混晶及晶粒粗大工藝攻關(guān)

馬玉東　馬亮

摘 要：晶粒度是表示金屬材料晶粒度大小的程度。一般情況下，晶粒細化可以提高金屬材料的屈服點、疲勞強度、塑性和沖擊韌度，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。

關(guān)鍵詞：晶粒大?。还に嚬リP(guān)；變形程度

中圖分類號：TG379 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0059-02

1 影響晶粒大小的主要因素

①加熱溫度。加熱溫度越高，保溫時間越長，晶粒長大的傾向越大。

②機械阻礙物。一般來說，金屬的晶粒隨著溫度的升高不斷長大，幾乎成正比關(guān)系。但是，也不完全如此，有時候加熱到較高溫度時，晶粒仍很細小，可以說沒有長大，而當溫度再升高一些時，晶粒突然長大。并且有些材料，隨加熱溫度升高，晶粒分階段突然長大。一般稱前一種長大方式為正常長大，后一種為異常長大。金屬異常長大的原因是金屬材料中存在機械阻礙物，對晶界有釘札作用，阻止晶界的遷移。

③變形程度和變形速度。變形程度對晶粒大小的影響的規(guī)律總的來說，隨著變形程度從小到大，晶粒尺寸由大變小，但是晶粒大小有兩個峰值，即出現(xiàn)兩個大晶粒區(qū)，第一個大晶粒區(qū)叫做臨界變形區(qū)。不同材料和不同變形溫度時，臨界變形程度的大小不一樣，臨界變形區(qū)是一個小變形量范圍。在某些情況下，當變形量足夠大時，可能出現(xiàn)第二個大晶粒區(qū)。

④固溶處理前的組織情況。固溶處理后的晶粒大小除了受固溶溫度和機械阻礙物的影響外，受固溶加熱前的組織情況影響很大。如果鍛后是未再結(jié)晶組織，而且處于臨界變形程度時，固溶處理后將形成粗大晶粒；如果鍛后是完全再結(jié)晶組織，固溶處理后一般可以獲得細小而均勻的晶粒；如果鍛后是不完全再結(jié)晶組織，即半熱變形混合組織，固溶加熱時，由于各處形核的時間先后、數(shù)量多少和長大條件等不一樣，固溶處理后晶粒大小將是不均勻的。

⑤原始晶粒度。按傳統(tǒng)觀念，鋼在加熱至正火溫度時即發(fā)生相變和重結(jié)晶，使粗大晶粒得到細化。但是有些鋼種（主要是馬氏體鋼和貝氏體鋼）過熱后形成的粗晶，經(jīng)正火后仍為粗大晶粒。這種部分或全部由原粗大奧氏體晶粒復(fù)原的現(xiàn)象稱為晶粒遺傳。

2 主要開發(fā)研究內(nèi)容及目標

晶粒度對產(chǎn)品的屈服點、疲勞強度、塑性、沖擊韌度及脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，混晶及晶粒粗大一直是困擾鍛件生產(chǎn)的主要問題之一。

①主要攻關(guān)內(nèi)容。在實驗室對試棒進行試驗，得出消除混晶及晶粒粗大的工藝方案；將實驗結(jié)果應(yīng)用到產(chǎn)品并進行工藝優(yōu)化，最終制訂出切實可行的消除混晶及晶粒粗大的控制方案。

②目標。找出鍛件混晶及晶粒粗大的根源，使其出現(xiàn)的概率大大降低。

3 完成情況

根據(jù)產(chǎn)品狀況，本次研究以45和17 CrNiMo6結(jié)構(gòu)鋼為主要研究對象，45鋼代表合金化程度不高的結(jié)構(gòu)鋼，17 CrNiMo6代表合金化程度相對較高的鋼，來尋找如何解決產(chǎn)品產(chǎn)生混晶及晶粒粗大的問題。終鍛溫度過高、變性不均勻及變形量選擇不當?shù)榷伎赡茉斐?5鋼及17 CrNiMo6鋼產(chǎn)生混晶及晶粒粗大的問題。

為了尋找到解決45鋼和17 CrNiMo6混晶及晶粒粗大的問題，特別制作了材質(zhì)為45和17 CrNiMo6規(guī)格為Φ300×800的軸各一根，在進行熱處理前各取一個試樣進行成分和組織檢測，成分檢驗結(jié)果見表1，組織檢驗結(jié)果見表2。做完檢測的45和17 CrNiMo6軸一分為二，分別做正火（45鋼正火工藝見圖1；17 CrNiMo6正火工藝見圖2）和退火（45鋼退火工藝見圖3；17 CrNiMo6退火工藝見圖4）處理，正火、退火后檢測結(jié)果見表2。分析實驗結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，45鋼正火和退火均可以消除混晶及晶粒粗大問題，但對比退火來說，45鋼正火后組織更佳；而17 CrNiMo6正火后仍存在混晶及晶粒偏大問題，退火后消除了混晶及晶粒粗大問題，并且17 CrNiMo6退后后組織為鐵素體+珠光體，而正火后組織為粒狀貝氏體+少量鐵素體。45鋼采用正火，而17 CrNiMo6采用退火進行消除混晶及晶粒粗大問題，可以由鋼的加熱及冷卻理論予以解釋：

①對于發(fā)生相變重結(jié)晶的正火和退火，在加熱到AC3以上稍高溫度，由于奧氏體重新形核，保溫適當?shù)臅r間后，空冷或者爐冷，都會對鍛后混晶及晶粒粗大組織有一定的改善。

②對比45鋼正火與退火后的組織，雖然混晶與晶粒粗大都能得到消除，但正火相對于退火來說，晶粒更細，這是由于退火是在爐內(nèi)緩慢冷卻，在較高的溫度緩慢冷卻的過程中，晶粒仍有長大的趨勢，這種長大趨勢隨著鍛件截面的增大而增加，因為截面越大的鍛件在爐內(nèi)降溫越慢，所以對于較大尺寸的45鋼鍛件不宜采用退火來消除混晶及晶粒粗大，易采用較快的加熱速度與較快的冷卻速度的正火來消除。

③17 CrNiMo6正火后晶粒粗大雖有所改善，但混晶問題依然存在，分析其正火前后的組織不難發(fā)現(xiàn)，17 CrNiMo6正火后混晶及晶粒偏大是由于晶粒遺傳所致。晶粒遺傳多發(fā)生在馬氏體及貝氏體鋼中，對于組織中存在馬氏體或貝氏體組織的，也會產(chǎn)生組織遺傳現(xiàn)象。要想避免組織遺傳所導(dǎo)致的混晶及晶粒粗大問題，就必須打破熱處理過程中的組織遺傳現(xiàn)象，相對于正火來說，17 CrNiMo6退火后更容易得到鐵素體+珠光體的平衡組織，這樣就打破了由于貝氏體組織存在所造成的組織遺傳，這樣就能從根本上解決17 CrNiMo6混晶及晶粒粗大的問題。

綜上所述，解決混晶及晶粒粗大問題時，不能一概而論，應(yīng)該根據(jù)材料的化學成分及其組織而有所取舍，對于合金含量相對較少的45鋼，解決混晶及晶粒粗大優(yōu)先選擇正火，這樣既能達到目的，也能節(jié)約能源，縮短生產(chǎn)周期；對于合金含量相對較高的17 CrNiMo6，由于其鍛后冷卻過程中易產(chǎn)生不平衡的貝氏體組織，導(dǎo)致組織遺傳，所以采用退火消除組織遺傳，才能達到消除混晶及晶粒粗大的問題。

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