摘要:利用光学显微镜、扫描电镜等手段系统研究了AISI8630锻件不同热处理工艺对试验样品的力学性能和组织的影响，结果表明:水冷淬火后锻件心部获得完全马氏体或大部分马氏体组织，回火后获得索氏体组织，可以满足锻件的性能要求。分析影响材料力学性能的原因可能是碳化物的分布形态和形貌，可为实际产品制定热处理工艺提供参考数据。
关键词:AISI8630;低温冲击韧性;回火;碳化物
某公司在我厂订货的海工用钢AISI8630的强度和低温冲击韧性指标要求均较高，Rm≥1034MPa，Rp0.2≥896MPa，A为17%，Z为54%，-18℃KV2为27J，A和Z为参考指标。为此，我厂对材料的化学成分进行了优化设计，并进行系列试验，研究了不同热处理工艺参数对力学性能和组织的影响，为实际生产中制定合理的热处理工艺提供依据。
1实验材料
某厂订货的AISI8630锻件化学成分见表1所示。冶炼实验钢锭重量为40kg，采用真空电磁感应熔炼技术，冶炼和浇注等步骤均在真空范围内，锻造采用墩拔工艺方式，总锻比为5.4。
2冷却转变曲线及相变临界点的测定结果
用淬火相变仪测量了材料的相变点和冷却曲线，得到以下结果:
(1)AISI8630钢的Ac1为739℃，Ac3为823℃。
(2)TTT曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程。AISI8630过冷奥氏体在不同温度区间可发生三种不同的转变:高温转变区，即发生珠光体转变;中温转变区，即发生贝氏体转变;低温转变区，即发生马氏体转变。
(3)在CCT曲线中存在三个相变区间:冷却速度慢的“F+P”区、较慢冷速的“B”区、快速冷却的“M”区。
(4)AISI8630钢的Ms为365℃，获得完全马氏体的临界冷速为1200℃?min。
3不同热处理方案的力学性能和组织性能
在热处理炉中模拟不同淬火冷却方式、回火温度对材料力学性能和组织的影响。拉伸试样尺寸为?5mm的圆柱形试样，在室温下进行试验。冲击韧性试样尺寸为10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口试样，试验温度为-18℃。
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根据相变点测定结果Ac3为823℃，因此可选880℃为材料的淬火温度进行热处理模拟试验。
方案一:模拟锻件最大热处理有效壁厚115mm)的热处理过程，首先选用正火温度905℃，淬火温度880℃、淬火后空冷，回火温度为530℃，模拟热处理工艺如图1(a)所示。力学性能试验结果为:Rm为1067MPa，Rp0.2为898MPa，A为14.5%，Z为62%，-18℃KV2为15J。组织为回火贝氏体(粒状贝氏体+极少上贝氏体)，晶粒度为7.5级。材料的强度能满足技术要求，但是塑韧性指标均较低。
方案二:试样空冷冷速低于实际锻件心部冷速，故在工艺方案一基础上将试样进行吹风冷却以增加冷速，具体工艺如图1(b)所示。力学性能试验结果为:Rm为1052MPa，Rp0.2为907MPa，A为18%，Z为61%，-18℃KV2为7.4J。组织为回火贝氏体+回火索氏体(约35%)，晶粒度为7.5级。材料的强度和塑性指标能满足技术要求，但是韧性指标仍较低。
方案三:通过对小试样(15mm×15mm)在急速冷却条件下获得的组织和性能进行检验，判定此种化学成分的锻件满足技术要求的可能性，具体工艺如图1(c)所示。力学性能试验结果为:Rm为878MPa，Rp0.2为725MPa，A为20.3%，Z为70.9%，-18℃KV2为151J。组织为回火索氏体，晶粒度为6.5级。材料的塑韧性指标满足技术要求，但是强度指标较低。
方案四:在工艺方案三的基础上降低回火温度以得到高强度指标，验证在强度满足要求的前提下冲击韧性是否满足技术要求，具体工艺如图1(d)所示。
力学性能试验结果为:Rm为1035MPa，Rp0.2为965MPa，A为17%，Z为67%，-18℃KV2为51J。组织为回火索氏体，晶粒度为8.5级。材料的强度和塑韧性均满足技术要求。
方案五:在工艺方案四的基础上提高回火温度，分别为580℃、600℃、620℃，确定满足技术要求前提下的力学性能随回火温度的变化趋势。
通过表2数据可知:材料的强度随回火温度的提高而下降，当回火温度为580℃时可以满足技术要求，当回火温度提高到600～620℃时，强度较技术条件要求偏低。
为了更直观的再现不同热处理方案对材料性能的影响，绘制图2可知，随着回火温度的提高，材料的强度呈下降趋势，冲击韧性呈明显提高趋势，当回火温度为570～580℃时，强度和冲击韧性均可以满足技术要求。
4夹杂物及断口分析
热处理方案为880℃空冷+530℃回火、880℃快速空冷+530℃回火时，从得到的力学性能结果可看出，适当提高淬火冷速后力学性能没有得到提高，为此对880℃快速空冷+530℃回火的冲击残样进行夹杂物分析，进一步检验造成冲击韧性值没有提高的原因。
对比热处理方案880℃水冷+650℃回火、880℃水冷+570℃回火的力学性能结果得出，回火温度的降低对强度和韧性影响较明显，组织和晶粒度没有明显区别，对880℃水冷+570℃回火的冲击残样进行夹杂物检验分析，研究造成材料性能变化的原因。
通过夹杂物测定结果可以看出，A类、B类、DS类夹杂物为0级，C类、D类夹杂物为0～1级，夹杂物级别总体较低，不是造成低温冲击韧性不合的原因。
为进一步研究造成冲击值低的原因，对冲击断口进行了扫描电镜观察和能谱分析。
5TEM观察及碳化物形貌分析
图3方案二断口分析:整个断口几乎全部表现出准解理形貌，纤维区极小，样品冲击韧性较差，整体未见明显的冶金缺陷。
图4方案四断口分析:整个断口只有纤维区和剪切唇，纤维区均匀分布着数量较多且大而深的韧窝，样品有较大的侧膨胀，样品的冲击韧性较好。个别韧窝中有夹杂物，对其进行EDS检测，夹杂物为Al2O3，整体未见明显的冶金缺陷。
由此分析可知，冲击韧性低的原因不是由冶金缺陷等引起的，可能是碳化物的数量和形貌引起的，需进一步进行透射电镜分析。
6结论
AISI8630材料(截面厚度65～115mm)工件淬火组织模拟结果为水冷淬火心部可获得完全马氏体或大部分马氏体组织，回火后获得索氏体组织，结合热处理模拟试验，锻件可满足性能要求。
当回火温度为570～580℃时，材料综合力学性能可满足技术要求，为实际锻件生产制定热处理工艺提供了参考。
扫描电镜分析结果表明，造成材料冲击韧性低的原因不是由冶金缺陷引起的，可能是碳化物的数量和形貌引起的，因此需进一步进行透射电镜分析。——论文作者：贺欢于海涛
