锻后热处理对AF1410钢冲击韧性和晶粒度的影响

程立维 廖 佳 张 鹏 莫安军 谢 静

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618013)

AF1410钢是上世纪70年代末，美国的冶金学家Little[1]在AY180钢[2]基础上通过提高C和Co的含量研发出来的二次硬化高合金超高强度钢，它具有高强度、高断裂韧性、较好的抗应力腐蚀性能，以及优异的焊接和压力加工性能。由于其优良的综合力学性能，随着应用技术的成熟，AF1410被广泛应用于航空关键结构件[3]，如支架、梁、螺栓等承力构件。美国已成功用该钢制造飞机平尾转轴、起落架、着陆钩以及轰炸机机翼枢轴接头等零件[4]。近年来，国内许多学者对AF1410钢的研究主要集中在热变形行为、腐蚀行为、焊后及激光增材制造的组织性能研究[5-8]。而基于变形后热处理工艺的研究比较少，本文通过工艺试验的方法，研究了不同锻后热处理参数对AF1410冲击韧性和晶粒度的影响规律。

1 实验材料

实验用AF1410棒材，采用双真空冶炼工艺(VIM+VAR)，其化学成分见表1。

2 试验方法

试验流程：下料→改锻→锯料→锻后热处理→预备热处理(正火+高温回火)→切取试样坯→试样坯热处理(淬火+冷处理+回火)→试样加工检测。

将∅180 mm×220 mm的AF1410棒材加热到1100℃的锻造温度后，改锻成尺寸∅90 mm×880 mm的锻棒，沿长度方向平分锯成13个锻棒，锻棒1～12分别按表2所示的工艺参数进行锻后热处理，然后再经过900℃正火2 h空冷，680℃回火8 h空冷的预备热处理后，按图1在每个锻棒R/2处用线切割套取4个15 mm×15 mm×60 mm纵向冲击试样坯，在中心处套取1个15 mm×15 mm×15 mm的晶粒度试样坯。锻棒13不经锻后热处理，只经900℃正火2 h空冷，680℃回火8 h空冷处理后按图1取试。

冲击试样坯经最终热处理830℃淬火1 h空冷，-73℃冷处理1 h空气中回温至室温，510℃回火5 h空冷处理后，按GB/T 229—2007加工成夏比V型冲击试样进行冲击吸收能量的检测。

晶粒度试样坯经830℃淬火1 h空冷处理，目的是得到明显的奥氏体晶界。将试样纵截面逐级用砂纸磨平、抛光、腐蚀，选用的腐蚀剂为饱和苦味酸钠溶液。将制备好的试样在光学显微镜下进行观测，并按GB/T 6394—2017进行晶粒度评级。

表1 实验用钢的主要化学成分(质量分数，%)Table 1 Main chemical composition of the tested steel(mass fraction,%)

图1 锻棒取样示意图Figure 1 Sampling diagram of forging rods

图2 不同锻后热处理参数下的KV2变化曲线
Figure 2KV2variation curves dealt with different heat treatment parameters after forging

表2 不同热处理参数下的锻棒冲击吸收能量及晶粒度检测结果Table 2 Test results of impact energy and grain sizes of forging rods dealt with different heat treatment parameters

3 试验结果及分析

3.1 冲击韧性

表2所示为不同锻后热处理参数下冲击吸收能量值(均值)，从表中可以看出，经锻后热处理的锻棒冲击吸收能量高于不经锻后热处理的锻棒冲击吸收能量，说明锻后热处理有利于提高AF1410锻棒的冲击韧性。

图2为根据冲击吸收能量值画出不同温度和保温时间下的冲击吸收能量变化曲线图。从图中可以看出，固定锻后热处理保温时间不变，随锻后热处理温度的降低，冲击吸收能量先升高后降低，在试验温度940℃，冲击吸收能量达到最高值，之后迅速降低。固定锻后热处理温度不变，比较2 h和3 h锻后热处理保温时间下冲击吸收能量的差异，温度低于1000℃时，保温2 h的冲击吸收能量略高于保温3 h的冲击吸收能量，而在1080℃和1040℃锻后热处理温度下，保温3 h的冲击吸收能量略高于保温2 h的冲击吸收能量，但同一锻后热处理温度下2 h与3 h保温时间的冲击吸收能量变化不大。

3.2 晶粒度

表2给出了不同锻后热处理参数下的晶粒度评级结果。可以看出，1080℃锻后热处理温度下，晶粒严重粗化，且大晶粒和小晶粒之间尺寸差异很大，说明此温度下晶界迁移的驱动力很大，造成晶粒之间互相吞并长大比较激烈。随锻后热处理温度的降低晶粒度尺寸逐渐减小，但减小幅度变小且逐渐趋于均匀化，在试验温度920℃时，晶粒度达到9.5级，与不经锻后热处理的晶粒度保持一致。同一锻后热处理温度下不同保温时间对晶粒度无影响。

4 结论

(1)AF1410冲击吸收能量随锻后热处理温度的降低先升高后降低，在940℃达到最高值，之后迅速降低。当锻后热处理温度低于1000℃时，保温2 h的冲击吸收能量略高于保温3 h的冲击吸收能量，当锻后热处理温度高于1000℃时，保温3 h的冲击吸收能量略高于保温2 h的冲击吸收能量，说明锻后热处理保温时间对AF1410冲击韧性有一定的影响，但影响不大。

(2)1080℃时AF1410晶粒尺寸严重粗化，之后随锻后热处理温度的降低而逐渐减小，但减小幅度变小且逐渐趋于均匀化。

(3)采用合适的锻后热处理工艺可有效提高AF1410钢的冲击韧性。在控制晶粒度尺寸变化很小的前提下，采用940℃锻后热处理可显著提高锻件的冲击韧性。