提高连杆螺钉冲击韧性的研究
1.问题的提出
我厂连杆螺钉采用18Cr2Ni4WA材料，其尺寸见图1。从2004年起，有几批连杆螺钉冲击韧度不合格。其中一批炉号为5-33，其化学成分见表1。采用的热处理工艺为：880℃×120min，0#柴油冷却；510℃×210min，空冷。其力学性能数据见表2。
而另有一批炉号为4-13，其化学成分见表1。采用的热处理工艺为：880℃×120min，0#柴油冷却；515℃×210min，空冷。其力学性能数据见表3。
从化学成分及热处理工艺分析看，热处理工艺变化很小，而两个锻造炉号的产品化学成分除磷含量差异较大外，其他差异均较小；但在热处理后的力学性能指标中，冲击韧度值相差很大。5-33锻造号的连杆螺钉全部不合格，其冲击韧度值比4-13连杆螺钉下降了50％。
2.原因分析
影响冲击韧度的因素主要有淬透性差、金相组织不合格、第二类回火脆性，以及杂质元素含量高形成第一类回火脆性等。18Cr2Ni4WA材料属于中合金高强度钢，其淬透性非常好，可达100mm以上，因此不存在金相组织不合格的问题。对于第二类回火脆性，我们采用回火后水冷与空冷的对比，发现冲击韧度变化不明显，第二类回火脆性不明显。因此杂质元素含量高就是一个重要原因，这些杂质元素形成了第一类回火脆性，但分析其中的铅、锑、锡、砷等四种杂质，其总量不超过0.1％，因而磷含量高也就是影响回火脆性的一个主要原因。这个原因在《金属的韧性与韧化》一书中也提到过，磷对回火脆性的影响远比其他杂质元素大。
由以上统计数据分析认为，磷含量较高对18Cr2Ni4WA材料的冲击韧度影响是造成5-33锻造号连杆螺钉热处理后力学性能全部不合格的原因。
由于冶炼的原因，有些18Cr2Ni4WA材料中的杂质磷没有被很好地控制在较好地控制在较低的水平，达到了0.02％及以上。加工成产品经加热时，磷化物作为一利，脆性夹杂物，易偏聚在奥氏体晶界，使晶界合力急剧降低，引起晶界脆化。当Wp≥0.02％时，冲击韧度大幅度降低，导致产品早期脆性断裂，共至发生事故。
3.试验方案
针对冲击韧度值不合格的5-33锻造炉号，我们制定了三个不同工艺方案。
方案A：亚温淬火工艺。通过亚温淬火将淬火温度降至760℃左右，这样可以在一定程度上使晶粒得到细化。根据有关资料介绍，亚温淬火可获得细小的铁素体，可在一定程度上提高冲击韧件；同时，由于晶粒的细化，晶粒数量变多，磷的夹杂物分布晶界的密度及数量相对减少，从而有利于冲击韧度的提高。
方案B：提高淬火温度工艺。在钢中，磷属于有害元素，有较强的固溶强化作用，一般伞部固溶于铁中，磷在使合金钢的强度有所提高的同时，也大幅度降低了钢的韧性；又由于磷合金结晶范围宽，磷具有严重的偏析倾向(晶界的磷含量可以达到晶内的17倍高)。因此，通过提高淬火温度，将晶界的磷溶入奥氏体中，使晶界的磷含量降低，这通过电子显微镜检测晶界的磷含量可以判断出来。热处理工艺为：910℃×150min油冷+510℃×240min空冷。
方案c：高温正火+高温淬火工艺。该工艺为950℃×4h正火+910℃×150min油冷+512℃×240min空冷。
从试验结果看，弧温淬火的确有一定效果，说明理论上是行得通的，但实际生产验证效果却较差，这可能与材料成分差异造成Ac3偏移，从而使其金相组织变化，造成实际生产时的炉温波动，以及实际淬火温度差异等原因有关。
4.试验结果
(1)亚温淬火试验 采用锻造炉号5-33的试样，进行亚温淬火。其力学性能试验结果见表4。
(2)提高淬火温度 对不合格的连杆螺钉提高其热处理的淬火温度，连杆螺钉的冲击韧性值得到大幅度的提高。其力学性能见表5。
(3)高温正火+高温淬火 对不合格的连杆螺钉进行高温正火+高温淬火热处理后，连杆螺钉的冲击韧度值得到显著提高。其力学性能见表6。
以上试验结果表明：提高淬火温度，可大幅度地提高连杆螺钉的冲击韧性值；增加高温正火后，可以让晶界的磷更多地溶入奥氏体，从而更加有效地降低回火索氏怵晶界的膦含量，冲击韧度值进一步得到提高。
5.金相分析
将高温正火+高温淬火工艺的产品进行晶粒度和金相组织分析，并与880℃淬火后的产品进行对比，两者的晶粒度均为7.5级；金相组织为正常的均匀回火索氏体(见图2、图3)。
6.结语
通过试验及生产验证表明：高温正火+高温淬火工艺办法可显著地提高Wp≥0.02％的连杆螺钉的冲击韧度值。
通过改进工艺，产品热处理后的一次性合格率显著提高，从而节约了大量的能源及其他消耗。采用950℃正火+910℃淬火+512℃回火这种工艺，我们共处理了10000多件连杆螺钉，全部合格，使得价值约80万元的产品免于报废。
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