C460 钢的化学成分与热处理工艺优化

2022-03-29杨爱宁

中国铸造装备与技术 2022年2期

杨爱宁

（共享装备股份有限公司，宁夏银川 750021）

0 前言

C460 钢是一种耐低温冲击的低合金钢，主要用于液化石油气及液化天然气等贮存运输容器、低温环境下运行的桥梁卷筒机设备配套设备以及海洋石油工程结构等领域。目前，世界石油和天然气勘探开发投资呈现开始增长趋势，钻井区域不再局限于常规陆地和海洋，而是加大了高寒地区的油气开发力度[1]，这些地区要求钻井在-40℃能正常工作，而普通材料均不能满足要求，因此在-40℃低温条件下使用的高强度、高韧性、高塑形的铸钢材料面临新的挑战。同时，海洋工程装备产业是开发利用海洋资源的物质和技术基础，也是我国当前加快培育和发展的战略性新兴产业[2],具有高技术、高投入、高产出、高附加值、高风险的特点，是先进制造、信息、新材料等高新技术的综合体，产业辐射能力强，对国民经济带动作用将非常显著。因此，该类低温用高强度铸钢的化学成分及热处理工艺研究，对海洋装备材料具有重要意义。

1 化学成分及热处理工艺设计

C460 钢使用状态为调质，要求在碳当量Ceq＜0.55、焊接敏感性Pcm≤0.28 的条件下，具有较高的强度和良好的低温冲击性能。其力学性能要求见表1，化学成分要求见表2。

表1 力学性能要求表

表2 化学成分要求w/%

1.1 化学成分设计

在C460 钢成分范围内，为保证材料的综合力学性能要求，化学成分设计时，结合实际生产经验，通过分析合金元素的作用，然后对各化学元素进行综合调整。其中，C 元素能提高钢的硬度和强度，但降低其塑性和韧性；Cr 元素可增加钢的淬透性和二次硬化作用；Mo 元素对低合金钢有很大的强化作用，不但可提高强度和硬度，降低钢的临界冷却速度，而且可以提高淬透性；Ni 元素提高强度的同时，可改善钢的塑性和韧性，特别是低温韧性[3]。结合性能特性及各元素的作用，设计了表3 所示三种化学成分。

表3 实际化学成分控制范围 w/%

1.2 热处理工艺设计

为达到力学性能要求，通过对不同化学成分的材料热处理组织转变的理论分析，分别测算出该材料的AC3、AC1相变点温度，为达到组织均匀化及相变转变完全，铸件淬火的保温温度确定为AC3＋（50～100）℃、AC1－（50～150）℃：然后依据以下三条原则制定热处理工艺。

（1）AC3以上温度对铸件进行退火，均匀成分，为淬火做好组织上的准备。

（2）对铸件进行两相区的淬火，使未溶进奥氏体中的铁素体分割奥氏体，铁素体弥散分布，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，提高铸件的低温韧性。

（3）对铸件进行淬火，组织均匀化后通过淬火细化晶粒，提高铸件的低温韧性。

（4）采用高温回火，得到回火索氏体，以达到材料要求的综合力学性能。

根据以上原则设计出3 种热处理工艺制度：退火（A）+亚温淬火（Q1）+回火（T），淬火（Q）+高温回火（T）及正火（N）+回火（T），分别对不同化学成分试样进行力学性能检测，热处理工艺方案见表4。

表4 热处理工艺方案

2 试验过程

2.1 冶炼过程

根据C460 材料的成分要求，结合材料在低温冲击方面的性能要求，对低温冲击性能有重要影响作用的残余元素如S、P 含量控制及辅材的加入如表5 所示。

表5 C460 材料冶炼过程

C460 材料采取电弧炉EAF 熔炼—钢包精炼炉LF 熔炼—真空脱气VD 的冶炼工艺，具体流程如图1 所示。

图1 C460 冶炼工艺流程

2.2 热处理过程及力学性能检测

按照表4 确定的热处理工艺试验方案，每组三个试样，根据ASTMA370 取样标准的要求，按照图2 要求对试块加工进行取样，分别检测表6 中力学性能的要求。

图2 取样标准

3 试验结果及分析

根据既定的热处理工艺制度处理后力学性能检测结果见表6。

表6 力学性能检测结果

3.1 金相检测结果

图4 QT 热处理工艺制度下金相组织

不同的热处理工艺制度对应的金相组织如图3～5 所示，经AQ1T 热处理制度和QT 热处理制度处理后的材料组织为均为贝氏体，经NT 热处理制度处理后的组织为贝氏体+铁素体。

图3 QLT 热处理工艺制度下金相组织

3.2 热处理工艺对性能的影响

（1）通过对表6 中不同的热处理工艺类型所得的检测数据比对可以看出，同种材料采用三种不同热处理工艺时，经过NT 处理的材料强度和冲击性能均最低，采用AQ1T 处理后材料的强度和冲击综合指标最高。导致这种结果的主要原因是材料直接进行高温退火后其成分和组织均得到均匀化，在这种条件下，又进行亚温淬火，晶粒细化，晶界增多，从而材料的强度和韧性提高。而经过NT 处理的材料，由于冷却速度慢，晶粒尺寸相对较大，存在混晶，且组织内部片层间距较大，从而导致了强度和冲击韧性较低。