替打环用30Cr2Ni2Mo钢中低温回火性能研究

2023-12-25张博林乙丑张沛石如星郭显胜师洪强武川

金属加工(热加工) 2023年12期

张博，林乙丑，张沛，石如星，郭显胜，师洪强，武川

1.洛阳中重铸锻有限责任公司河南洛阳 471039

2.中信重工机械股份有限公司河南洛阳 471039

1 序言

随着我国“双碳”目标的提出，海上风电产业作为清洁能源的新方向，得到了高速发展[1]。风电设备经常需要面对极端低温、暴雨、台风等恶劣天气，工作环境苛刻，这就对海工液压打桩锤的要求越来越高[2]。而替打环作为液压打桩锤的核心部件，必须要有优异的力学性能以满足工作环境的需求[3]。

30Cr2Ni2Mo钢具有较高的强度、韧性和淬透性，是生产替打环锻件的良好材料。为了满足替打环海上特殊复杂的服役环境，需要更深入地了解材料特性，从而有针对性地制定热加工工艺。张龙等[4]对30Cr2Ni2Mo钢进行了热压缩试验，研究该材料的流变应力行为，为30Cr2Ni2Mo钢热加工数值仿真提供了前提。姜春雷[5]采用水-空交替冷却的方法对30Cr2Ni2Mo钢大型锻件淬火工艺进行了优化。杜东旭等[6]基于数值仿真技术，改进了30Cr2Ni2Mo钢特厚锻件淬火工艺。鞠新华等[7]对断裂的30Cr2Ni2Mo钢进行了研究分析，发现主要是回火脆性及环境腐蚀的综合作用引起的。本文通过对30Cr2Ni2Mo钢替打环进行不同低温回火处理，分析研究回火温度对30Cr2Ni2Mo钢显微组织及力学性能的影响规律，为替打环的热处理工艺提供技术指导。

2 试验材料与方法

试验材料采用淬火态30Cr2Ni2Mo钢，Ac1为740℃，Ac3为810℃，淬火温度870℃，化学成分见表1。淬火态30C r2N i2M o钢显微组织如图1所示，组织内分布着大量的板条及针状淬火马氏体。以往生产的30Cr2Ni2Mo钢替打环870℃水冷淬火后，再进行420℃回火，易出现性能不均匀现象。因此，进行30Cr2Ni2Mo钢220～450℃回火试验。制备18个180mm×25mm×25mm拉伸试块、18个60mm×25mm×25mm冲击试块，如图2所示。

图1 淬火态30Cr2Ni2Mo钢显微组织

图2 30Cr2Ni2Mo钢拉伸与冲击试块

表1 30Cr2Ni2Mo钢化学成分（质量分数）（%）

首先，将1个拉伸试块与1件冲击试块分为1组，共18组；然后，对18组试块分别进行在不同温度下保温时间2h的回火处理，在回火温度220～450℃内，每10℃为回火温度间隔；完成回火试验后，选取冲击余料在台式硬度计检测试样硬度，取平均值；接下来，将每个拉伸试块加工成室温拉伸标准试样（见图3），每个冲击试块加工成4个V型室温冲击试样（见图4）；最后，采用WDW-B10电子万能拉伸试验机，以10mm/min的拉伸速率进行拉伸试验，采用JB-30B冲击试验机，以5m/s的冲击速率进行冲击试验，并观察冲击试样显微组织。

图3 30Cr2Ni2Mo钢拉伸试样

图4 30Cr2Ni2Mo钢冲击试样

3 试验结果与分析

3.1 回火温度对30Cr2Ni2Mo钢显微组织的影响

图5所示为替打环用30Cr2Ni2Mo钢经不同温度回火后的金相组织。由图5可看出，30Cr2Ni2Mo钢在220℃回火时得到了回火马氏体，且马氏体析出了极细小的碳化物，黑色针状形态清晰可见；当回火温度为250℃时，组织内部没有明显变化，仍分布着大量的针状回火马氏体；当回火温度升高到350℃时，30Cr2Ni2Mo钢微观组织为回火屈氏体，马氏体针仍然可见；继续提高回火温度至450℃时，回火屈氏体中更多的碳化物得到析出，马氏体针状形态基本消失。

图5 不同回火温度条件下30Cr2Ni2Mo钢显微组织

3.2 回火温度对30Cr2Ni2Mo钢力学性能的影响

图6所示为以温度为横坐标、各力学性能指标为纵坐标进行数据拟合得到的对比曲线，分析回火温度对其的影响趋势。

图6 不同回火温度下30Cr2Ni2Mo钢力学性能对比曲线

由图6a可知，当30C r2N i2M o钢回火温度由220℃升高到450℃时，30Cr2Ni2Mo钢屈服强度从1359MPa降至1299MPa，其中回火温度为390℃时，屈服强度最低，为1249MPa，回火温度为220℃时，屈服强度最高，为1359MPa。

由图6b可知，在220～450℃回火温度区间内，30Cr2Ni2Mo钢抗拉强度从1673MPa降至1492MPa，屈强比从0.81升至0.87，其中回火温度为390℃时，抗拉强度最低，为1391MPa，回火温度为230℃时，抗拉强度最高，为1687MPa。

由图6c可知，30Cr2Ni2Mo钢在220～450℃区间内回火，伸长率整体变化趋势不大，在250℃、450℃回火时，伸长率均为8%，为最小值，当回火温度260℃时，伸长率最大，为12%。

由图6d可知，30Cr2Ni2Mo钢在220～450℃区间内回火，其断面收缩率对温度的敏感性不高，断面收缩率最小为44%，出现在300℃；当回火温度为240℃、390℃、430℃时，断面收缩率可达到51%。

由图6e可知，30Cr2Ni2Mo钢在220℃回火时，硬度最大，为51.3HRC，在450℃回火时，硬度最低，为45.9HRC。

由图6f可知，30Cr2Ni2Mo钢在220～450℃区间回火时，冲击吸收能量变化趋势近乎呈一条水平线，冲击吸收能量最大值出现在250℃，为31.70J，最小值出现在310℃，为25.03J。

当回火温度高于350℃时，30Cr2Ni2Mo钢屈服强度、抗拉强度、伸长率及断面收缩率的上下波动程度较大。这是由于当30Cr2Ni2Mo钢回火温度≥350℃时，显微组织中出现回火屈氏体（见图5c、d），极细的粒状渗碳体大量析出。新出现的回火屈氏体对材料强度的提高起到促进作用，而回火温度增加到350℃以上时，位错间相互作用力降低，使得位错合并消失，从而降低位错密度，导致力学性能下降[8]。因此，回火屈氏体的出现与位错数量的减少，二者产生的碳化物析出强化增强以及位错强化减弱的综合影响，导致30Cr2Ni2Mo钢在≥350℃回火时力学性能产生较大的波动变化。

替打环的力学性能指标见表2。

表2 替打环力学性能指标

综上所述，当回火温度为240～260℃时，其力学性能波动较小，且抗拉强度达1661～1674MPa、屈服强度达1318～1347MPa、伸长率为8%～12%，断面收缩率为49%～51%、硬度为49.6～51.1HRC，对比表2，可见均满足替打环的技术指标要求。因此，选择250℃回火，可保证生产的替打环产品满足其设计的性能要求。