改善D-SF690-I曲軸用鋼帶狀組織的熱處理工藝研究

趙　卓　王學(xué)璽　李守杰

(河南中原特鋼股份有限公司，河南459008)

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改善D-SF690-I曲軸用鋼帶狀組織的熱處理工藝研究

趙卓王學(xué)璽李守杰

(河南中原特鋼股份有限公司，河南459008)

摘要：介紹了D-SF690-I曲軸用鋼中帶狀組織形成的原因及其與熱處理的關(guān)系，結(jié)果表明，曲軸用鋼帶狀組織的產(chǎn)生及嚴(yán)重程度與鋼材奧氏體化后冷卻過(guò)程中的速度有密切關(guān)系，采用擴(kuò)散退火+正火+完全退火的熱處理工藝，可以減輕或避免曲軸用鋼帶狀組織。

關(guān)鍵詞：曲軸；帶狀組織；熱處理工藝

我公司為某公司生產(chǎn)的D-SF690-I曲軸用鋼，相當(dāng)于45鋼加Cr、Ni、Mo進(jìn)行微合金化，力學(xué)性能及組織較45鋼均有較大改善。曲軸產(chǎn)品對(duì)材料的均勻性及帶狀組織要求較高。在鍛后預(yù)備熱處理后出現(xiàn)較嚴(yán)重的帶狀組織，客戶(hù)要求帶狀組織級(jí)別≤2級(jí)，實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)帶狀組織3.0級(jí)，不能滿(mǎn)足客戶(hù)要求。針對(duì)此情況我們重新制定了鍛后熱處理工藝。

1工藝分析

本批D-SF690-I曲軸用鋼的冶鍛工藝為：電爐冶煉+LF精煉+油壓機(jī)精鍛機(jī)聯(lián)鍛成形+鍛后預(yù)備熱處理(860℃完全退火)。鍛后預(yù)備熱處理后檢測(cè)帶狀組織為3.0級(jí)，已嚴(yán)重影響到了材料的性能。帶狀組織作為鋼體中的一種缺陷，可以分為一次帶狀組織和二次帶狀組織。一次帶狀組織主要是鋼液在凝固過(guò)程中，鋼中各種元素的擴(kuò)散速度不同，碳元素容易擴(kuò)散，而其他合金元素不容易擴(kuò)散并很難均勻化，從而形成枝晶偏析。在鍛造過(guò)程中，枝晶和枝干被壓延而伸長(zhǎng)成纖維組織，呈現(xiàn)帶狀。二次帶狀組織主要是中、低碳合金鋼在奧氏體狀態(tài)緩慢冷卻經(jīng)過(guò)A3和A1的溫度范圍時(shí)，冷卻速度過(guò)慢，鋼中被拉長(zhǎng)了的各種非金屬夾雜物對(duì)鐵素體的析出起核心作用，形成鐵素體，鐵素體的形成促使碳向未轉(zhuǎn)變的區(qū)域擴(kuò)散至共析濃度后轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，結(jié)果形成了帶狀組織[1]。從D-SF690-I曲軸用鋼所執(zhí)行的冶鍛工藝可以看出，帶狀組織的產(chǎn)生主要存在于鍛造過(guò)程和預(yù)備熱處理過(guò)程中。

減輕或者消除帶狀組織的工藝方法主要有高溫?cái)U(kuò)散+正火、等溫正火、控制冷卻速度等。其中高溫?cái)U(kuò)散+正火熱處理工藝是消除帶狀組織最為常見(jiàn)的工藝方法，通過(guò)高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫，使鍛件中各合金元素?cái)U(kuò)散均勻，在隨后的冷卻再結(jié)晶過(guò)程中就不會(huì)形成鐵素體-珠光體帶狀組織。擴(kuò)散退火的溫度很高，通常在Ac3或Accm以上150～300℃[2]，碳鋼一般為1 100～1 200℃[2]。保溫時(shí)間按有效截面厚度每25 mm保溫30 min～60 min。此外還可視裝爐量大小而定。退火總時(shí)間可按τ=8.5+Q/4計(jì)算，其中Q是裝爐量(單位為t)。一般擴(kuò)散退火時(shí)間為10 h～15 h。同時(shí)由于擴(kuò)散退火需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱，因此奧氏體晶粒十分粗大，粗大的奧氏體組織經(jīng)過(guò)一次正火+完全退火，消除過(guò)熱缺陷，均勻組織、細(xì)化晶粒，同時(shí)獲得接近平衡狀態(tài)的預(yù)備組織。因此針對(duì)如何消除本批D-SF690-I曲軸用鋼的帶狀組織，我們選取了高溫?cái)U(kuò)散+正火+霧冷+完全退火熱處理方案進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1　熱處理工藝Figure 1　Heat treatment process

(a)返工前　　　　　(b)高溫?cái)U(kuò)散熱處理工藝后　(c)正火+完全退火熱處理工藝后

表1　檢測(cè)結(jié)果Table 1　Test results

2工藝試驗(yàn)

選取1支帶狀組織為3.0級(jí)的?260 mm規(guī)格的D-SF690-I曲軸用鋼，采取擴(kuò)散退火+正火+完全退火工藝進(jìn)行熱處理，工藝詳見(jiàn)圖1。

3顯微組織結(jié)果分析

在選取的試件a擴(kuò)散退火結(jié)束后，在本體上切取試片b。在正火+完全退火處理后，在工件本體切取試片c。將試片b、試片c制成金相試樣，用4%硝酸酒精腐蝕后，觀察金相組織及晶粒度。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。顯微組織圖片見(jiàn)圖2。

從表1可知，隨著高溫?cái)U(kuò)散熱處理工藝的執(zhí)行，帶狀組織由3級(jí)變?yōu)?.5級(jí)，晶粒度由4級(jí)變?yōu)?級(jí)。隨著正火+完全退火熱處理工藝的執(zhí)行，帶狀組織由1.5級(jí)變?yōu)?級(jí)，晶粒度得到進(jìn)一步細(xì)化，由6級(jí)變?yōu)?級(jí)。

從圖2可以看出，返工前帶狀組織明顯，呈現(xiàn)出條帶狀鐵素體+珠光體，鐵素體組織較大且分布集中。高溫?cái)U(kuò)散熱處理工藝后，帶狀組織明顯減輕，呈現(xiàn)出分布均勻的鐵素體+珠光體，晶粒得到細(xì)化。通過(guò)正火+完全退火處理，帶狀組織進(jìn)一步的減輕，晶粒得到明顯細(xì)化。

4分析與討論

D-SF690-I曲軸用鋼作為一種亞共析鋼，在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)Cr、Ni、Mo進(jìn)行微合金化，在增強(qiáng)合金性能的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致鋼液凝固過(guò)程中過(guò)冷奧氏體在珠光體中穩(wěn)定性的增強(qiáng)。隨著過(guò)冷奧氏體在珠光體中穩(wěn)定性的增強(qiáng)，會(huì)引起珠光體形成速度的減慢。當(dāng)合金從奧氏體狀態(tài)緩慢冷卻經(jīng)過(guò)A3和A1的溫度范圍時(shí)，先共析鐵素體會(huì)優(yōu)先在相對(duì)較純的枝晶部位的奧氏體晶界析出，同時(shí)碳會(huì)向周?chē)膴W氏體區(qū)擴(kuò)散，冷卻速度越慢，碳擴(kuò)散越充分，擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，形成的鐵素體條帶越明顯[3]。當(dāng)鋼錠經(jīng)過(guò)油壓機(jī)精鍛機(jī)聯(lián)鍛成形時(shí)，枝晶和枝干被壓延伸長(zhǎng)成纖維組織，呈現(xiàn)帶狀。油壓機(jī)精鍛機(jī)聯(lián)鍛成形后進(jìn)行預(yù)備熱處理(完全退火)，這些先共析鐵素體又得到了充分的轉(zhuǎn)變和析出，導(dǎo)致鐵素體和珠光體條帶更加的明顯。

通過(guò)1 200℃的高溫?cái)U(kuò)散，使得D-SF690-I曲軸用鋼合金組織重新奧氏體化，再經(jīng)過(guò)10 h的保溫，使得鋼材中原本偏析較為嚴(yán)重的Cr、Ni、Mo得到了充分的均勻化，枝晶減少，破壞了帶狀組織的基礎(chǔ)，在隨后的冷卻再結(jié)晶過(guò)程中就不會(huì)形成鐵素體-珠光體帶狀組織。隨爐冷至500℃時(shí)，奧氏體已完全分解，出爐空冷。但是隨著高溫?cái)U(kuò)散的進(jìn)行，組織晶粒會(huì)明顯增大，容易出現(xiàn)過(guò)熱組織，需要通過(guò)正火+完全退火工藝來(lái)進(jìn)行晶粒的細(xì)化。同時(shí)在正火過(guò)程中將鋼材加熱到860℃，保溫一段時(shí)間，然后再通過(guò)霧冷方式進(jìn)行冷卻，使得組織從奧氏體狀態(tài)快冷通過(guò)A3和A1的溫度帶，最大程度抑制先共析鐵素體的產(chǎn)生，避免二次帶狀組織的產(chǎn)生，進(jìn)而使得帶狀組織進(jìn)一步減輕。

5結(jié)論

(1)生產(chǎn)實(shí)踐證明，對(duì)于較嚴(yán)重的帶狀組織，通過(guò)采用擴(kuò)散退火+正火+完全退火進(jìn)行熱處理后，可以獲得細(xì)小且分布均勻的鐵素體+珠光體組織，該組合工藝對(duì)改善D-SF690-I曲軸的帶狀組織是適合和有效的。

(2)對(duì)于易產(chǎn)生帶狀組織的鋼種，在加熱時(shí)增加高溫?cái)U(kuò)散+正火+完全退火工序，可以有效減輕或避免帶狀組織的產(chǎn)生，同時(shí)細(xì)化晶粒。

參考文獻(xiàn)

[1]崔崑.鋼鐵材料及有色金屬材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981：24.

[2]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，1988:292-293.

[3]陳峰.汽車(chē)齒輪鋼帶狀組織與熱處理[J].上海鋼研，2006(2)：44-49.

[4]鄭輝，李占陽(yáng).SF690曲軸用鋼的試制[J].大型鑄鍛件，2015(3)：33-35.

編輯杜青泉

Research on Heat Treatment Process for Improving Banded Structure of Steel Used for D-SF690-I Crankshaft

Zhao Zhuo,Wang Xuexi,Li Shoujie

Abstract：The formation causes for banded structure of steel used for D-SF690-I crankshaft and the relation between the causes and the heat treatment have been introduced.The results show that the appearance of banded structure of crankshaft and the severity of banded structure have a close relation to the cooling speed of steel after austenitizing.By adopting the heat treatment process composed of diffusion annealing,normalizing and full annealing,the banded structure of steel used for crankshaft could be decreased or avoided.

Key words：crankshaft;banded structure;heat treatment process

收稿日期：2015—12—19

中圖分類(lèi)號(hào)：TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B