两次淬火对抗拉强度大于 1100MPa 的钢瓶冲击韧性的影响

0 引言

随着国外尤其是欧洲消防技术的进一步发展 30MPa 轻质高压产品凭借灭火效率高、占用空间少，重量轻便于运输等优点，逐渐成为欧洲消防市场的主流高端产品，这种高压气瓶的设计壁厚比使用一般材料制造的高压气瓶大大减薄，这样不仅实现了高压气瓶的轻量化，对材料性能要求较高，因此工作压力30MPa 的高压气瓶已经成为市场发展趋势，目前，34CrMo4 合金结构钢主要用于欧盟市场，本实验解决了管制瓶低温冲击性能低部分不满足产品标准的难题，填补了国内制造高压轻质管制瓶的空白。主要通过两次淬火对抗拉强度大于 1100MPa 的 34CrMo4 材料钢瓶冲击韧性的影响研究后，综合分析其组织和力学性能，从而确定最佳热处理工艺。

1 试验材料

根据ISO 9809-2 标准要求，工作压力30MPa 高压气瓶需要使用抗拉强度≥1100MPa的高强度、高塑韧性 Cr-Mo 钢 ，试验用钢瓶采用设计工作压力 30MP 高压气瓶 ф267mm（外直径 （最小设计壁厚）容积选用 80L，本实验使用 34CrMo4 高强度钢材料，使用 QSN750 光谱分析仪设备对 34CrMo4 钢化学元素分析如下： C：0.34% ，Si：0.24%，Mn;0.75% ， ， C1：r0.002% ， M₀：0.20% ， 1i：002%，Cu：0.002%，Al：0.033% ；

2 试验工艺

34CrMo4 钢化学成分与结构钢热处理技术手册 35Cr 钢接近，参考临界温度Acl=740^∘C ， Ac3=815^∘C ，奥氏体转化温度为 850^∘C^[1] 。工艺不涉及两相区淬火，采用Ac3 以上的温度，使材料奥氏体化，采用 850^∘C 以上的工艺。一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧度越高。对于原始组织为非平衡组织的钢，如果采用快速加热、短时保温的工艺方法，或者多次快速加热—冷却的方法，便可获得非常细小的奥氏体晶粒[2]。

多次快速加热—冷却的方法确定热处理研究方向，通过两次淬火方式进行试验分析。

淬火+回火常规热处理工艺（简称CQT）：34CrMo4 钢质无缝气瓶进入淬火炉中加热到 860℃并保温1 h 后油淬。冷却后，进入回火炉加热到550℃并保温 1.5 h 后空冷；

两次淬火+回火特殊热处理工艺（简称TQT）：34CrMo4 钢质无缝气瓶进入淬火炉中加热到 890℃并保温0.5 h 后油淬，再次进淬火炉中加热到860℃并保温 1 h 后油淬。冷却后，进入回火炉加热到550℃并保温 1.5 h 后空冷；

3 试验方法和结果分析

3.1 金相实验

为了验证两种热处理方法淬火形态的奥氏体组织和回火索氏体组织，将 34CrMo4验钢的淬火态试样按 GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》化学试剂与试样表面起化学溶解或电化学溶解的过程，以显示金属的显微组织[3]。原始奥氏体晶粒的形貌如图 1 所示。用等效面积法统计 500 个以上的晶粒以计算平均晶粒尺寸。结果表明，传统热处理工艺淬火后 34CrMo4 钢的平均晶粒尺寸为 15.3μm ，两次淬火处理后34CrMo4 钢的平均晶粒尺寸为 10.3μm ，表明原始奥氏体晶粒明显细化。按 GB/T13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》第四组评级图评定，1＼～3 级合格;脱碳层深度：外壁不应超过 0.3mm ;内壁不应超过 0.25mm^[4] 。回火索氏体的形貌如图 2所示，CQT 显微组织回火索氏体（ 500× ）1 级，脱碳层深度内脱碳层为 0.18mm ，外脱碳层为 0.21mm 。TQT显微组织回火索氏体（ 500×）1 级，脱碳层深度内脱碳层为 0.16mm ，外脱碳层为 0.20mm 。

3.2 力学性能试验

高压气瓶 Φ267mm （外直径） ）x7.5mm（ （最小设计壁厚）按照标准ISO9809-2 依据抗拉强度 ≥1100MPa ，屈服强度≥970MPa，延伸率 212% ，冲击试验温度- .50^∘C ，冲击韧性＞50J/cm² 为合格。分别对2 只钢瓶进行力学性能试验。材料拉伸试验方法按照IS0 6892-1标准进行拉伸试验。材料冲击试验方法按照IS0 148-1 标准进行冲击试验。取横向试样，试样尺寸 8.53×10mm×55mm ，试验温度- .50°C ，力学性能试验结果如表 1 所示。可以看出，与淬火+回火常规热处理工艺（CQT）相比，两次淬火+回火特殊热处理工艺（TQT）的力学性能屈服强度、抗拉强度延伸率等略有降低，冲击功提升 21J，冲击韧性提升26J/cm² 。冲击韧性明显高于 ISO9809-2 标准要求，解决了管制瓶低温冲击性能低部分不满足产品标准的难题。

4 结论

经研究两次淬火可细化原始奥氏体晶粒，奥氏体晶粒越细小。34CrMo4 材料钢经两次淬火+回火特殊热处理工艺抗拉强度大于 1100MPa 在不显著降低强度的条件下冲击韧度明显提高。34CrMo4 材料钢高压气瓶经两次淬火+回火热处理后，逐只进行无损探伤，瓶体无裂纹及裂纹性缺陷，金相检验其显微组织为回火索氏体，内脱碳层为0.16mm ，外脱碳层为 0.20mm ，无带状组织和魏氏组织。经小批量生产验证，气瓶的拉伸试验、冲击试验、硬度试验、冷弯试、疲劳、爆破验等都符合 ISO9809-2 标准要求，两次淬火+回火确定为正式热处理工艺。在大批量生产过程中将针对不同批次材料的化学成分变化，对热处理工艺进行调整，对影响热处理质量的因素做进一步探讨和改进。

参考文献：

[1]结构钢热处理技术数据手册/樊新民，黄洁雯编.-北京：机械工业出版社，2013.3.

[2]金属学与热处理/崔忠圻，覃耀春主编.-2 版.-北京：机械工业出版社，2007.5.

[3]GB/T 13298-2015，《金属显微组织检验方法》[S].

[4]GB/T13320-2007，《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》[S].

基金项目：国家市场监督管理总局科技计划项目（2023MK016）；国家市场监督管理总局技术保障专项项目（2023YJ31）