冲击器用45CrNiMoV钢制管实验研究

2023-10-18解德刚吴红赵波王善宝袁琴

鞍钢技术 2023年5期

解德刚，吴红，赵波，王善宝，袁琴

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009）

冲击器用45CrNiMoV钢是一种淬透性良好的中碳高强度合金钢，具有强度、韧性匹配性好、应用可靠的优点，目前主要用于生产棒材产品，用做机械结构传动轴、连接件、凿岩钎具或航空航天等领域。但由于该钢的碳当量较高，热轧空冷后的硬度很高，增大了连续轧制生产类型钢材的制造难度，因此，用该钢制造管材方面的研究还未见公开报道。本文尝试了用该钢进行制管，研究针对该钢物理特性实施的制管工艺及参数存在的问题与解决措施，通过工艺设计与参数控制及不同方式的热处理后，获得了与棒材产品相近的综合力学性能，作为新的工程机械结构用钢材将比棒材大大节省用钢量，减轻最终用户制造设备的重量，具有广阔的应用前景。

1 实验设计

1.1 工艺路线

采用100 t转炉冶炼、连铸工艺制得的方坯规格为280 mm×380 mm。将实验钢方坯依次经过余热装炉—加热—轧制—定尺切割—缓冷坑缓冷—再加热—穿孔—连续轧制—定径—热处理的工艺路线完成制管，获得Φ150 mm×20 mm规格的45CrNiMoV钢管。

1.2 实验材料与方法

实验钢化学成分如表1所示，满足45CrNiMoV钢成分要求［1］。实验钢热处理采用退火+正火+调质的方案，1～9号实验中，固定其他工艺参数，调整回火温度为460～700℃，间隔30℃取值，实验钢热处理方案如表2所示。

表1 实验钢化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Experimental Steel（Mass Fraction） %

表2 实验钢热处理方案Table 2 Heat Treatment Plan for Experimental Steel

在回火后的各试样上加工标准拉伸试样、冲击试样、硬度试样，在Z600电子拉力试验机上进行拉伸试验，在JBN-500摆锤式试验机上进行U型缺口冲击试验，在HRD-150洛氏硬度计上进行HRC硬度检验。

2 实验结果

2.1 实验钢热塑性与热强性曲线测定

试样尺寸为Φ6 mm×110 mm，将试样置于Gleeble 3800热模拟试验机上测定热塑性、热强性曲线。该成分钢的热塑性与热强性曲线见图1。

图1 实验钢的热塑性与热强性曲线Fig.1 Thermoplasticity and Thermal Strength Curves of Experimental Steel

2.2 实验钢热处理结果

拉力样直径为 10 mm，检测项目 Rp0.2、Rm、A。冲击样尺寸10 mm×10 mm×55 mm，检测温度为20℃，U型缺口。HRC硬度在未做检验的冲击样上进行，每实验号3点。拉伸性能、冲击性能和硬度检测结果如图2、图3所示。图2、图3的力学性能检测结果显示，实验钢屈服强度达到1 000 MPa以上有较宽的工艺控制窗口，延伸率大于7%、断面收缩率大于35%满足用户的潜在预期，常温冲击功大于31 J，实验钢综合力学性能可以满足用户需求［1］。

图2 实验钢强度与回火温度的对应关系Fig.2 Corresponding Relation between Experimental Steel Strength and Tempering Temperature

图3 实验钢塑、韧性及硬度与回火温度的对应关系Fig.3 Corresponding Relation between Experimental Steel Plasticity,Toughness and Hardness and Tempering Temperature

3 结果分析与讨论

3.1 热处理工艺对实验钢力学性能的影响

在460～700℃范围内，随着回火温度的线性升高，实验钢的强度降低速率先缓后快，超过610℃后强度降低幅度开始增大，而硬度呈现线性的降低、延伸率线性的升高，其间没有明显拐点，断面收缩率在回火温度超过610℃后有较明显的提高。值得注意的是，该实验钢在不低于610℃回火时的冲击功可以达到90 J以上，即实验钢的冲击功是先缓慢升高，到610℃时开始大幅提高，即610℃为冲击功升高速率由慢变快的拐点。同时，610℃也是强度开始大幅度下降的拐点。拐点的出现预示着实验钢组织状态从610℃开始由回火屈氏体向回火索氏体的转变，这与徐盛、刘雅政等［2］得出的45CrNiMoV钢640℃回火转变为回火索氏体的研究结果比较接近。实验钢金相组织如图4所示。图4（a）和（b）中，实验钢610℃回火时的金相组织为回火屈氏体，清晰可见析出了一定量的条状碳化物，基本还保存有淬火马氏体的板条形态；640℃回火时的金相组织为回火索氏体，析出的碳化物已经呈现颗粒化，淬火马氏体板条的形态已经消失。

图4 实验钢金相组织Fig.4 Metallographic Structures in Experimental Steel

需要指出的是，该45CrNiMoV实验钢在热轧后进行切割加工过程中遇到了加工困难的问题。经过检验，发现实验钢的热轧态硬度达到了40～46 HRC，过高的硬度不但难以加工，而且刀具磨损很快。一般认为，硬度在16～20.5 HRC内切削加工性较好，当硬度大于32.1 HRC时，切削性显著下降，硬度超过40 HRC时切削加工性很差［3］。通过860℃保温60 min的退火处理后，试验钢的硬度下降为25～28 HRC，大大改善了钢管的切削加工性能。实验钢的热轧态和退火态金相组织如图4（c）和4（d）所示，热轧态实验钢的金相组织中含有黑色针状的马氏体、下贝氏体组织，是硬度高的根本原因。而退火态的金相组织为铁素体+珠光体组织，组织类型的改变促成了硬度的降低。

3.2 热塑性、热强性对实验钢制坯、制管工艺影响

45CrNiMoV实验钢的热塑性曲线显示，该钢的热塑性优良，对钢材表面质量影响较小，可以确定较宽的生产工艺参数窗口。实验钢在750℃有一最低点，应注意控制不使钢坯长时间处在750℃附近受力。45CrNiMoV实验钢的热强性曲线显示，1 100℃以下的热轧区间实验钢的强度较高，达到2kN，900℃以下的强度升高幅度更大，因此，需控制钢管的主要变形温度在1 100℃以上，尤其定减径温度不要低于900℃，从而减小变形抗力，降低轧制设备的负荷。由于实验钢正常热轧状态下的强度很高，空冷态硬度达到40 HRC以上，一般的冷矫直或锯切难以实施，因此，应避免钢管冷矫直工艺和低温定尺锯切。

根据该实验钢的热塑性、热强性物理特性开展工业实验，以连铸方式进行生产，连铸钢坯控制在1 200～1 280℃进行加热炉加热，而后轧制成圆管坯。此处控制终轧温度在700～950℃进行热切定尺，并将圆管坯放入缓冷坑进行缓慢冷却至500℃以下。随后将圆管坯由缓冷坑取出放入加热炉加热至1 240～1 280℃，保温足够时间，对圆管坯进行穿孔、轧制、定型得到所需的外径和壁厚尺寸。工业试验钢圆管坯横截面和热酸浸2 h后外表面照片如图5所示。可以看到，钢坯外表面仅有少量的浅麻坑，横截面有0.5级左右的缩孔，避免了实验钢钢坯外表面和横截面裂纹的产生。