輾環(huán)工藝參數(shù)對Q345E風(fēng)電法蘭帶狀組織的影響

楊仁杰　張秀芝　支晨琛(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

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輾環(huán)工藝參數(shù)對Q345E風(fēng)電法蘭帶狀組織的影響

楊仁杰張秀芝支晨琛
(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

張秀芝( 1973—)，博士，副教授，主要研究方向:大型鍛

造理論與新技術(shù)。

支晨琛( 1989—)，碩士研究生，材料學(xué)。

摘要:在終輾溫度范圍為800～920℃、芯輥進給速度為0．3 mm/s～1．0 mm/s工藝條件下對Q345E風(fēng)電法蘭輾環(huán)過程進行多組試驗，并應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察不同條件下的組織形態(tài)。研究表明，Q345E鍛坯在進行輾擴變形時，適當(dāng)降低終輾溫度利于帶狀組織的減弱，在終輾溫度為800℃時得到較為理想的金相組織。提高輾環(huán)機芯輥進給速度使鐵素體晶粒細化從而得到均勻組織。

關(guān)鍵詞:Q345E;帶狀組織;終輾溫度;芯輥進給速度

材料在澆鑄過程中由于選擇性結(jié)晶容易產(chǎn)生枝晶偏析［1］。Q345E系列鋼在熱加工時極易形成鐵素體-珠光體帶狀組織從而影響鋼材力學(xué)性能。帶狀組織作為一種缺陷存在于材料中，對產(chǎn)品力學(xué)性能有著極大的影響［2、3］。眾所周知，加快冷卻速度可抑制帶狀組織的產(chǎn)生。本文在冷卻條件一致的情況下，著重研究了輾環(huán)成形時不同輾環(huán)機芯輥進給速度和終輾溫度對帶狀組織的影響，分析了芯輥進給速度和終輾溫度與形成帶狀組織之間的聯(lián)系，為生產(chǎn)實踐中有效消除帶狀組織提供了有力的理論依據(jù)。

1　試驗材料及方法

試驗材料為鍛態(tài)Q345E連鑄板坯坯料，化學(xué)成分如表1所示。各合金元素含量均在標準要求范圍之內(nèi)。

Q345E連鑄板坯經(jīng)壓力機鍛造沖孔成形為外徑1 200 mm、內(nèi)徑350 mm、高350 mm的環(huán)形坯料，重新回爐加熱，經(jīng)輾環(huán)機輾擴成形為外徑4 000 mm、內(nèi)徑3 600 mm、高150 mm的風(fēng)電法蘭。

不同參數(shù)下的輾環(huán)試驗工藝如下:

( a)試樣以10℃/min加熱至1 250℃，保溫90 min，芯輥進給速度為0．7 mm/s，在成形終輾道次之前采用待溫的方式，使終輾溫度處于920℃、880℃、840℃和800℃四個溫度，然后以相同的冷卻方式空冷至室溫。

( b)試樣以10℃/min加熱至1 250℃，保溫90 min，芯輥進給速度分別為0．3 mm/s、0．5 mm/s、0．7 mm/s和1．0 mm/s，在成形終輾道次之前采用待溫方式，使終輾溫度處于840℃，以相同的冷卻方式空冷至室溫。

兩種工藝中都采用待溫來控制溫度，如圖1所示。

輾擴成形后，沿Q345E鋼成品風(fēng)電法蘭輾擴方向切取試樣(由于帶狀組織具有方向性)，并加

表1　Q345E試驗用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1　Chemical composition of Q345E experimental steel( mass fraction，%)

圖1　待溫成形示意圖Figure 1　Diagram of temperature waiting formation

工成為15 mm×15 mm×20 mm的金相試樣，將試樣機械拋光，并用4%硝酸酒精溶液腐蝕拋光面，應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察其組織形貌特征。

2　實驗結(jié)果及分析

2．1終輾溫度對帶狀組織的影響

在風(fēng)電法蘭輾擴過程中，控制終輾溫度被認為是對帶狀組織控制最為關(guān)鍵的參數(shù)之一。Q345E風(fēng)電法蘭輾擴成形按工藝a執(zhí)行，在不同的終輾溫度、但冷卻條件相同的情況下金相顯微組織如圖2所示。

由圖2可以看出，在相同的冷卻條件下，四個不同終輾溫度區(qū)間的組織中均出現(xiàn)帶狀組織，珠光體和鐵素體分別呈現(xiàn)帶狀而相間分布。根據(jù)GB/T 13299—1991評定，終輾溫度為800℃時帶狀組織級別相對較低，帶狀等級約為3級，鐵素體晶粒度為8級左右;終輾溫度為840℃時次之，帶狀等級約為3．5級，鐵素體晶粒度為7．8級左右;終輾溫度為880℃時，帶狀等級約為4級，鐵素體晶粒度為7．2級左右;而終輾溫度在920℃時帶狀組織較為嚴重，其帶狀等級約為5級，鐵素體晶粒度為6．8級左右。

風(fēng)電法蘭屬大型鍛件，如果不采取強制冷卻(風(fēng)冷或者噴霧冷卻)，由于其散熱較差，冷卻速度較慢，最后所形成的組織中，帶狀組織均較為嚴重。

綜上所述，關(guān)于Q345E鋼帶狀組織，終輾溫度和冷卻速度對其均有較大的影響。從試驗結(jié)果來看，適當(dāng)降低終輾溫度可抑制帶狀組織的產(chǎn)生，隨著終輾溫度的降低鐵素體晶粒尺寸也有所細化。隨變形溫度的升高，鐵素體晶粒有長大的趨勢，鐵素體、珠光體組織的均勻性變差，低溫沖擊

圖2　不同終輾溫度下獲得的金相組織Figure 2　 Metallographic structure obtained at different final rolling temperatures

韌性顯著降低［4］。

2．2芯輥進給速度對帶狀組織的影響

Q345E風(fēng)電法蘭輾擴成形按工藝b規(guī)定執(zhí)行，在相同終輾溫度和冷卻條件下不同的芯輥進給速度獲得的金相顯微組織如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著變形速率的提高，帶狀組織有逐漸減弱的趨勢［5、6］。在終輾溫度相同且

圖3　不同芯輥進給速度下獲得的金相組織Figure 3　 Metallurgraphic structures obtained at different feed speed of core roller

冷卻條件一致的前提下，四個不同的芯輥進給速度下最終得到的組織中均有帶狀組織的出現(xiàn)，珠光體和鐵素體分別呈現(xiàn)帶狀而相間分布。根據(jù)GB/T 13299—1991，當(dāng)芯輥進給速度為0．3 mm/s時帶狀組織級別較為嚴重，其帶狀等級約為4．5級，鐵素體晶粒度在6．8級左右;芯輥進給速度為0．5 mm/s時帶狀組織有所減輕，帶狀等級約為4級，鐵素體晶粒度為7．2級左右;芯輥進給速度為0．7 mm/s時帶狀組織等級約為3．5級，鐵素體晶粒度等級為7．5級左右;而隨著芯輥進給速度的增加，當(dāng)芯輥進給速度為1．0 mm/s時帶狀組織較輕，其帶狀等級約為3級，鐵素體晶粒進一步細化，晶粒度等級為7．7級左右。

由于此工藝下的成形后冷卻速度相同，因此不考慮冷卻速度對帶狀組織的影響。在最終變形量相同而芯輥進給速度不同的情況下，輾環(huán)機芯輥進給速度增加，單位時間內(nèi)材料的變形量增大［7］。隨著變形速率的增加，帶狀組織有逐漸減輕的趨勢且所得到的組織較為細小。這是因為在較大變形速率的情況下，組織在形變中儲存的能量也較大，在回復(fù)動態(tài)再結(jié)晶過程中使得先共析鐵素體形核率增加并且使先共析鐵素體加速析出，從而得到細化的組織。

2．3結(jié)果討論分析

2．3．1終輾溫度對帶狀組織的影響機制

根據(jù)GB/T 13299—1991的評定方法對帶狀組織評級和應(yīng)用直線截點法對鐵素體晶粒度評級。研究終輾溫度對帶狀組織等級和鐵素體晶粒度等級的影響，可得到如圖4所示規(guī)律。

圖4　帶狀組織等級與晶粒度等級變化趨勢Figure 4　 Variation trend of banded structure grade and grain size degree

觀察圖4( a)所示終輾溫度對帶狀組織的影響趨勢，當(dāng)終輾溫度適當(dāng)降低時，帶狀組織有減弱的趨勢，所獲得的平均鐵素體晶粒尺寸較小。文獻［8］描述了帶狀密度定量化的方法和帶狀密度與晶粒尺寸之間的關(guān)系，通過采用顯微視場里單位面積內(nèi)存在大于100 μm連續(xù)的珠光體帶累積總長，可作為評估帶狀程度的參數(shù)，稱為帶狀密度ρ。式中，F(xiàn)為顯微視場面積( mm2) ; li為單位視場內(nèi)長度≥100 μm的珠光體帶平均長度(μm) ; n為單位視場內(nèi)長度≥100 μm的珠光體條數(shù)。

按公式( 1)定義，帶狀密度ρ的值越大，則帶狀程度越嚴重。

帶狀密度和晶粒尺寸之間的關(guān)系，用下列相對晶粒尺寸來分析鐵素體平均晶粒尺寸、帶狀組織帶間距與終輾溫度之間的關(guān)系。式中，d為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體后的平均晶粒尺寸(μm) ; S為鐵素體帶和珠光體帶帶間距(μm)。δd與S之間的關(guān)系可以分為3種情況: d = S，d≤S和d≥S。

根據(jù)實驗結(jié)果觀察分析，鐵素體晶粒度均遠小于鐵素體-珠光體帶間距，所得實驗結(jié)果符合d≤S的情況。當(dāng)d≤S時，同樣由于兩溶質(zhì)區(qū)Ar3溫度差，先共析鐵素體最先在貧溶質(zhì)區(qū)Ar3溫度較高的中心區(qū)域形核。但當(dāng)終輾溫度較低時，在中心區(qū)域晶粒還未長大時，在貧溶質(zhì)區(qū)中心區(qū)域的周圍鐵素體亦開始形核，鐵素體形核后在一定程度上隔斷了碳在奧氏體中擴散，并且相變后的鐵素體晶間會吸附一定量的碳元素，從而降低碳在富溶質(zhì)區(qū)域的富集，使得帶狀程度有所減輕。

而當(dāng)d = S時，最容易有帶狀組織生成，當(dāng)處于轉(zhuǎn)變過程中時殘存在奧氏體中的過飽和碳原子正好擴散至富溶質(zhì)區(qū)，使得該處碳原子富集，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。當(dāng)d≥S時，正好與d≤S情況相反，較高的終輾溫度使得帶狀組織程度減弱。

終輾溫度對鐵素體晶粒度有較大的影響。隨著終輾溫度的降低，過冷度加大，使得鐵素體相變過程中形核驅(qū)動力加大［9］。根據(jù)吉布斯自由能定理［10］:

推導(dǎo)可得:式中，ΔG為單位體積自由能;σ為表面能; r為晶胚半徑; Tm為平衡結(jié)晶溫度; Lm為熔化潛熱;ΔT為過冷度。

可以得到晶胚半徑和和過冷度的關(guān)系:

可見晶胚半徑和過冷度關(guān)系成反比，降低終輾溫度、加大過冷度可使鐵素體形核能量增大，動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶使鐵素體較早和大量的析出，從而得到細小的鐵素體-珠光體組織。根據(jù)實驗結(jié)果(圖2)，所得到的鐵素體晶粒度隨終輾溫度的降低而有所細化，符合上述分析。

2．3．2輾環(huán)機芯輥進給速度對帶狀組織的影響機制

輾環(huán)機芯輥進給速度的不同意味著在輾環(huán)變形過程中單位時間內(nèi)的變形量也有所不同。結(jié)合圖3實驗結(jié)果所示，增大輾環(huán)機芯輥進給速度使輾環(huán)道次降低，其余實驗條件不變的情況下，可以使得帶狀組織減輕和使鐵素體晶粒度細化?？煞譃橐韵聨c:

( 1)鍛坯在奧氏體溫度區(qū)域輾擴時，奧氏體晶粒由于多道次成形而被逐步壓扁、拉長，大量高位錯密度的變形帶將出現(xiàn)在奧氏體晶粒內(nèi)部。輾環(huán)機芯輥進給速度的提高須增加輾環(huán)機自身的軋制力，軋制力的提高使得奧氏體畸變能增加，畸變能的增加將促使奧氏體提前產(chǎn)生相變，從而使先共析鐵素體形核［11］。而富溶質(zhì)區(qū)由于合金元素較多而使其區(qū)域的變形帶密度和畸變能高于貧溶質(zhì)區(qū)域，也就是從另一方面提升了Q345E鋼Ar3溫度，并且富溶質(zhì)區(qū)比貧溶質(zhì)區(qū)Ar3溫度提升較多，也就使得貧、富溶質(zhì)區(qū)Ar3溫度差減小，所以提高輾環(huán)機芯輥進給速度起到減弱或抑制生成帶狀組織的作用。

( 2)材料輾擴變形時，奧氏體晶粒被壓扁、拉長，在奧氏體晶粒內(nèi)形成了形變帶，使Nb、Ti和碳氮化合物等應(yīng)變誘導(dǎo)析出［12］。提高輾環(huán)機芯輥進給速度，增加單位時間內(nèi)材料的變形量，也就同時加大奧氏體形變量，使被拉長的奧氏體內(nèi)部變形帶密度增大，隨著第二相粒子的析出從而使得奧氏體相變?yōu)殍F素體的形核率和形核點均有所增多，從而使輾環(huán)成形后鐵素體晶粒細化并且使鐵素體-珠光體組織分布更為均勻。

3　結(jié)論

( 1) Q345E鍛坯在進行輾擴變形時，適當(dāng)降低終輾溫度，變形過程中存儲的能量會有所增加而提升鐵素體形核率，使得帶狀組織有所減弱。在終輾溫度為800℃左右時得到較為理想的金相組織。

( 2)提高輾環(huán)機芯輥進給速度，使奧氏體的變形密度增大。由于富溶質(zhì)區(qū)的合金元素誘導(dǎo)析出，使鐵素體的形核點增多，形核率提高，最終使鐵素體晶粒細化并且使得組織分布更加均勻。

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編輯杜青泉

Influence of Ring Rolling Technological Parameter on Banded Structure of Q345E Flange Used for Wind Power

Yang Renjie，Zhang Xiuzhi，Zhi Chenchen

Abstract:Under the technological conditions of 800～920℃final rolling temperature and 0．3 mm/s～1．0 mm/s feed speed of core roller，the multiple tests for ring rolling process of Q345E flange have been performed．Meanwhile，the morphology of microstructures of different conditions have been observed by adopting the optical microscope．It shows that during rolling deformation process，properly reducing the final rolling temperature for Q345E forging stock can be good for weakening of banded structure．When the final rolling temperature is 800℃，the comparatively ideal metallographic structure could be obtained．By increasing the feed speed of core roller of ring rolling machine，the ferrite grain size could be refined to obtain the uniform microstructure．

Key words:Q345E; banded structure; final rolling temperature; feed speed of core roller

文獻標志碼:B

中圖分類號:TG113．1

作者簡介:楊仁杰( 1987—)，碩士研究生，材料加工工程。

收稿日期:2015—03—25