调质45#钢冲击值不合格的工艺改进

文/李波，周鹏·中车资阳机车有限公司

我公司生产的大型船用连杆毛坯，以正火处理为中间热处理工艺，以调质为最终热处理工艺。考虑经济性，直接采用亚温淬火高温回火工艺，在保证45#钢强度和硬度的同时，对于调质后已出现冲击值较低的产品，采用调质后追加一道亚温淬火高温回火工艺即可解决。

连杆是柴油机上的关键传动件，它将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，因此要求其具有良好的综合力学性能。我公司锻造生产的一种大型船用发动机连杆，材质为45#钢，交货状态为热处理调质，锻件单重149kg，杆身横截面半径为90mm，是我公司生产同材质锻件单重最重的船用连杆，调质后达到的技术要求见表1。

针对该连杆，我公司采用热轧棒料锯床下料，1.5t自由锻一火出坯，16t模锻一火成形，经热处理后进行性能/金相检测，合格后发货。具体流程为：下料→出坯→检查→模锻→切边、冲小头孔→检查→抛丸/打磨/探伤→机加大头孔→热处理→打标记/硬度检测→抛丸/打磨/探伤→船检→冷校正→去应力回火→抛丸/称重→检查→防锈→包装→发货。

热处理设备采用500kW高温电炉，该设备配备4只S形热电偶，炉温均匀性达到±10℃；热处理装炉方式采用连杆大小头统一侧立摆放于台车上，装炉量为21支/每炉；采用的热处理工艺为：正火为预备热处理，调质为最终热处理；淬火介质为清水，淬火池中设有循环搅拌设备，控制每支连杆冷却时水温在40℃以下；淬火冷却方式为：杆身垂直且保证大头先入水；热处理后，在实物杆身R/2处、大头1/4厚度处分别取样进行机械性能、金相检测。

表1 45#钢船用连杆调质后的技术要求

问题提出

在批量生产中，发现个别化学成分中含碳量居于上限的连杆容易出现强度/硬度居高不下、冲击值极低的现象，经提高温度返工回火或延长回火保温时间后，仍无明显效果。现把具有代表性的五炉不同熔炼炉号的连杆（A/B/C/D/E）进行对比分析，具体数值见表2。

表2 正常调质及返工回火的机械性能值统计

原因分析

机械性能分析

从表2可以看出，五炉连杆抗拉强度均接近上限，而冲击值极低，其中两炉在提高回火温度返工热处理后，冲击值虽略有提高，但仍与规定值相差甚远，可以排除与回火温度有关。五炉连杆规定强度都很高，可以间接反映连杆淬火后硬度值较高，故回火后硬度值也接近上限，且每炉连杆淬火前后都进行水温测试，并严格控制在淬火冷却前水温≤40℃的范围内。通过二者可以排除与淬火介质（清水）有关。部分炉次连杆三个冲击值波动性极大，间接说明热处理后晶粒没有细化，组织不均匀。

化学成分分析

45#钢要求碳元素的含量在0.42%～0.50%之间，锰元素的含量在0.50%～0.80%之间。由于检测条件的限制，只检测出了此批船用连杆的碳、锰含量，从表3可以看出，A、B两炉的碳含量接近45#钢规定的上限，而锰含量≤0.60%；C、D两炉的碳含量居于45#钢规定的中限，而锰含量＜0.60%；E炉的碳含量接近45#钢规定的上限，而锰含量最高，达到0.71%。

金相组织分析

对中A、B两炉的锻件进行840℃水淬＋630℃回火，分析表1中这两炉的金相组织。钢的显微组织决定其机械性能，由图1、图2可以看出：A、B两炉船用连杆金相组织都以大量珠光体为主，含少量铁素体组织，导致强度居高冲击值极低，因为铁素体含量越低则冲击值越低。

图1 A连杆金相组织500×

图2 B连杆金相组织500×

表3 五炉产品化学成分含量

综合分析

结合连杆机械性能、材料化学成分、金相组织综合分析：这五炉连杆出现冲击值极低的现象，与化学成分中高的含碳量及低的含锰量密不可分。碳含量的增加势必增加珠光体含量，从而提高产品强度和硬度，降低冲击值；此外，碳在钢中的主要作用就是提高屈服点和屈服强度，因此使钢的塑性和冲击性降低；由于含碳量高，Ac3点降低，存在马鞍形的异常下降现象，此时仍采用常规淬火，锻件抗回火性较好，即使提高回火温度和延长回火保温时间，也无法降低强度、硬度，提高其冲击值，回归分析结果与实际吻合；而锰含量高则强烈提高淬透性，对强度和韧性都有提高作用，而锰含量不足0.60%则对尺寸较大的连杆淬透性没有明显提高作用。

表4 调整热处理参数后五炉船用连杆的机械性能

解决方案

介于此批连杆较高的含碳量、较低的含锰量，连杆常用840℃水淬后，基体组织中铁素体含量低，结果强度高、冲击值低（见表1）。提高冲击值是挽救此批船用连杆的唯一办法，利用珠光体相变规律调整热处理工艺，在淬火介质采用清水的条件下，降低淬火加热温度和奥氏体的过冷度，减小珠光体的成核率和长大速度，最终减少珠光体量而增加铁素体量，以达到提高冲击值的目的。中碳钢的亚温淬火，由于能得到极细的奥氏体晶粒，并使磷等有害杂质集中于少量游离分散的铁素体晶粒中，可以提高钢的缺口韧性，降低冷脆转变温度，减小回火脆性等。最佳亚温淬火温度以接近上相变点为宜，45#钢Ac3温度为780℃，最优温度选择为770～780℃。若从低温加热升温进入临界区，则铁素体是未溶解完了的，呈细小而均匀的分布，对提高韧性有更良好的作用，所以亚温淬火时以升温进入临界区的效果较好，在紧接着表1常规调质后进行一道亚温淬火高温回火工艺，具体数值见表4。

从调整参数后得到的试验结果以及金相组织照片（图3、4）综合分析：经过亚温淬火后，铁素体呈细小粒状及针状均匀分布在基体组织上，含量增多；由于亚温淬火是在铁素体和奥氏体两相区加热，相对于调质处理加热温度低，晶粒长大倾向较小，组织晶粒较细小。所得机械性能也反映出抗拉强度及规定强度都明显降低，而冲击值则极大地提升，已完全达到技术要求。

图3 A连杆金相组织500×

图4 B连杆金相组织500×

结束语

此批连杆化学成分中较高的碳、较低的锰是造成调质后抗拉强度高、冲击值极低的主要原因。针对此批连杆原材料特点，降低连杆淬火温度，能显著改善其韧性，提高冲击值，其中尤其以常规调质后进行的亚温淬火、回火工艺为最佳。