Q345B钢环形锻件的力学性能

任秀凤，王松林，刘守峰

Q345B钢为低合金高强度结构钢，此钢含碳量低，锰为主要强化元素，并加入少量的细化晶粒元素，焊接碳当量（CEV）≤0.47。因为此钢价格低廉，焊接工艺性能良好，通过适当热处理后，钢的强韧性匹配优良，所以，在工程结构零件上（例如连接法兰）广泛采用此类钢种。

1. 环形锻件技术要求

（1）锻件用钢的化学成分 Q345B钢环形锻件用钢的化学成分应符合GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》技术标准的规定（见表1）。

（2）锻件力学性能 环件力学性能应符合表2的规定。

表1 Q345B钢的化学成分（质量分数） （%）

表2 Q345B钢环形锻件力学性能技术标准规定值

(3)锻件超声波检测检查 锻件加工后应进行超声波检测检查，检查结果应符合J B/T4730.3—2005标准，单个缺陷等级Ⅱ级合格，密集缺陷等级Ⅰ级合格。

2. 环形锻件制造程序

Q345B钢环形锻件，是采用φ 390mm连铸圆坯，按工艺要求锯切下料后，在1200℃温度下加热，于锻造液压机上开坯，再回炉加热，于辗环机上辗扩成形（见图1）。锻件热处理后，进行力学性能试验。力学性能检测合格后的工件，再进行最终机加工，并进行超声波检测、形状尺寸、表面质量、产品标识的最终检查。质量合格的产品，出具质量证明书，与产品实物同时发给客户。

表3 Q345B钢环形锻件正火喷雾冷却后的力学性能

3. 环形锻件热处理及力学性能

（1）热处理装夹 环形锻件的热处理，是在井式热处理炉或台车式热处理炉中进行加热，工件之间要用垫铁支垫，垫铁之间间距不能太大，每层垫铁都应放置在同一直线上。垫铁面积需要大一些，放置底层垫铁面积太小，在工件的加热状态下，承受上层过重的工件重量，因为垫铁单位面积的压强过大，而被压入底层工件的金属中，形成大的凹痕，使工件没有加工余量而报废。环形锻件热处理装夹的原则是：保证工件加热或冷却均匀，防止工件变形，装卸方便。

（2）性能热处理 Q345B钢环形锻件采用正火处理，正火温度为（910±10）℃，正火保温时间是根据工件有效厚度大小确定，保温时间系数选用1.0～1.2mi n/mm，保温时间系数×工件有效厚度=正火保温时间。

工件正火保温后，迅速把工件吊入专用冷却风场，进行吹风喷雾冷却。为使工件冷却均匀，工件在冷却台上需要不停旋转，一直到冷却结束。这种冷却方式，对厚度＞100mm Q345B钢环形锻件是非常重要的，否则，锻件的屈服强度与冲击韧度就很难达到技术标准要求指标，环形锻件取样示意见图2。

（3）锻件力学性能 热处理后按图2规定截取理化试料，按GB/T228、GB/T229标准规定，进行拉伸与冲击试验，试验结果列入表3。

图1 环形锻件三维实体图

图2 环形锻件取样位置示意

图3 13-04的显微组织 100×

图4 14-08的显微组织 100×

4. 环形锻件热处理工艺试验

（1）正火+高温回火工艺试验 对Q345B钢环形锻件（910±1 0）℃正火强化冷却后，又进行补充回火试验，回火温度采用（600±10）℃，回火出炉后工件在空气中冷却，力学性能试验结果列入表4。由表4可知，在强度数值大致相同的条件下，经过（600±10）℃补充回火后，锻件零度冲击吸收能量有很大的提高。

（2）锻后余热控冷正火工艺试验 Q345B钢环形锻件，在辗环机上辗扩成形后，锻件表面温度大于950℃，此时钢仍处于单相奥氏体状态，我们利用锻件锻后余热控冷正火，来替代锻件重新加热的正火处理，这样可以节约正火加热时能源消耗，缩短环形锻件产品生产周期。我们进行了Q345B钢环形锻件锻后余热控冷正火的工艺性试验，试验结果列入表5。由表5所列的试验数值可知，经过锻后余热控冷正火后，工件的硬度和强度很高，而塑性、韧性很差，不能满足环形锻件技术标准规定的指标。

（3）锻后余热控冷正火+高温回火工艺试验 我们利用Q345B钢环形锻件锻后余热，又进行了控冷正火+高温回火的工艺试验，其试验结果列入表6。根据表6所列数值可知，利用锻后余热控冷正火+高温回火工艺，锻件力学性能是能够满足技术条件要求的。这与环形锻件锻后重新加热正火工艺相比较，可以节约正火时高温加热的能源消耗，因为高温回火比正火的温度低，所消耗的能源较少。

图5 Q345B钢锻件的显微组织 100×

图6 Q345B钢锻件的显微组织 100×

5. 环形锻件试制中出现的问题

（1）拉伸试样断口上白斑缺陷 在Q345B钢环形锻件试制过程中，由于原材料不良，在进行拉伸试验时，在拉伸试样断口上发现2个银亮色的白斑缺陷，直径约2mm，使断面收缩率下降至约为正常值的二分之一（见表7）。拉伸试样断口上的白斑缺陷见图7。

表4 Q345B钢锻件正火控冷加600℃回火的力学性能

表5 Q345B钢锻件利用锻后余热控冷正火的力学性能

表6 Q345B钢锻件利用锻后余热控冷正火+高温回火的力学性能

拉伸试样断口上白斑缺陷的产生，是由于试样材料中固溶氢的含量较高，在试样拉伸过程中，在拉应力的作用下，促使固溶氢析出聚集，产生氢脆断裂所致，氢脆断口在试样灰色的断面上，呈银亮色圆形斑点，属于脆性无塑性变形的脆性断裂，在冲击试样断口上没有发现这种白斑缺陷，因为在冲击载荷作用下，试样中固溶氢来不及聚集便冲断。白斑缺陷产生的条件是：试样中固溶氢含量比较高，试样必须在缓慢的加荷速度下断裂。

发现拉伸试样断口上出现白斑缺陷的锻件，可以采用回火扩氢处理的方式，消除或减轻锻件中的氢含量，再重新做力学性能试验时，拉伸试样的断口上不再产生白斑缺陷，锻件的力学性能也恢复到正常值。

（2）锻件的缺口冲击吸收能量低 在Q345B钢环形锻件力学性能检测时，个别冲击试样零度缺口冲击吸收能量极低（见表8），锻件材料中非金属夹杂物含量也不高，经过金相观察发现，在冲击试样显微组织中，呈现晶粒不均多种组织形态并存的现象（见图8），这是由于锻件用钢中的成分偏析，在连续冷却过程中形成的，经过高温回火后可以改善，使低温冲击韧度得到提高。

（3）利用锻后余热控冷正火 关键核心技术是锻件锻后终冷温度的控制，锻件温度应在9 2 0～9 8 0℃之间，温度如果过高，锻件晶粒容易粗化；温度过低，容易产生过共析铁素体析出。锻后应迅速进行控速冷却，在冷却介质中的冷却时间需要严格控制，冷却参数需要通过试验来确定，否则，锻件的力学性能会出现较大的波动，特别是低温冲击韧度波动性更大。

图8 Q345B钢锻件中不均匀的显微组织 500×

6. 结语

（1）Q34 5B钢环形锻件，经910℃正火加热保温后，再装入专设的冷却装置上进行喷雾控制冷却，锻件在这种状态下，轴向和径向的力学性能能够满足技术条件的要求。

（2）Q34 5B钢环形锻件，经过910℃控冷正火+600℃高温回火后，锻件的轴向和径向力学性能不但能满足技术条件要求，而且强韧性匹配非常优良，锻件质量稳定。

（3）Q34 5 B钢锻件利用锻后余热进行性能热处理，是我们需要研究应用的实用工艺技术，它可以节能降耗，缩短工艺周期，降低产品成本。此项技术存在的主要问题是锻后余热及控冷技术的应用和掌握，如何使锻件的力学性能稳定在一定的水平上。通过我公司工艺试验结果来看，锻后余热控冷正火+高温回火工艺比较容易掌握和实施。

表7 Q345B钢锻件拉伸试样断口有白斑缺陷的力学性能

表8 Q345B钢锻件低温缺口冲击吸收能量低