20MnMoNb鋼厚壁組合筒鍛件的生產(chǎn)研制

朱建鑫 呂洪良 許 波 張 嵐 李少雨

(中航卓越鍛造(無錫)有限公司，江蘇214183)

20MnMoNb是一種鍛件用低合金高強(qiáng)度鋼，該材料由于添加了適當(dāng)?shù)腗n、Mo、Nb等合金元素，具有一定的淬硬傾向，能夠通過調(diào)質(zhì)處理獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。20MnMoNb材料主要應(yīng)用于深海壓力試驗(yàn)裝置、油氣運(yùn)輸設(shè)備、船舶、壓力容器等領(lǐng)域。在20MnMoNb鋼厚壁組合筒制造過程中，由于材料本身具有一定的淬硬傾向，且厚壁結(jié)構(gòu)焊接難度大，也會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，所以必須通過對(duì)成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，且嚴(yán)格控制調(diào)質(zhì)后的殘余應(yīng)力，以預(yù)防后續(xù)焊接中的開裂風(fēng)險(xiǎn)。由于焊接開裂風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)20MnMoNb材料的研究主要集中在焊接方面，對(duì)其生產(chǎn)制造過程中的成分設(shè)計(jì)和調(diào)質(zhì)處理研究較少，本文通過對(duì)我公司20MnMoNb厚壁組合筒鍛件生產(chǎn)制造分析，為20MnMoNb鋼鍛件生產(chǎn)制造提供詳實(shí)可靠的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 組合筒鍛件技術(shù)指標(biāo)

1.1 化學(xué)成分要求

鍛件化學(xué)成分應(yīng)符合表1的規(guī)定，且原材料鋼錠應(yīng)采用EAF方式冶煉，并須經(jīng)過真空處理。

1.2 組織及性能要求

20MnMoNb組合筒鍛件應(yīng)以鍛造+預(yù)備熱處理+粗加工+調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，鍛件調(diào)質(zhì)后按照客戶圖紙加工，并在規(guī)定位置制取切向和高向試樣，要求力學(xué)性能應(yīng)符合表2規(guī)定。熱處理后應(yīng)在組合筒內(nèi)外圓表面上、中、下部位進(jìn)行硬度檢測(cè)，每個(gè)高度位置在間隔90°的圓弧面上檢測(cè)四處。同一高度圓弧面處硬度差不超過30HBW，組合筒內(nèi)外圓各12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的硬度差不超過40HBW。

鍛件交付前，從鍛件本體取樣并按照GB/T 6394—2017規(guī)定檢測(cè)組合筒鍛件的晶粒度，要求鍛件晶粒度不小于4.0級(jí)。

表1 20MnMoNb鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions requirements of 20MnMoNb steel(mass fraction,%)

表2 組合筒鍛件力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of composite cylinder forgings

1.3 殘余應(yīng)力及無損檢測(cè)要求

調(diào)質(zhì)后，從組合筒上切取25 mm×25 mm的圓環(huán)，通過測(cè)量該圓環(huán)在切割前后的平均變形量計(jì)算鍛件的殘余應(yīng)力，其殘余應(yīng)力值應(yīng)不大于鍛件切向?qū)嶋HRp0.2的10%。

超聲檢測(cè)按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分 超聲檢測(cè)》執(zhí)行，逐件檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

2 組合筒鍛件生產(chǎn)試制工藝

2.1 化學(xué)成分

鋼錠按照技術(shù)要求采用EAF方式冶煉，并經(jīng)過真空處理。鋼錠化學(xué)成分見表3，滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表3 20MnMoNb鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical compositions of 20MnMoNb steel (mass fraction, %)

圖1 20MnMoNb鋼組合筒的淬火+回火工藝曲線Figure 1 Quenching and tempering process curve of 20MnMoNb steel composite cylinder

RmMPaRp0.2MPaA%Z%KV2J切向0°180°68168556457021.023.57176235、235、202183、229、250高向0°180°69770257758521.519.06564166、162、148166、174、147

表5 組合筒鍛件內(nèi)外表面硬度HBWTable 5 The inner and outer surface hardness HBW of composite cylinder forging

表6 組合筒鍛件殘余應(yīng)力Table 6 Residual stress of composite cylinder forging

2.2 組合筒鍛造及熱處理

在鍛造加熱前將鋼錠的水口端和冒口端鋸切去除。然后在不高于1260℃的溫度下加熱，保證鋼錠均勻燒透，嚴(yán)禁鋼錠過熱、過燒，控制鋼錠開坯溫度在850～1240℃，經(jīng)鐓粗、拔長(zhǎng)、預(yù)制坯料、沖孔、馬架擴(kuò)孔和輾環(huán)等制成高筒件。

20MnMoNb厚壁組合筒鍛件輾環(huán)后，經(jīng)900～930℃正火空冷和630～660℃回火處理、粗加工并無損檢測(cè)合格后，按圖1所示淬火回火工藝處理，然后檢測(cè)調(diào)質(zhì)后的鍛件力學(xué)性能。

3 試制結(jié)果

3.1 組織及力學(xué)性能

在經(jīng)過淬火+回火處理的鍛件上，分別沿切向和高向間隔180°制取拉伸試樣和沖擊試樣，并檢測(cè)鍛件力學(xué)性能，結(jié)果見表4。由表4可知，按照900～930℃保溫后淬火水冷+640～670℃回火空冷，鍛件力學(xué)性能滿足表2技術(shù)要求。

組合筒鍛件加工至交付尺寸后，在鍛件內(nèi)外圓表面上、中、下部位檢測(cè)鍛件本體硬度，每個(gè)高度沿圓弧面按照90°間隔檢測(cè)硬度，其結(jié)果見表5，每部位在間隔90°的圓弧面上硬度差不超過10HBW，組合筒鍛件內(nèi)外圓各部位硬度差不超過15HBW，滿足鍛件技術(shù)要求。

經(jīng)淬火+回火處理后，20MnMoNb組合筒鍛件金相組織為貝氏體組織，實(shí)際晶粒度約為9.0級(jí)，滿足鍛件技術(shù)要求實(shí)際晶粒度不小于4.0級(jí)的要求。

3.2 殘余應(yīng)力和無損檢測(cè)

從組合筒鍛件上切取圓環(huán)，殘余應(yīng)力試樣環(huán)切取前先用千分尺測(cè)量組合筒外圓直徑，試樣環(huán)切取后在軟木墊上靜置三天后測(cè)量試樣環(huán)直徑，按σt=Eδ/D計(jì)算鍛件殘余應(yīng)力，20MnMoNb的彈性模量通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得E=206 GPa，每件組合筒鍛件的殘余應(yīng)力結(jié)果見表6，均小于各鍛件實(shí)際Rp0.2的10%，且每件組合筒的超聲檢測(cè)結(jié)果均滿足NB/T 47013.3—2015規(guī)定的Ⅰ級(jí)要求。

4 結(jié)論

采用電爐冶煉并經(jīng)真空處理的鋼錠，經(jīng)鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、馬架擴(kuò)孔、輾環(huán)等制成筒形鍛件。20MnMoNb厚壁筒形鍛件經(jīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)備熱處理和調(diào)質(zhì)處理，鍛件組織為貝氏體組織，實(shí)際晶粒度達(dá)到9.0級(jí)，力學(xué)性能完全滿足技術(shù)要求。鍛件本體硬度均勻，整體硬度差不超過15HBW。調(diào)質(zhì)后鍛件無損檢測(cè)合格，且殘余應(yīng)力最大僅為25.03 MPa，不超過鍛件實(shí)際Rp0.2的10%。