文 / 彭彩霞，胡运宝，王旭颖 · 太原重工股份有限公司
牛玉温，王志军 · 太原重工股份有限公司铸锻件分公司
40CrNi2Mo是一种Cr-Ni-Mo系合金钢，它不仅具有较高的强度，同时还有优异的塑性及韧性，在重要的机械零部件上有较多的应用。现有文献对取样位置为距热处理表面大于50mm的研究参考数据不多。本文以40CrNi2Mo试验件为研究对象，通过设计特定锻造、热处理工艺，对40CrNi2Mo试验件进行了锻造及热处理，在对其UT检测的同时，对其几何心部进行了性能检测，对试验结果进行了分析，以期为此类合金钢的产品设计及使用提供一定的试验数据和参考。
试验材料选取、工艺设计试验原材料的选取及方案设计
用钢锭锻制粗车后尺寸为φ720mm×1000mm的试验件，以满足锻件几何中心距所有热处理表面大于300mm的要求。其中试验件调质后粗加工及取样图如图1所示。
图1 试验件调质后粗加工及取样图
试验件制造生产工艺路线:钢锭冶炼→锻造→锻后热处理→粗加工→UT探伤及尺寸检验→性能热处理→车探伤面→UT检测→取样→性能检测。性能检测先测端部(L1S,L1C,R1)性能，再测心部R2区性能。材料成分按表1要求控制。
表1 40CrNi2Mo试验件化学成分控制 (Wt.%)
锻造方案
本试验件在钢锭冒口端下料，锻造成形为图2所示的试验件毛坯。试验件锻件重3678kg，锻造温度范围在850～1200℃之间。同时，要保证底部冒口有足够的切除量。锻造过程采用一镦一拔成形，锻造比不小于3(实际值为4.1)，钢锭利用率为73%左右。
图2 锻件示意图
热处理工艺设计
由于锻件截面大，材料本身又含有较多的Cr、Ni等裂纹倾向性较大的合金元素，试验件做了锻后处理以改善显微组织，促进锻件组织均匀化。
40CrNi2Mo为合金钢，为获得较高强度的同时具有一定的塑性、韧性，采用以油为淬火介质的调质热处理工艺。依据材料规范及以往的生产经验，制订了图3所示的热处理工艺曲线。为了使试验件的调质硬度均匀，调质前对工件按图1所示尺寸单边留4mm进行粗车。目视检测后进行超声波检测，确认试验件满足外表面无裂纹、折叠和孔洞等缺陷，内部无密集缺陷的要求后再入炉加热，进行调质处理。
图3 试验件性能热处理工艺曲线
淬火前需开启油槽搅拌装置，使其充分循环，将淬火介质(油)温度控制在45～80℃范围内。锻件出炉后需要迅速操作，保证试验件及时浸入淬火，以避免冷速过慢产生太多的珠光体组织。由于锻件截面较大，锻件淬火后组织应力较大，淬火后需及时回火，以降低或消除淬火引起的应力。
试验结果及分析UT探伤及结果
调质后性能取样前对试验件进行超声波检测。检测时以径向扫查为主，结合轴向扫查辅助进行。锻件的表面粗糙度必须优于Ra6.3μm，且不含剥落、油漆和污垢或任何其他可能UT检测的异物。必须选择合适并校准合格的超声波仪器，以准确检测大于或等于当量直径φ1.6mm的缺陷，参考φ1.6mm平底孔FBH。在锻件的所有表面(100%体积)上完成超声波检查。为了确保完全覆盖，每个扫查通道之间应至少有15%的重叠。扫描速度不得超过每秒150mm。超探结果显示试验件不存在当量直径大于φ1.6mm的任何缺陷。
成分结果
钢锭熔炼分析结果见表2，成品分析数据见表3。由表2可知，熔炼分析结果P、S含量分别为0.01%、0.001%。结合表1可知有害元素P、S含量远远低于表1要求，其他化学成分也均符合表1要求。表3成品分析结果显示，锻件中心横截面各处成分偏析不严重。
表2 40CrNi2Mo试验件熔炼分析(Wt.%)
力学性能及金相结果
性能热处理完成后，对试验件按照图1所示各位置取样并进行性能检测，性能、硬度及晶粒度检测结果见表4。
分析与讨论
图1结合表4数据显示，锻件热处理后，锻件各处的Rm、Rp0.2、A、Z各项性能指标均匀，各位置晶粒度也非常均匀，均达到6.5～7.0级。试验件心部各性能指标不随着距表面距离的增大而产生明显变化，均匀性良好。
结合图1及表4可知，试验件端部轴头纵向L1S、L1C及径向R1各处力学性能均匀，具有较高的强度并具有一定的塑性和韧性。在距端面距离相同的情况下，端部区径向R1各项性能指标略优于轴向L1S处。
试验件中心表层径向R2S及几何心部径向R2C的强度、塑性、韧性指标差异不大。本区与端部试验结果不同的是：与R2S相比，R2C位置强度略升高，塑性、韧性均略降低，本试验件采用的材料位于钢锭冒口端，这一点可能是由C及Cr、Ni、Mo等合金元素的偏析引起的。表3成品分析结果与这一推断相一致。
表3 40CrNi2Mo试验件成品分析(Wt.%)
结合表4金相分析结果可知，上述各点晶粒度为6.5～7.0级，锻件在淬火后得到了细小均匀的晶粒，说明热处理工艺参数较为合理。由于晶粒细小，一定体积内晶界较多，阻碍位错运动的阻力增大，导致屈服强度上升，起到了晶界强化的作用。其次，界面阻碍了微裂纹的运动，微裂纹扩展速度受到制约。同时，晶界面积增加，晶界上偏析产生的夹杂物相对减少，晶界结合力提高，塑性增加。晶粒越细，单位体积内晶界越多，参与变形的晶粒数目越多，变形也越均匀，使之在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的能量也较大，因而其韧性也提高了。韧性反映了强度和塑性的综合指标。
表4 试验件本体各部位力学性能及晶粒度结果
在距外圆距离相同时，径向R1位置与R2S各项性能指标，数据显示，两个位置性能差别不大，但R1位置强度、塑性和韧性均略高于R2S位置。说明淬火时，随着距端面距离的增大，冷却能力变差。
表4数据显示：通过成分控制及锻造热处理工艺设计后，试验件性能均匀并具有均匀细小的晶粒，几何中心区域R2C性能优异。各位置数据对比发现，端部与中心区的力学性能数值差异非常小，且试验件心部R2C位置强度高，并具一定的塑性和韧性，综合力学性能良好，说明锻造、热处理效果良好。
R2C位置100倍及500倍微观组织金相照片分别如图4、图5所示。分析显示，最终热处理后R2C位置处组织为回火索氏体 贝氏体 少量铁素体，其中细小均匀的贝氏体组织占比约60%，可见大型锻件淬火冷却时，内部蓄热也在一定程度上制约了锻件心部的冷却能力。但成分决定组织，组织决定性能，虽然存在比例相当高的贝氏体相，但由于成分偏析不大，微观组织细小，晶粒细于6.5级，贝氏体组织对试验件心部力学性能的削弱并不明显。
图4 R2C显微组织照片(100×)
图5 R2C显微组织照片(500×)
结束语本文采用试验的方法，探索一种可行性工艺方案，使外形尺寸为φ720mm×1000mm的40CrNi2Mo钢试验件通过特定的锻造、热处理工艺后，结果表明：试验件UT无损检测没有超过φ1.6mm任何缺陷，验证了冶炼及锻造工艺的可行性。试验件几何心部的检测径向屈服强度Rp0.2达到873MPa，并具有一定的塑性和韧性，为今后40CrNi2Mo材料产品设计及使用提供了参考。
作者简介
彭彩霞
主要从事大型锻件的材料及工艺方面的研究工作。主持完成了30万吨油船系列锻件的开发，11800TEU集装箱船用艉轴锻件产品开发、DNV船级社锻钢件工厂认可等项目，参与了30万千瓦级火电转子锻件的开发、350MN多向模锻压机系列大型锻件的开发等项目，拥有专利1项。
——文章选自：《锻造与冲压》2021年第21期
