No.1 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING January 2015 高强度厚壁钢的回火脆性研究 王洪刚 (东北特钢集团北满特钢质量处,黑龙江161041) 摘要:研究了4个高强度火炮身管用钢化学成分、晶粒度、组织对回火脆性的影响,结果表明:34CrNi3MoV. 34CrNi4MoV和34CrNi4WMoV这3个钢种都不同程度的表现出回火脆性,并且这3种钢的韧一脆转变温度 AFATY增大,而回火脆性倾向也变大。30CrNiSMoV钢无论是强度、韧性,还是回火脆性均优于其他3种钢。 关键词:回火脆性;韧脆转变;屈服强度;断裂韧性;晶粒度 中图分类号:TG156.5 文献标志码:B Research Oll Temper Brittlement of High Strength Thick Wall Steel Wang Honggang Abstract:The influence of chemical composition,grain size,nficrostructure of steels used for four high strength gun tubes on temper brittleness is researched and the result shows that there are temper brittleness for three kinds of steels such as 34CrNi3 MoV.34CrNi4MoV和34CrNi4WMoV.When ductile—brittle transition temperature A FATI"of three kinds of steels increases,the tendency of temper brittlement will increase.The strength.toughheSS and temper brittlement of 30CrNi5MoV steeJ are all better than that of other three kinds of steels. Key words:temper brittlement:ductile—britlte transition;yield strength;fracture toughness;grain size 为了研制大口径高强度厚壁火炮身管用钢, 我们进行了提高材料性能指标的试验,即要求R ≥1 029 MPa,Z≥20%,0k≥29.4 J/cm ,nk(一 术要求,但韧性表现较差,特别是回火脆性倾向更 为明显。因此,降低和抑制合金钢的回火脆性敏 感性仍然是一个课题。 1试制工艺路线 40 ̄C)≥19.6 J/cm。。除满足上述性能指标外。更 困难的是既要满足淬透性的要求,又要有良好的 淬硬性及综合力学性能。对火炮身管的冶金研究 表明,现用的高强度Ni.Cr.Mo.V系列炮钢常表现 为韧性较差。特别是钢的回火脆性降低了其断裂 mm身管材料采用电炉冶炼(氧化法)一轧钢开 坯一电渣重熔(4.6 t和7.0 t钢锭)一锻制成152 加榴和130 mm加农身管。 韧性或冲击值。经过研究认为,炮钢身管材料采 用电炉.电渣重熔工艺对钢的综合性能有很大提 高,特别是对规定非比例伸长应力R 能够满足技 2化学成分 钢种化学成分见表1。 表1 试样钢种的化学成分(质量分数,%) Table 1 Chemical composition of specimen steel(nlass fraction,%) 序号 1 钢种 34CrNi4MoV 电渣锭头部 电渣锭尾部 C Si Mn P S Cr Ni Mo W V 0.14 0.14 0.37 0.3l 0.38 0.O10 0.007 1.O8 3.13 O.62 0.38 0.28 O.4l O.010 0.007 1.08 3.16 0.59 2 34CrN.4WM0V 电渣锭头部 电渣锭尾部 0.34 0.23 O.23 0.0l7 0.oo4 0.81 3.80 0.46 O.50 0.21 O.36 0.27 0.31 0.O18 0.004 0.81 3.85 0.47 0.50 0.21 3 34CrNi3 MoV 电渣锭头部 电渣锭尾部 0.36 0.20 0.39 0.013 O.004 1.36 3.26 0.37 0.0.19 0.19 37 0.17 0.42 0.013 0.004 1.36 3.26 0.37 4 3OCrNi5 MoV 电渣锭头部 电渣锭尾部 O.33 0.09 0.24 0.oo9 0.006 0.72 5.30 0.51 033 0.09 0.26 0.009 0.006 O.72 5.29 0.51 .0.07 0.07 收稿日期:2Ol4—0h6—16 18 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING No.1 January 2015 表2力学性能检测结果 Table 2 Test results of mechanical properties 钢种 热处理制度 部位 Rp/MPa R /MPa Z(%) A(%) 。k/J・cm一 1 134.8 1 329.9 40.7 10.8 37.24 43.12 (一40℃)/J・cm一 37.24 50.96 880℃正火 A l 131.9 1 364.2 42.5 12.0 34CrNi4MoV 800℃淬火 560℃回火 H 1 146.6 1 391.6 41.3 l1.4 1 138.8 1 372.0 38.1 10.4 33.32 31.36 37.24 31.36 1 185.8 1 372.0 31.2 9.0 29.40 31.36 23.52 13.72 23.52 29.4 840℃正火 A 1 150.5 1 391.6 41.2 13.0 35.28 35.28 34CrNi4WMoV 890℃淬火 570℃回火 H 1 161.3 1 421.O 39.2 11.O 41.16 39.20 1 136.8 1 406.3 40.6 11.2 41.16 39.20 21.56 25.48 29.4 33.32 1 087.8 1 367.1 45.0 11.4 39.2O 27.44 890℃正火 A l 0986 1 354.4 40.7 11.2 .52.92 一 34CrNi3MoV 760℃淬火 530℃回火 H l 082.9 1 344.6 21.1 11.4 1 058.4 1 349.5 43.9 l1.4 33.32 39.20 — 25.48 1 156.4 1 332.8 47.3 l1.2 47.02 23.12 39.2O 45.O8 41.16 45.08 900℃正火 A 1 185.8 1 377.7 48.7 11.8 30CrNi5MoV 840℃淬火 5l0℃回火 H 1 171.1 1 354.4 46.8 11.6 1 193.6 1 388.7 44.5 11.0 45.O8 50.96 49.0 49.0 45.08 52.92 表3回火脆性检测数据 Table 3 Test data of temper brittlement 脆化温度 nk 4(x】℃.5 h ok(一40℃) /J-cm一 27.44 l7.64 23.52 19.6O 15.68 17.64 450℃.5 h ctk /J・cm-2 31.36 27.44 27.44 37.24 29.40 31。36 500qc.5 h ak /J・cm一 33.32 27.44 25.48 33.32 29.40 25.48 。k(一40qC) /J・cm-2 21.56 27.44 15.68 19.60 15.68 15.68 ak(一40 ̄C) /J・cm一 31.36 25.48 15.68 17.84 19.60 2450 ./J.cm一 34CrNi4MoV 34C31.36 31.36 37.24 45.08 33.32 34CrNi3MoV 33.32 rNi4WMoV 31.36 50.96 19.64 45.08 33.32 50.96 15.68 41.16 25.48 78.40 2O58 .49.0 30CrNi5MoV 45.08 49.00 41.08 41.16 45.O8 49.00 45.O8 45.08 5O.96 47.04 45.08 43.12 3力学性能 力学性能检测结果见表2。 4回火脆性 回火脆性为调质后火炮身管的解剖数据.结 果见表3,回火脆性曲线见图1。 5试验结果讨论 回火温度/℃ 图1回火脆性曲线 Figure 1 Curve of temper brittlement 在工业性试制中,身管经正常调质检验两端 性能,回火脆性按正常炮钢检验方法:采用 l9 No.1 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING January 201 5 表4化学成分检测结果(质量分数,%) Table 4 Test results of chemical composition(mass fraction,%) 钢种 34CrNi3 MoV 30CrNi5 MoV 炉号 7583 ¥ 7987 Sb 0.0oo 65 O.00H0 40 Sn 0.002 2 0.000 5 As 0.0o3 6 0.OH03 6 P 0.O13 0.009 S 0.004 0.003 400%、450 ̄C和500℃分别保温5 h.炉冷到 150℃.试样加丁成10 mm×10 mm×55 mill夏比 冲击试样。从身管力学性能可看出,4个钢种 均能满足强度要求,但以4号钢为最佳,各项性能 指标配合良好,性能均匀。 从表3和图1可以看出,4号钢基本没有回 火脆性,而其它3种钢都不同程度反映出回火脆 性的现象。 5.1 化学成分对回火脆性的影响 5.1.1 Sb、Sn、As的影响 冶金专家陈昶撰文指出:钢中Sb、Sn、As对 回火脆性的影响极大。其危害性程度为Sb>Sn> As。化学成分检测结果见表4。 由表4可以看出,30CrNi5MoV中sh、sn含量 明显较低 5.1.2 P的影响 P对钢的回火脆性影响特别明显。在4个钢 种中,34CrNi4WMoV的P含量最高,同时回火脆 性也最大 分析原因认为是P含量高所致。众 所周知.P有增大钢的冷脆倾向,在高强度钢中表 现尤为突出。P在钢中富集十分严重,在晶界中 富集系数达5.1。由于P的高度富集,消弱了晶 界的结合力。另外,P能提高脆性转变温度,含P 量为0.020%的35Ni一17Cr-0.5Mo.0.1V马氏体钢 的△FA rr为105~120 ̄C。 观察高强度钢也曾发现“亮线”断口,经电镜 分析,亮线部分为沿晶断裂,晶界上未发现其它析 出相,但探测证明晶界上有P的偏聚。相对而 言,表1中1#钢和4#钢P含量都较低,而1}}钢回 火脆性表现轻微,4#钢基本没有回火脆性。因此, P在钢中的危害性引起了重视,在美国、法国厚壁 炮钢的P含量都控制在0.010%以下。我国研制 高强度炮钢材料也应当尽量降低钢中P含量。 5.1.3 Mn和si的影响 Mn和si的大量存在能使Ni—cr钢产生回火 脆性,两者对室温韧性影响不大,但低温韧性随 Mn、si含量的增高脆性显著增大。实践中转子钢 的Mn含量已由0.20%~0.40%降至0.15%~ 0.35% 并且si能提高转变温度△FAr丌值,因 20 此在si和Mn达到脱氧作用的情况下,Mn的水平 应限制在0.20%左右,si越低越好。即生产Mn/ 比值低的钢,能有效降低钢的回火脆性敏感 性。4#钢Mn为0.026%,Si为0.09%基本属于 这一类型。 5.1.4 Ni和Cr的影响 Ni和Cr能促进P在晶界的聚集,这一点cr 和P的组合更为密切。所以在CrNiMo钢中,Cr 含量控制在1.2%~1.4%之间为宜。Ni、Cr同时 存在引起回火脆性要比这两个元素任何一个单独 存在时都严重得多。 4#钢Ni含量很高,而没有引起回火脆性,这 可能是4#钢组织、晶粒度及化学成分综合配合有 利的结果 5.1.5 Mo的影响 有专家指出,Mo含量在0.25%时,△FA rr 最小,只有15 ,回火脆性最小。在此含量值以 上或以下时,△FA1Tr增大。这是因为Mo和P有 很强的亲和力.可以抑制钢中磷向晶界富集。一 般认为Mo:P=9.7:1为佳,4}}钢Mo:P:9.0:1。 综上所述,我们认为4#钢诸因素配合比较合 理.这种配比不仅使钢具有小的回火脆性和冷脆 性倾向.从表2看出也得到了良好的综合力学性 能。1#、2#、3#钢元素配比不如4#钢,这可能是这 些钢回火脆性严重的原因。 5.2强度对回火脆性的影响 为了使钢达到高强度、超高强度状态,只能降 低回火温度,但这样使△FA1丫r温度升高了,钢 现了脆性。这时只有极少量的杂质偏聚,就足以 使韧性大幅度下降。从表5屈服强度对韧脆转变 温度的影响就可以看出。这正是研制高强度炮钢 材料容易出现回火脆性的原因。 表5屈服强度与韧脆转变温度的关系 Table 5 Relationship between yield strength and ductile—brittle transiiton temperature R /MPa △FA ITr 1 166.2~l 342.6 15.6℃ 960.4~1 097.6 一81.0℃ (下转第25页) 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING No.1 January 2015 即可。譬如说,钢锭表面的温度是600 ̄C,那么大 约向内200 mm左右的深度就已达到850℃。那 么工艺所需给出的保温时间只要保证将这200 mm左右“一层厚皮”的温度均匀到850%即可。 中的含铝量,控制Al含量在0.020甚至0.015以 下,能保证材料具有很好的高温塑性,会减少开裂 危险。 4.3在钢锭热送或退火过程中采用过冷处理的 这样,就会形成从钢锭心部向外是由高到低、逐渐 递减的温度场。这时候再封炉缓冷,钢锭是很安 全的。 方法,可以大大提高表面塑性,有效避免钢锭在锻 造时开裂。 参考文献 [1] 任猛,李保华.钢锭开裂的机理及防止方法.大型铸锻件, 1992(3):36. 笔者于201 1年,曾经在江阴宏晟集团炼钢厂 采用新工艺进行了多炉钢锭退火处理,节省天然 气费用60%以上,并且没有一支钢锭开裂报废。 4结论 [2]越谷哲郎.关于锻造加热的想法和问题点.日本:铸锻造与 热处理,1990(5):13. [3] 葛晓初.热送钢锭过冷处理.上海重机厂,1986. 4.1 许多企业现行的钢锭退火工艺存在着能源 浪费和认识上的误区,并且起不到有效防止钢锭 [4] 葛晓初.消除氮化铝对锻造裂纹的影响.上海重机厂,1986. [5]任猛,等.热运钢锭自降温缓冷新工艺.大型铸锻件,1992 (2):12. 开裂的效果。合理改进工艺,不仅能够减少经济 损失.还可提高生产效率。 4.2对于铝脱氧的冶炼工艺应适当改进,降低钢 编辑李韦萤 (上接第20页) 马氏体组织比贝氏体组织和马氏体加贝氏体 混合组织的韧脆转变温度都低,所以回火脆性小。 5.3奥氏体晶粒度的影响 在一定条件下,奥氏体晶粒度对回火脆性有 一这是因为马氏体加贝氏体混合组织有二相不均匀 形变,在二相界面上导致高的应力集中.降低断裂 韧性。 定影响。随着奥氏体晶粒尺寸的增大,转变温 晶粒粗大,单位体积内晶界面积就要减少,在 度△FA1Tr稍有提高,回火脆性增加。 脆化杂质元素含量一定时。晶界上偏析元素的浓 所研制的4#钢为马氏体组织,其它的为混合 组织,1#钢为马氏体加少量贝氏体组织.所以4# 钢和1#钢回火脆性倾向最小。 为此,火炮身管材料在调质处理时,应尽量获 得大量的马氏体组织,以减轻回火脆性。 6结论 度就会增加,因而回火脆性增大。我们研制的4# 钢为8级晶粒,没发现回火脆性。 实践表明,火炮身管材料晶粒度未调质前多 为5级~6级,粗者为3级~4级,极不均匀。为 减轻该类钢的回火脆性,必须在调质过程中采用 快速加热、高温正火、低温淬火,使其晶粒均匀细 化。 5.4组织的影响 6.1 高强度厚壁火炮身管用34CrNi3MoV. 34CrNi4MoV,34ErNi4WMoV钢制造.表现出不同 程度的回火脆性,这与钢的化学成分、晶粒度、组 织等因素有关 6.2 30CrNi5MoV钢无论强度和韧性,特别是回 火脆性均优于其它3种钢。这是因为该钢化学成 试验表明,显微组织对回火脆性的敏感性有 一定影响。当获得马氏体组织时,回火脆性敏感 性小,这一点通过表6可以证明。 表6显微组织与韧脆转变温度的关系 Table 6 Relationship between microstructure and ductile・brittle transition temperature 分设计合理,晶粒细,强化冷却使身管淬火后获得 大量的马氏体组织,从而改善了该钢的回火脆性。 编辑李韦萤 显微组织 M B M+B 韧脆转变温度△FATr —l7.8℃ 29.4℃ 67.4℃ 25