提高连杆螺钉冲击韧性的研究

1.问题的提出

我厂连杆螺钉采用18Cr2Ni4WA材料,其尺寸见图1。从2004年起,有几批连杆螺钉冲击韧度不合格。其中一批炉号为5-33,其化学成分见表1。采用的热处理工艺为:880℃×120min,0#柴油冷却；510℃×210min,空冷。其力学性能数据见表2。

而另有一批炉号为4-13,其化学成分见表1。采用的热处理工艺为:880℃×120min,0#柴油冷却；515℃×210min,空冷。其力学性能数据见表3。

从化学成分及热处理工艺分析看,热处理工艺变化很小,而两个锻造炉号的产品化学成分除磷含量差异较大外,其他差异均较小；但在热处理后的力学性能指标中,冲击韧度值相差很大。5-33锻造号的连杆螺钉全部不合格,其冲击韧度值比4-13连杆螺钉下降了50%。

2.原因分析

影响冲击韧度的因素主要有淬透性差、金相组织不合格、第二类回火脆性,以及杂质元素含量高形成第一类回火脆性等。18Cr2Ni4WA材料属于中合金高强度钢,其淬透性非常好,可达100mm以上,因此不存在金相组织不合格的问题。对于第二类回火脆性,我们采用回火后水冷与空冷的对比,发现冲击韧度变化不明显,第二类回火脆性不明显。因此杂质元素含量高就是一个重要原因,这些杂质元素形成了第一类回火脆性,但分析其中的铅、锑、锡、砷等四种杂质,其总量不超过0.1%,因而磷含量高也就是影响回火脆性的一个主要原因。这个原因在《金属的韧性与韧化》一书中也提到过,磷对回火脆性的影响远比其他杂质元素大。

由以上统计数据分析认为,磷含量较高对18Cr2Ni4WA材料的冲击韧度影响是造成5-33锻造号连杆螺钉热处理后力学性能全部不合格的原因。

由于冶炼的原因,有些18Cr2Ni4WA材料中的杂质磷没有被很好地控制在较好地控制在较低的水平,达到了0.02%及以上。加工成产品经加热时,磷化物作为一利,脆性夹杂物,易偏聚在奥氏体晶界,使晶界合力急剧降低,引起晶界脆化。当Wp≥0.02%时,冲击韧度大幅度降低,导致产品早期脆性断裂,共至发生事故。

3.试验方案

针对冲击韧度值不合格的5-33锻造炉号,我们制定了三个不同工艺方案。

方案A:亚温淬火工艺。通过亚温淬火将淬火温度降至760℃左右,这样可以在一定程度上使晶粒得到细化。根据有关资料介绍,亚温淬火可获得细小的铁素体,可在一定程度上提高冲击韧件；同时,由于晶粒的细化,晶粒数量变多,磷的夹杂物分布晶界的密度及数量相对减少,从而有利于冲击韧度的提高。

方案B:提高淬火温度工艺。在钢中,磷属于有害元素,有较强的固溶强化作用,一般伞部固溶于铁中,磷在使合金钢的强度有所提高的同时,也大幅度降低了钢的韧性；又由于磷合金结晶范围宽,磷具有严重的偏析倾向(晶界的磷含量可以达到晶内的17倍高)。因此,通过提高淬火温度,将晶界的磷溶入奥氏体中,使晶界的磷含量降低,这通过电子显微镜检测晶界的磷含量可以判断出来。热处理工艺为:910℃×150min油冷+510℃×240min空冷。

方案c:高温正火+高温淬火工艺。该工艺为950℃×4h正火+910℃×150min油冷+512℃×240min空冷。

从试验结果看,弧温淬火的确有一定效果,说明理论上是行得通的,但实际生产验证效果却较差,这可能与材料成分差异造成Ac3偏移,从而使其金相组织变化,造成实际生产时的炉温波动,以及实际淬火温度差异等原因有关。

4.试验结果

(1)亚温淬火试验 采用锻造炉号5-33的试样,进行亚温淬火。其力学性能试验结果见表4。

(2)提高淬火温度 对不合格的连杆螺钉提高其热处理的淬火温度,连杆螺钉的冲击韧性值得到大幅度的提高。其力学性能见表5。

(3)高温正火+高温淬火 对不合格的连杆螺钉进行高温正火+高温淬火热处理后,连杆螺钉的冲击韧度值得到显著提高。其力学性能见表6。

以上试验结果表明:提高淬火温度,可大幅度地提高连杆螺钉的冲击韧性值；增加高温正火后,可以让晶界的磷更多地溶入奥氏体,从而更加有效地降低回火索氏怵晶界的膦含量,冲击韧度值进一步得到提高。

5.金相分析

将高温正火+高温淬火工艺的产品进行晶粒度和金相组织分析,并与880℃淬火后的产品进行对比,两者的晶粒度均为7.5级；金相组织为正常的均匀回火索氏体(见图2、图3)。

6.结语

通过试验及生产验证表明:高温正火+高温淬火工艺办法可显著地提高Wp≥0.02%的连杆螺钉的冲击韧度值。

通过改进工艺,产品热处理后的一次性合格率显著提高,从而节约了大量的能源及其他消耗。采用950℃正火+910℃淬火+512℃回火这种工艺,我们共处理了10000多件连杆螺钉,全部合格,使得价值约80万元的产品免于报废。

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