Q345B鋼環(huán)形鍛件的力學(xué)性能

任秀鳳，王松林，劉守峰

Q345B鋼為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，此鋼含碳量低，錳為主要強化元素，并加入少量的細化晶粒元素，焊接碳當(dāng)量（CEV）≤0.47。因為此鋼價格低廉，焊接工藝性能良好，通過適當(dāng)熱處理后，鋼的強韌性匹配優(yōu)良，所以，在工程結(jié)構(gòu)零件上（例如連接法蘭）廣泛采用此類鋼種。

1. 環(huán)形鍛件技術(shù)要求

（1）鍛件用鋼的化學(xué)成分 Q345B鋼環(huán)形鍛件用鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T1591—2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》技術(shù)標準的規(guī)定（見表1）。

（2）鍛件力學(xué)性能 環(huán)件力學(xué)性能應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表1 Q345B鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 Q345B鋼環(huán)形鍛件力學(xué)性能技術(shù)標準規(guī)定值

(3)鍛件超聲波檢測檢查 鍛件加工后應(yīng)進行超聲波檢測檢查，檢查結(jié)果應(yīng)符合J B/T4730.3—2005標準，單個缺陷等級Ⅱ級合格，密集缺陷等級Ⅰ級合格。

2. 環(huán)形鍛件制造程序

Q345B鋼環(huán)形鍛件，是采用φ 390mm連鑄圓坯，按工藝要求鋸切下料后，在1200℃溫度下加熱，于鍛造液壓機上開坯，再回爐加熱，于輾環(huán)機上輾擴成形（見圖1）。鍛件熱處理后，進行力學(xué)性能試驗。力學(xué)性能檢測合格后的工件，再進行最終機加工，并進行超聲波檢測、形狀尺寸、表面質(zhì)量、產(chǎn)品標識的最終檢查。質(zhì)量合格的產(chǎn)品，出具質(zhì)量證明書，與產(chǎn)品實物同時發(fā)給客戶。

表3 Q345B鋼環(huán)形鍛件正火噴霧冷卻后的力學(xué)性能

3. 環(huán)形鍛件熱處理及力學(xué)性能

（1）熱處理裝夾 環(huán)形鍛件的熱處理，是在井式熱處理爐或臺車式熱處理爐中進行加熱，工件之間要用墊鐵支墊，墊鐵之間間距不能太大，每層墊鐵都應(yīng)放置在同一直線上。墊鐵面積需要大一些，放置底層墊鐵面積太小，在工件的加熱狀態(tài)下，承受上層過重的工件重量，因為墊鐵單位面積的壓強過大，而被壓入底層工件的金屬中，形成大的凹痕，使工件沒有加工余量而報廢。環(huán)形鍛件熱處理裝夾的原則是：保證工件加熱或冷卻均勻，防止工件變形，裝卸方便。

（2）性能熱處理 Q345B鋼環(huán)形鍛件采用正火處理，正火溫度為（910±10）℃，正火保溫時間是根據(jù)工件有效厚度大小確定，保溫時間系數(shù)選用1.0～1.2mi n/mm，保溫時間系數(shù)×工件有效厚度=正火保溫時間。

工件正火保溫后，迅速把工件吊入專用冷卻風(fēng)場，進行吹風(fēng)噴霧冷卻。為使工件冷卻均勻，工件在冷卻臺上需要不停旋轉(zhuǎn)，一直到冷卻結(jié)束。這種冷卻方式，對厚度＞100mm Q345B鋼環(huán)形鍛件是非常重要的，否則，鍛件的屈服強度與沖擊韌度就很難達到技術(shù)標準要求指標，環(huán)形鍛件取樣示意見圖2。

（3）鍛件力學(xué)性能 熱處理后按圖2規(guī)定截取理化試料，按GB/T228、GB/T229標準規(guī)定，進行拉伸與沖擊試驗，試驗結(jié)果列入表3。

圖1 環(huán)形鍛件三維實體圖

圖2 環(huán)形鍛件取樣位置示意

圖3 13-04的顯微組織 100×

圖4 14-08的顯微組織 100×

4. 環(huán)形鍛件熱處理工藝試驗

（1）正火+高溫回火工藝試驗 對Q345B鋼環(huán)形鍛件（910±1 0）℃正火強化冷卻后，又進行補充回火試驗，回火溫度采用（600±10）℃，回火出爐后工件在空氣中冷卻，力學(xué)性能試驗結(jié)果列入表4。由表4可知，在強度數(shù)值大致相同的條件下，經(jīng)過（600±10）℃補充回火后，鍛件零度沖擊吸收能量有很大的提高。

（2）鍛后余熱控冷正火工藝試驗 Q345B鋼環(huán)形鍛件，在輾環(huán)機上輾擴成形后，鍛件表面溫度大于950℃，此時鋼仍處于單相奧氏體狀態(tài)，我們利用鍛件鍛后余熱控冷正火，來替代鍛件重新加熱的正火處理，這樣可以節(jié)約正火加熱時能源消耗，縮短環(huán)形鍛件產(chǎn)品生產(chǎn)周期。我們進行了Q345B鋼環(huán)形鍛件鍛后余熱控冷正火的工藝性試驗，試驗結(jié)果列入表5。由表5所列的試驗數(shù)值可知，經(jīng)過鍛后余熱控冷正火后，工件的硬度和強度很高，而塑性、韌性很差，不能滿足環(huán)形鍛件技術(shù)標準規(guī)定的指標。

（3）鍛后余熱控冷正火+高溫回火工藝試驗 我們利用Q345B鋼環(huán)形鍛件鍛后余熱，又進行了控冷正火+高溫回火的工藝試驗，其試驗結(jié)果列入表6。根據(jù)表6所列數(shù)值可知，利用鍛后余熱控冷正火+高溫回火工藝，鍛件力學(xué)性能是能夠滿足技術(shù)條件要求的。這與環(huán)形鍛件鍛后重新加熱正火工藝相比較，可以節(jié)約正火時高溫加熱的能源消耗，因為高溫回火比正火的溫度低，所消耗的能源較少。

圖5 Q345B鋼鍛件的顯微組織 100×

圖6 Q345B鋼鍛件的顯微組織 100×

5. 環(huán)形鍛件試制中出現(xiàn)的問題

（1）拉伸試樣斷口上白斑缺陷 在Q345B鋼環(huán)形鍛件試制過程中，由于原材料不良，在進行拉伸試驗時，在拉伸試樣斷口上發(fā)現(xiàn)2個銀亮色的白斑缺陷，直徑約2mm，使斷面收縮率下降至約為正常值的二分之一（見表7）。拉伸試樣斷口上的白斑缺陷見圖7。

表4 Q345B鋼鍛件正火控冷加600℃回火的力學(xué)性能

表5 Q345B鋼鍛件利用鍛后余熱控冷正火的力學(xué)性能

表6 Q345B鋼鍛件利用鍛后余熱控冷正火+高溫回火的力學(xué)性能

拉伸試樣斷口上白斑缺陷的產(chǎn)生，是由于試樣材料中固溶氫的含量較高，在試樣拉伸過程中，在拉應(yīng)力的作用下，促使固溶氫析出聚集，產(chǎn)生氫脆斷裂所致，氫脆斷口在試樣灰色的斷面上，呈銀亮色圓形斑點，屬于脆性無塑性變形的脆性斷裂，在沖擊試樣斷口上沒有發(fā)現(xiàn)這種白斑缺陷，因為在沖擊載荷作用下，試樣中固溶氫來不及聚集便沖斷。白斑缺陷產(chǎn)生的條件是：試樣中固溶氫含量比較高，試樣必須在緩慢的加荷速度下斷裂。

發(fā)現(xiàn)拉伸試樣斷口上出現(xiàn)白斑缺陷的鍛件，可以采用回火擴氫處理的方式，消除或減輕鍛件中的氫含量，再重新做力學(xué)性能試驗時，拉伸試樣的斷口上不再產(chǎn)生白斑缺陷，鍛件的力學(xué)性能也恢復(fù)到正常值。

（2）鍛件的缺口沖擊吸收能量低 在Q345B鋼環(huán)形鍛件力學(xué)性能檢測時，個別沖擊試樣零度缺口沖擊吸收能量極低（見表8），鍛件材料中非金屬夾雜物含量也不高，經(jīng)過金相觀察發(fā)現(xiàn)，在沖擊試樣顯微組織中，呈現(xiàn)晶粒不均多種組織形態(tài)并存的現(xiàn)象（見圖8），這是由于鍛件用鋼中的成分偏析，在連續(xù)冷卻過程中形成的，經(jīng)過高溫回火后可以改善，使低溫沖擊韌度得到提高。

（3）利用鍛后余熱控冷正火 關(guān)鍵核心技術(shù)是鍛件鍛后終冷溫度的控制，鍛件溫度應(yīng)在9 2 0～9 8 0℃之間，溫度如果過高，鍛件晶粒容易粗化；溫度過低，容易產(chǎn)生過共析鐵素體析出。鍛后應(yīng)迅速進行控速冷卻，在冷卻介質(zhì)中的冷卻時間需要嚴格控制，冷卻參數(shù)需要通過試驗來確定，否則，鍛件的力學(xué)性能會出現(xiàn)較大的波動，特別是低溫沖擊韌度波動性更大。

圖8 Q345B鋼鍛件中不均勻的顯微組織 500×

6. 結(jié)語

（1）Q34 5B鋼環(huán)形鍛件，經(jīng)910℃正火加熱保溫后，再裝入專設(shè)的冷卻裝置上進行噴霧控制冷卻，鍛件在這種狀態(tài)下，軸向和徑向的力學(xué)性能能夠滿足技術(shù)條件的要求。

（2）Q34 5B鋼環(huán)形鍛件，經(jīng)過910℃控冷正火+600℃高溫回火后，鍛件的軸向和徑向力學(xué)性能不但能滿足技術(shù)條件要求，而且強韌性匹配非常優(yōu)良，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）Q34 5 B鋼鍛件利用鍛后余熱進行性能熱處理，是我們需要研究應(yīng)用的實用工藝技術(shù)，它可以節(jié)能降耗，縮短工藝周期，降低產(chǎn)品成本。此項技術(shù)存在的主要問題是鍛后余熱及控冷技術(shù)的應(yīng)用和掌握，如何使鍛件的力學(xué)性能穩(wěn)定在一定的水平上。通過我公司工藝試驗結(jié)果來看，鍛后余熱控冷正火+高溫回火工藝比較容易掌握和實施。

表7 Q345B鋼鍛件拉伸試樣斷口有白斑缺陷的力學(xué)性能

表8 Q345B鋼鍛件低溫缺口沖擊吸收能量低