船用轴系碳锰钢由于材料简单、价格低廉等因素在船用轴系用钢中占据很大比例,此类锻钢的交货条件通常为锻后正回火处理后交货,而力学性能中的韧性指标往往达不到船级社的要求。

影响锻件冲击韧性的原因主要有钢水纯净度、含碳量、晶粒度、固溶元素、回火脆性即杂质元素的偏聚析出等,从影响锻件冲击性能的几个方面来分析,应从以下几个角度对钢的化学成分进行优化并对其热处理工艺进行改进。

1)降低锻件含C量,增加Mn含量。一般认为C含量高,能提高淬透性,但因渗碳体增多,P片层内渗碳体宽厚而增加基体脆性,提高了韧脆转变温度。降低C含量,可以通过提高Mn的含量部分补偿锻件的强度,Mn含量提高的同时能增加A稳定性,增加淬透性,另钢中含1%～1.5%Mn可促使F在变形时发生交滑移,使{112}、<111>滑移系在低温下仍起作用,从而改善钢的冲击性能,降低韧脆转变温度。

2)添加适当的细化晶粒元素Nb、Al。晶粒的细化,加大了晶界总面积,使晶界杂质浓度降低,避免产生沿晶脆性断裂,同时增大裂纹扩展功,从而提高韧性。最终热处理后的晶粒度主要由加热形成A时的晶粒度来决定,A晶粒的大小将影响F的尺寸及P团的大小,最终影响钢的强韧性。钢在加热A化时,A的晶粒长大主要依靠晶界的移动进行的,其驱动力是晶界两侧晶粒表面自有能差。凡能影响这两者的因素都可以改变A晶粒长大的进程,钢中促进晶粒长大的元素有C、P、Mn(高碳时),C元素促使晶粒长大的主要原因是降低晶界Fe原子的扩散激活能,降低Fe原子间的结合力,加速A晶粒的长大。强烈阻止A晶粒长大的元素有Al、Nb、V、Ti等元素,故在成分上增加Nb、Al,用来细化晶粒,Nb的作用尤其给与关注。关于用Nb微合金化结构钢,从而大幅度提高钢的强韧性,国内外学者已有大量研究及报道,取得了良好的效果。钢中的Nb在锻造热加工过程中一部分形成铌的碳化物,一部分固溶于钢中,未溶的弥散分布于晶界、位错线附近的NbC,在高温锻造的过程中对A再结晶有强烈拖拽作用,抑制A的再结晶,从而细化F晶粒和P团的尺寸。

3)热处理工艺上增加一次高温正火,调整晶粒度。温度选择在900～910℃,此温度能使化学成分均匀,同时Nb所形成的碳、氮化合物部分溶于A,剩余碳、氮化物在冷却时作为弥散结晶核心,有利于进一步细化F晶粒及P组织。二次正火工艺不变,选择840～850℃,鼓风冷却至约500℃,抑制先共析F析出。回火后直接空冷,尽量抑制第二类回火脆性,约400℃时再回炉冷却,减小残余热应力及防止白点的生成,低于300℃后出炉空冷。