倍多.

图3 30CrNi2MoV钢的冲击断口形貌

Fig.3 Impact fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times pressing and one drawing + one upsetting process; (b) two times pressing and one drawing + one upsetting + one stretching process

这说明锻造工艺对钢件的冲击韧性有一定影响，其中2次镦拔+1次镦粗后锻件内部的一些孔洞、疏松等缺陷消失，致使晶粒尺寸变小得到细化，极大提高了锻件的力学性能，对其冲击韧性的影响最大.但是，经过2次镦拔+1次镦粗+1次拔长工艺后，冲击韧性略有下降，这可能由于再次拔长使得锻件内部的枝晶等缺陷有回复的趋势.

表3不同锻造态30CrNi2MoV钢的冲击韧性和硬度

Table 3 Impact toughness and hardness of 30CrNi2MoV steel under different forging states