A514Q 海工锻件产品研究

文/闫士超，郭金玲·太原重工锻造分公司大型锻件研究所

材料ASTM A514Q 为海洋工程用钢，主要用于自升式海洋钻井平台齿条的制作。近年来随着我国海上平台快速发展，海工产品需求量持续增加，因其具有良好的抗海水腐蚀性，良好的冲击韧性和高强刚度，以及生产和技术的不断发展，这些海洋工程设备也逐渐向大型化、深水化方向发展、建造这些海洋工程装备所需要的强度等级、韧性等级及厚度、尺寸精度要求不断提高，同时涉及到船用产品，船级社需见证相关生产工序、检验等，我方保证锻件质量的同时，合理有效的安排生产工序，节省相关验船费用，提高产品优势都是项目所要达到的创新点。

主要研究攻关的内容

ASTM A514Q 属于适用于焊接的高屈服强度淬火加回火钢，引用标准中《ASTM A514 Grade Q》中只有相关150mm 板的相关要求，锻件生产工艺需进一步稳定，优化调质工艺；在验船见证过程中，产品生产流程控制无法保证准确性，在生产见证过程中周期长，保证如何能高效、有效的生产锻件是此次技术改进需要解决的问题。锻件力学性能要求较为严格，同时参照标准也来自于《ASTM A514 Grade Q》中相关钢板标准，针对锻件与钢板的差别，所以对热处理调质有着更严格的要求。

主要研究攻关方案

按《ASTM A514 Grade Q》及《材料与焊接规范》，同时依据CCS 要求原材料厂家也取得CCS 工厂认证资质，我方使用原材料为太钢所生产。材料成分分析检验均符合用户要求（表1、表2），同时符合我厂内控要求。调质处理力学性能，按JB/T 5000.8-2007 Ⅳ组验收见表3。

生产工艺确定

锻造工艺确定，由于焊评试板结构较为简单，所以在锻造工艺方面只需考虑CCS中对零件取样数量、取样位置及试样规格的要求。图1为我方生产锻造工艺卡。

表1 低倍检测结果

表2 高倍检测结果

表3 ASTM A514Q 基本指标

在部分锻件自检试样区，调质后待自检性能合格后，再同CCS共检，以确保产品一次通过共检，如产生不合格不仅是时间上的浪费，在验证锻件的费用上将形成更大的损失。同时严格控制每一步加工工序，做到标识及时移植，保证每一个零件具有可追溯性。CCS 中要求，产品需具有唯一标识，产品编码作为零件唯一可追溯依据。这也是产品在生产中最需注意的问题。零件调质前粗加工草图如图2所示。

研究攻关内容

通过此预备热处理，最主要的目的是改善内部组织、细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。A514Q 锻后热处理工艺如图3 所示。此次生产海工产品数量较大，共计108 件产品，同时按用户要求每件产品都需性能检验。我厂确定零件工艺模型示意图如图4 所示。

由于第一次生产此海工产品，在调质前根据以往经验及相关资料，查得A514Q 材料化学成分与之前所生产的Q690E 相近，按照公式及经验确定材料淬火温度、冷却介质，冷却时间按锻件截面计算所得，制定调质工艺如图5所示。

在调质工艺完成后，作为热处理检验方法采用硬度值通过系数转换，确定材料的抗拉强度范围，在硬度检验后，由于硬度值偏高，考虑补充二次回火降低硬度值，由于二次回火往往会产生组织遗传效应，所以将第二次回火温度提高到(700±10)℃。

以上工艺完成后在后期力学性能检验过程中，其检验试样屈服强度均偏低，同时，部分锻件的力学性能屈服强度都出现了不满足要求的情况(表4)，按照海工要求，按件取样锻件在力学性能不合格的情况下，需按2 倍数量重新取样，或者重新热处理（热处理次数不超过两次）。由于此批次锻件屈服强度低，所以重新调质此批次中性能检验中不合格锻件。

分析前批次调质工艺锻件在700℃回火，回火温度已经达到调质工艺的最高回火温度，通常调质工艺的回火温度为550 ～650℃，考虑到钢共析转变的温度为727℃，根据公式计算得出材料A514Q 的Ac1值在705℃左右。补充700℃回火在其共析转变线附近，部分组织可能已经发生了奥氏体相的转变，在回火完成后空冷状态下形成了珠光体组织，使强度降低。列举部分锻件力学性能见表4。

表4 部分锻件力学性能

根据以上原因分析，重新热处理时调整零件调质工艺，主要在调整零件回火温度方面考虑，要使其工艺完成后得到良好的回火索氏体组织，以具有较高的强度及良好的韧性。

由于产生以上情况，调质工艺继续按产品开发时工艺执行，即920℃水冷淬火完成后，660℃回火，对前期产生不合格锻件进行重新热处理取样，重新检验结果见表5。

从以上结果分析来看，材料屈服强度、抗拉强度均得到了良好提升，更使我们明确了问题产生的原因，摸清楚了材料的特性，第二次补充回火是前期失败的主要原因，该材质使用硬度值作为性能值的参考也会产生问题，综合来看还是由于我方缺少相关材质生产经验，对材料摸不透、拿不准才使得不合格品产生，造成了产品生产周期及相关经济损失。

根据前批次锻件生产数据的总结及生产相关工序的合理安排，此次订货焊评试板，在调质工艺制定时，考虑此次生产焊评试板有效截面较小，只有55mm，在淬火温度及冷却介质都没改变的情况下，降低回火温度，防止回火温度较高情况下材料强度产生大幅度的下降。依据船级社检验要求，见证取样过程，取样示意图如图6 所示。

表5 重新检验结果

表6 9 件产品力学性能值

完成情况及应用情况

此次工艺改进后所生产的海工锻件，经验船师见证检验，产品性能及探伤等技术要求均符合用户要求，同时取得CCS 锻件合格证书，全部产品及资料均已交付用户。9 件产品力学性能值见表6。

项目关键技术及创新点

在A514Q 材料淬火工艺的改进措施中，在有效调整回火温度下，其力学性能值较之前有了较好的改善，在此之前屈服及疲劳强度都接近要求值下限，同时部分锻件出现屈服强度不合格的情况，如前面介绍的在改变调质工艺回火温度下，性能值更加稳定。调质工艺的有效调整，即在前期经验数据的总结下，同时也是对材料进行化学成分有效性的分析。由于其回火硬度取决于回火温度和回火时间，三者之间存在一定的函数关系，参考同类近似化学成分材料的回火温度，利用经验数值在较小的温度区间做调整。在有效的工艺改进过程中，不仅有效降低了生产成本，同时生产流程也更加顺畅。

该技术优势、差距与不足，需要改进和完善内容；此次海工锻件A514Q 所用热锻及锻后热处理工艺在欧美国家趋于成熟，但在国内，由于其缺少相关锻件验收标准，对工艺参数的确定尚不稳定。

同时在原材料冶炼技术方面，国内在冶炼方面需取得相关船级社认证的厂家才可冶炼，在国内具有CCS 生产资格的厂家较多，CCS 将A514Q 归属在合金钢范畴中，取得CCS 工厂资质的企业就可以生产此类锻件，但针对国外船级社，如英国劳氏船级社（LR）对ASTM A514Q/A517Q 则需单独对此材料生产资质进行认证，所以我厂在此类锻件的生产资质上同样也落后于国外的企业，使得我厂海上浮动平台的制造成本变高。

结束语

ASTM A514Q 是我厂海上浮动平台起升机构主要零部件使用的材料，由于其产品及材料的特殊性，其生产制造检验过程需取得相关船级社生产资质，附加产值较高，我厂在完成A514Q 海工锻件期间，此批产品化学成分范围的确定和调质工艺的稳固，为后期此类产品的生产开发提供了有力的理论和实践基础。