4130合金结构钢调质热处理工艺浅析

文/唐军，祁易·中车资阳机车有限公司

阀体作为我公司新领域开发的新产品，有着广泛的市场前景和潜力，4130是ASTM A29标准一种合金结构钢牌号，广泛应用于制造石油阀体。阀体作为油田、油井、天然气井系统中的一个重要零部件，与阀芯以及阀座密封圈一起形成密封后能够有效承受介质的压力，同时阀体需适应高寒高海拔地区环境条件，具有耐寒、耐高压、抗冻裂实用目的。根据压力等级不同，阀体有较高低温冲击性能要求，所以需要有良好的综合机械性能，调质处理是获得优良综合机械性能的最佳热处理途径。本文针对4130材料特性，采用新的合金元素配比，经过调质热处理，提高材料淬透性，细化晶粒方式的工艺开发过程进行了阐述。

4130材料主要参数及技术要求

⑴4130材料化学成分如表1所示。

⑵4130材料热处理机械性能要求如表2所示。

4130材料工艺分析

4130是ASTM A29标准一种合金结构钢牌号，根据化学成分进行对比，类似国内材料牌号30CrMo，由于机械性能中要求进行低温冲击(-46℃)试验，必须对4130材料合金元素配比进行调整，以提高材料淬透性，通过细化晶粒，以改善该材料韧脆转变温度。

在温度低于一个特定温度的时候，材料冲击功会显著降低而呈现从韧性转变为脆性，这一温度即为冷脆转变温度，实际上就是韧脆转变温度，韧脆转变温度越低，说明钢材的抵抗冷脆性能越高，高韧性的材料不容易发生冷脆，反之就容易发生。采用V形缺口试样,通过系列温度的冲击试验，以冲击吸收功、纤维断面率的变化对4130材料的韧脆转变温度进行了测定，试验结果表明，4130材料韧脆转变温度为-40℃至-60℃之间。如果不对材料化学成分进行重新设计，-46℃低温冲击性能无法达到技术要求。

表1 4130材料主要化学成分（%）

表2 4130材料热处理后机械性能

4130材料热处理工艺方案

4130材料化学成分设计

对4130材料化学成分进行分析，4130材料是合金结构钢，要达到-46℃低温冲击性能要求，需对该材料化学成分中合金元素及其他元素含量进行重新规定，主要从降低材料韧脆转变温度和细化晶粒入手，进行化学成分设计。

元素P能提高钢的强度，但使其塑性和韧性降低，特别是它使钢的韧脆转变温度急剧升高，即提高了钢的低温脆性。元素Ni能细化钢晶粒，增进钢的硬化性能，同时提高钢的塑韧性，特别是低温韧性。因此通过调整4130材料化学成分P和Ni的含量，来达到改善材料韧脆转变温度的目的，因此在满足4130材料原有化学成分基础上，对P和Ni进行重新规定，具体化学成分设计见表3。

4130材料热处理工艺试制方案

4130材料热处理试制，首先采用重新化学成分设计后的原材料，经过锻造成规格100mm×200mm共4件QTC试块进行调质热处理，按照ASTM-A370标准检测QTC试块性能，QTC试块性能合格后，再进行阀体实物热处理，进行实物解剖性能验证。

4130材料热处理工艺试制

QTC试块热处理工艺

4130材料属于亚共析钢，临界温度Ac3为810℃，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3+(30～ 70)℃，QTC试块淬火采用水冷，淬火前介质温度≤39℃，提高材料淬透性，综合考虑后，确定工艺为：淬火温度为860～880℃，保温时间为1.5～2h，水冷淬火。图1所示回火温度选择650～680℃，回火时间的选择不但要保证透烧使其组织转变得以充分进行，同时要尽量消除残余应力，回火时间定为2～2.5h，回火后采用水冷，避免产生二类回火脆性。

图1 QTC试块调质热处理工艺曲线

QTC试块取样位置如图2所示，按照ASTMA370标准检测加工拉伸试棒及冲击试样进行性能试验，试验数据见表4。

QTC试块试验结果分析

对4件QTC试块取样性能试验数据进行分析，各项性能指标均满足技术要求，尤其是-46℃低温冲击数据远高于技术要求，同时抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率具有较好的配比，晶粒度均在7.0级以上。由此可见，对4130材料化学成分进行重新设计，有效提高了4130材料的淬透性，通过调质热处理，使晶粒得到细化，达到预期效果。

图2 QTC试块性能试样取样位置

表3 4130材料化学成分设计（%）

表4 QTC试块性能数据

4130材料阀体实物热处理验证

根据4件QTC试块性能试验数据结果，决定对采用4130材料锻造生产的一种阀体实物进行调质热处理，并按用户本体解剖试验大纲要求取样进行性能试验，进行实物验证。

图3所示阀体锻件重约300kg，最大截面处尺寸300mm，淬火加热装炉采用料筐装炉，淬火前启动循环冷却搅拌系统，淬火前介质温度≤39℃，使阀体淬火具有良好淬火效果，并淬火均匀。综合考虑后，确定工艺参数为：淬火加热温度为880℃，保温时间为5～5.5h，水冷淬火。

阀体淬火后采用的高温回火，温度控制在650～680℃（图4），回火后具有优良的综合机械性能，同时要尽量消除残余应力，因此回火时间不宜过短。但从经济角度和组织变化等方面分析，时间也不必过长，综合考虑，回火时间定为6～6.5h，回火后采用水冷，避免产生二类回火脆性。

阀体热处理完成后，从最大截面处取试片，按用户本体解剖试验大纲进行性能试棒加工，并进行性能试验，具体取样见图5，本体解剖试验数据见表5。

图3 4130材料锻造的阀体锻件

图4 热处理工艺曲线

图5 样本尺寸图

表5 阀体本体解剖试验性能数据

4130材料阀体实物试验数据分析

阀体实物解剖取样位置在该阀体最大截面处，因此实物解剖取样是从锻件心部取样，各取样位置性能数据均达到技术要求值，强度指标中屈服强度偏低，但-46℃低温冲击值高于技术协议要求规定值。其中6-1和7-1是与金属纤维方向垂直的横向冲击值，尤其7-1是心部位置的横向低温冲击值，也达到了技术要求规定值，从总体各位置性能数据看，阀体综合机械性能较好，-46℃低温冲击值富余量较大，批量热处理适当降低回火温度可有效提高强试指标。

对实物取样进行金相组织检验，金相组织为正常回火索氏体如图6所示，回火后晶粒细小，依据GB/T6394《金属平均晶粒度测定方法》，晶粒度可评为7.5级如图7所示。

结束语

⑴4130材料通过对化学成分进行重新设计，规定合金元素Ni含量及其他元素磷含量，以提高材料淬透性，细化晶粒度，改善材料韧脆转变温度，大幅提高了-46℃低温冲击值。

图6 金相组织500×

图7 晶粒度100×

⑵4130材料通过对QTC试块，阀体实物调质热处理工艺验证，机械性能试验均达到技术要求规定值，综合性能良好，有效提高低温冲击韧性值。试验数据证明，对4130材料进行化学成分设计，是提高其低温冲击值最有效，最经济的解决方案。