船舶用5NiCrMoV 钢锻件热处理工艺研究

王志远 刘丝嘉 李政军

（烟台台海玛努尔核电设备有限公司，烟台 264000）

NiCrMoV 系列高强钢是我国常用的船舶结构用低合金高强度钢，具有强度高、低温韧性优、焊接性良好等优点。目前，我国已完成特厚钢板的研究与工业化[1]，船体结构制造以钢板为主，但对于船舶的异型或大壁厚结构部件，钢板具有较多的局限性，无法满足实际使用需求。基于此，开展5NiCrMoV 钢锻件的生产研究。5NiCrMoV 高强钢的碳质量分数不高于0.11%，最大设计壁厚为120 mm，屈服强度为785 ～925 MPa。以5NiCrMoV 钢锻件为研究对象，通过设定不同的回火温度，分析锻件的力学性能与金相组织，探讨120 mm 壁厚锻件的合理热处理工艺。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

为使本研究的试验数据更贴合工业化生产，试验采用“电弧炉+精炼脱气”冶炼钢水，随后进行电渣重熔，电渣锭中C 的质量分数为0.09%、Ni 的质量分数为4.8%、Cr 的质量分数为0.6%、Mo 的质量分数为0.5%。采用锻压机对电渣锭进行开坯锻造，采用数控立车对锻件进行机加工，获得环状试验用锻件，内径为2 800 mm、高度为1 000 mm、壁厚为120 mm。

锻件热处理工艺为淬火+高温回火。在锻件上取若干个直径为3 mm、高度为10 mm 的标准膨胀试样，用Gleeble 膨胀仪测得锻造5NiCrMoV 钢的加热相变点Ac1 为636 ℃，加热转变终了温度Ac3 为806 ℃。本研究以此数据为基础，确定试验材料的热处理工艺与锻件试板的获取方法。

将环状锻件整环淬火后，875 ℃温度下保温5 h，水冷，入水转运时间不大于2.5 min，淬火水容量与锻件质量比值大于10。在环状锻件上分切4 块弧长为1 000 mm、高度为1 000 mm、壁厚为120 mm 的试板，分别进行600 ℃、620 ℃、640 ℃、660 ℃高温回火，保温10 h，空冷至室温。淬火与回火热处理均选用电阻炉，温控精度为±5 ℃。

1.2 试验方法

高温回火后，对4 块试板进行解剖取样，每块试板壁厚区分内表面、内表面T/4（T为试板壁厚，即距内表面30mm 处）、心部、外表面T/4、外表面共5 层，逐层取样。每层壁厚位置均按《金属材料 室温拉伸试验方法》（GB/T 228.1—2010）加工R4 型拉伸试样，采用美特斯CMT5205 电子万能试验机进行室温拉伸试验，记录材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率。按《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》（GB/T 229—2007）加工10 mm×10 mm×55 mm尺寸V 形缺口试样，采用美特斯ZBC2302 摆锤冲击试验机进行-20 ℃与-84 ℃低温冲击试验，记录材料的冲击能量值、断面率。按《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》（GB/T 6803—2008）加工P-3 型试样，采用JL-3000 型号落锤试验机进行试验，测定材料断裂时的最高温度。按《金属平均晶粒度测定方法》（GB/T 6394—2017）与《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》（GBT 226—2015），采用奥林巴斯BX51M 金相显微镜进行晶粒度评级与金相组织观察。

2 结果与分析

2.1 室温拉伸性能

不同回火温度试板室温拉伸性能结果见表1。5NiCrMoV钢室温拉伸指标值为屈服强度785～925 MPa、断后伸长率≥15 %、断面收缩率≥50 %。由检测结果可知：试板的屈服强度与抗拉强度均随回火温度的升高而降低，且温度越高屈服强度下降幅度越大；沿壁厚方向，心部的强度略低于内外表面。将不同回火温度试板的拉伸性能与指标值范围相对比，600 ℃试板屈服强度处于指标值上限，640 ℃与660 ℃试板屈服强度低于指标下限，620 ℃试板屈服强度处于指标值中限，最大值为880 MPa，最小值为839 MPa，满足指标值要求。在本研究的后序试验中，重点关注620 ℃试板各项性能指标。

表1 试板的室温拉伸性能

不同回火温度试板的断后伸长率与断面收缩率均可满足指标值要求，且随着回火温度升高，数值均略有升高，640 ℃回火达到最大值，在660 ℃回火时略有下降，说明此温度下材料的强度与韧性均下降。试板的断后伸长率与断面收缩率，壁厚的表面与心部无明显变化规律。

2.2 低温冲击性能

不同回火温度试板的低温冲击试验结果见表2。5NiCrMoV 钢低温冲击指标值为-20 ℃冲击能量值≥80 J、-20 ℃冲击断面率≥90 %、-84 ℃冲击能量值≥47 J。由表2 可知，试板在-20 ℃与-84 ℃进行低温冲击，能量值与断面率均随回火温度的升高而升高，640 ℃时达到最大值，在660 ℃时出现下限趋势，这与室温拉伸性能中断后伸长率与断面收缩率的变化趋势一致。沿壁厚方向，试板心部的低温韧性优于内外表面。将不同回火温度试板的低温冲击性能与指标值范围相对比，600 ℃试板在-20 ℃低温冲击断面率低于指标值、-84 ℃低温冲击能量值处于指标下限，其他试板低温冲击性能均满足指标值。

表2 试板的低温冲击性能

620 ℃试板的-20 ℃低温冲击试验中，能量最小值为229 J，是指标下限值（80 J）的2.9 倍，断面率为100%。-84 ℃低温冲击试验中，能量最小值为126 J，是指标下限值（47 J）的2.7 倍，断面率均值66%。试板在620 ℃回火时，表现出了良好的低温韧性，且储备量大，可保证锻件在低温下的使用安全。

2.3 落锤试验

由落锤试验测定的无塑性转变温度（Nil-Ductility Transition Temperature，NDTT）是广泛应用的一种动态转变温度指标，是表征材料抗冷脆性能的重要参量[2]。不同回火温度试板的落锤试验结果见表3。620 ℃试板的心部与表面NDTT 均低于-100 ℃，满足指标值要求（低于-70 ℃），表明试板低温下抗脆性断裂能力良好。

表3 试板落锤试验测定的NDTT 结果 单位：℃

2.4 晶粒度检测

试板的晶粒度检测结果见表4。由表4 可知，试板的晶粒度均匀性良好，晶粒度处于6.5 ～7.3，表面与心部的晶粒度无明显差异，回火温度对晶粒度无明显影响。

表4 试板的晶粒度检测结果

2.5 金相组织观察

不同回火温度试板外表面与心部的金相组织观察结果如图1 所示。试板的外表面为回火马氏体组织，心部为回火马氏体并含有少量粒状贝氏体。

图1 试板的金相组织观察

材料的含碳量仅为0.09%，过冷奥氏体的稳定性较低，需要更快的冷却速度才可得到马氏体组织，因此在淬火热处理中对入水转运时间、淬火水容量与锻件的质量比值做出要求。锻件在淬火过程中，内外表面快速冷却，形成板条马氏体，使材料具有优良的强韧性。心部冷却速度稍慢，首先在过冷奥氏体晶内或晶界上形成少量的粒状贝氏体，然后发生马氏体转变，形成板条马氏体与粒状贝氏体组织。与马氏体相比，粒状贝氏体强度略低，但其弥散于马氏体中，可以起到复相强化的作用，而且粒状贝氏体对奥氏体的分割作用又造成马氏体的晶粒细化[3]。这种低碳板条马氏体与贝氏体结合组织的韧性将优于单一马氏体组织，但对强度影响不大[4]，因此材料的心部与表面一样具有较好的强韧性匹配，尤其对于低温韧性具有不错的表现。

在回火过程中，随着温度升高，位错发生迁移与合并，使其钉扎效果减弱，材料强度出现下降。另外，随着温度升高，超过铁素体固溶度的碳以碳化物形式析出、球化、聚集长大，也会影响材料的拉伸性能[5]。

观察金相组织可知，600 ℃试板的组织表现为明显的板条状结构，其间有析出的碳化物，材料表现为高强度、低韧性。620 ℃试板的组织保留马氏体板条结构，碳化物在晶粒内部与晶界上开始呈现球化现象，出现弥散的小颗粒碳化物，对材料低温韧性有较大贡献，材料强韧性匹配良好。640 ℃试板已接近材料的Ac1 温度，出现大量球化碳化物并聚集长大，进一步提高了材料的低温韧性，但材料强度明显降低。660 ℃试板马氏体的板条状结构消失，基体中的碳化物开始溶解并减少，存在的碳化物尺寸较大，此种组织表现为材料的强度大幅下降，且韧性开始下降。

3 结语

采用电渣重熔+锻造成型方式制造的120 mm 壁厚5NiCrMoV 钢锻件，调质热处理工艺：淬火温度875 ℃±5 ℃，快速水冷；回火温度620 ℃±5 ℃，空冷至室温。此工艺处理的120 mm 壁厚锻件试板，其拉伸强度与低温韧性匹配良好，且低温韧性储备量大，可满足5NiCrMoV 钢力学性能指标要求。锻件通过调质后，晶粒度均匀，表面为回火马氏体组织，心部含有少量粒状贝氏体组织。