熱處理工藝對(duì)低合金結(jié)構(gòu)鋼LF2組織的影響（上）

文/魏強(qiáng)·中國鍛壓協(xié)會(huì)

耿志宇·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

熱處理工藝對(duì)低合金結(jié)構(gòu)鋼LF2組織的影響（上）

文/魏強(qiáng)·中國鍛壓協(xié)會(huì)

耿志宇·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

我公司為某客戶公司生產(chǎn)了一批閥體鍛件，材料為LF2。ASTM A350 LF2是美國標(biāo)準(zhǔn)的低溫鍛鋼材料，國內(nèi)尚無閥門及管件用低溫碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)，通常直接采用ASTM A350 中的材料及技術(shù)要求。LF2材料的化學(xué)成分如表1所示。

由表1可見，LF2鋼的化學(xué)成分相當(dāng)于國內(nèi)的合金結(jié)構(gòu)鋼20Mn。ASTM A350標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LF2的熱處理工藝有正火、正火+回火和淬火+回火幾種。由于此次生產(chǎn)的LF2鍛件要求在－50℃的低溫狀態(tài)下使用，因此采用淬火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理以得到具有強(qiáng)韌綜合性能的回火索氏體組織，保證低溫沖擊性能符合要求。而為了消除鍛后的魏氏組織，在調(diào)質(zhì)熱處理工藝前要先進(jìn)行正火工序，使鍛后組織均勻。

鍛件熱處理后的組織狀態(tài)是受很多因素影響的，主要有原材料的組織狀態(tài)、鍛造工藝和熱處理工藝，其中鍛造工藝和熱處理工藝影響最大。本文通過對(duì)原材料、鍛后未經(jīng)熱處理的鍛件、正火后的鍛件、調(diào)質(zhì)后的鍛件組織觀察，針對(duì)出現(xiàn)的問題對(duì)鍛件鍛后熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整，研究了不同熱處理工藝對(duì)鍛件組織的影響，以制定LF2材料閥體鍛件的最佳熱處理工藝。

原材料的組織觀察

原材料為直徑160mm的熱軋態(tài)圓鋼，為了掌握原材料的組織狀態(tài)，首先對(duì)原材料的組織進(jìn)行了觀察。沿半徑方向取樣后，觀察平行半徑方向平面和垂直半徑方向平面的金相組織，如圖1所示。

表1 生產(chǎn)用LF2化學(xué)成分

圖1 原材料組織觀察

由圖1可見，原材料中有少量魏氏組織，評(píng)級(jí)為1級(jí)。但是原材料中帶狀組織較嚴(yán)重，經(jīng)評(píng)級(jí)，帶狀組織為4級(jí)。

魏氏組織是鋼在奧氏體晶粒較粗大，冷卻速度適宜時(shí)，形成的一種特殊的組織，其組織特征為在一個(gè)粗大的奧氏體晶粒內(nèi)形成許多平行的鐵素體(滲碳體)針片，在鐵素體針片之間的剩余奧氏體最后轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種過熱組織稱為鐵素體(滲碳體)魏氏組織。帶狀組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，出現(xiàn)在熱軋低碳結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中，沿軋制方向平行排列、成層狀分布、形同條帶的鐵素體晶粒與珠光體晶粒。這是由于鋼材在熱軋后的冷卻過程中發(fā)生相變時(shí)鐵素體優(yōu)先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中形成，導(dǎo)致鐵素體形成條帶，鐵素體條帶之間為珠光體，兩者相間成層分布。魏氏組織和帶狀組織少量存在時(shí)對(duì)鋼的性能影響不大，但當(dāng)這兩種組織大量存在或者情況較嚴(yán)重的時(shí)候，會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生不良影響。

生產(chǎn)中采用的鍛造加熱溫度為1160℃，在此溫度下長時(shí)間保溫，LF2鋼有可能會(huì)產(chǎn)生過熱。圖2為加熱后未鍛造的坯料的縱向組織，可見組織中魏氏組織大量存在且較嚴(yán)重。魏氏組織能通過反復(fù)正火、退火或者鍛造改善或消除，若鍛造后不能消除魏氏組織，只能通過鍛后熱處理來改善。經(jīng)評(píng)級(jí)，加熱后坯料魏氏組織為5級(jí)。LF2鋼含Mn量約1%，Mn有促進(jìn)晶粒長大的作用，因此在高溫下保溫一段時(shí)間后會(huì)形成粗大晶粒，粗大晶粒在冷卻速度適宜的情況下易形成粗大的魏氏組織，因此可以說出現(xiàn)魏氏組織是鋼過熱的表現(xiàn)。

圖2 坯料加熱后未鍛造組織

通過以上觀察可以發(fā)現(xiàn)，原材料由于是熱軋態(tài)，縱向存在較明顯的帶狀組織。由于多向模鍛變形不規(guī)則，原材料帶狀組織的存在可能會(huì)導(dǎo)致鍛件的各向異性。而鍛前加熱后的材料已經(jīng)嚴(yán)重過熱，若鍛造不充分，鍛后組織可能仍存在魏氏組織。

鍛后鍛件組織觀察

為了掌握鍛件鍛后組織狀態(tài)和熱處理后的組織狀態(tài)，鍛后鍛件組織觀察分為兩部分，分別為鍛后未熱處理組織觀察和鍛后熱處理（正火+調(diào)質(zhì)）組織觀察。鍛件組織觀察的部位如圖3所示，圖中1～5位置是整個(gè)鍛件有代表性的位置。生產(chǎn)中采用的熱處理工藝曲線如圖4所示。

鍛后未熱處理組織觀察

選擇位置1、4和5試樣，經(jīng)金相砂紙打磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用100倍金相顯微鏡觀察，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，鍛造后魏氏組織較鍛造前減輕，評(píng)級(jí)為2級(jí)。但是鍛件不同部位組織不均勻，主要表現(xiàn)在：①晶粒不均勻，有混晶現(xiàn)象；②帶狀組織分布不均勻。產(chǎn)生這種組織的原因是鍛造加熱溫度為1160℃，在此溫度下加熱LF2已經(jīng)發(fā)生過熱，產(chǎn)生了粗大晶粒。而鍛造時(shí)鍛件不同部位鍛造比不同，在鍛造比不夠大的情況下過熱組織難以消除，因此冷卻后鍛件局部存在粗大晶粒，且伴隨產(chǎn)生了魏氏組織。原材料存在帶狀組織，而由于鍛造變形的不均勻，帶狀組織在鍛造時(shí)沒有消除，在鍛后鍛件中遺留了下來。鍛件鍛后出現(xiàn)魏氏組織是正?，F(xiàn)象，一般情況下，出現(xiàn)的魏氏組織都為不穩(wěn)定過熱產(chǎn)生，這種組織只能通過正火或者退火消除或改善。

圖3 鍛件金相檢驗(yàn)位置圖

圖4 鍛件熱處理工藝曲線

圖5 1、4和5試樣金相組織觀察

正火后組織觀察

生產(chǎn)中采用的熱處理工藝：910℃正火，保溫時(shí)間2.5h，空冷。正火后的鍛件組織如圖6所示。

由圖6可見，正火對(duì)魏氏組織有一定的改善，但未完全消除，魏氏組織為1級(jí)。但是帶狀組織依然存在?？梢姡鸩⒉荒芟龓罱M織，只能起到一定的改善作用，有研究表明，消除帶狀組織可以通過高溫?cái)U(kuò)散退火、反復(fù)鍛造和退火。正火后組織仍然不均勻，這種不均勻組織會(huì)對(duì)后續(xù)的調(diào)質(zhì)處理產(chǎn)生不良影響。

鍛件調(diào)質(zhì)組織觀察

鍛件經(jīng)正火后，再經(jīng)920℃加熱、保溫2h后水冷淬火，鍛件出爐到入水淬火時(shí)間小于20s。回火工藝為630℃，保溫5h后水冷。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的鍛件組織見圖7。

由圖7可見，鍛件不同部位組織不均勻，帶狀組織未能通過調(diào)質(zhì)消除，只能改善。局部有粗大晶粒，且晶粒不均勻。粗大晶粒常伴隨針狀鐵素體產(chǎn)生，也會(huì)對(duì)鋼的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。試樣4處發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重粗大的晶粒，且晶粒大小不均勻。試樣2和試樣5組織為回火索氏體，試樣1組織中鐵素體有帶狀傾向。

圖6 正火后鍛件金相組織

圖7 調(diào)質(zhì)后鍛件金相組織

原因分析與小結(jié)

調(diào)質(zhì)后的組織不合格主要是晶粒不均勻，局部有粗大晶粒存在。這種組織主要是受兩方面影響的：正火后的魏氏組織和淬火時(shí)的晶粒長大。

鍛后魏氏組織的產(chǎn)生是鍛后晶粒粗大的表現(xiàn)，而鍛后粗大的晶粒具有組織遺傳性。由于鍛造加熱溫度高，鍛后容易形成粗大奧氏體晶粒，冷卻到室溫后，在原來奧氏體晶粒內(nèi)由于相變產(chǎn)生了許多小晶粒。這些小晶粒的空間取向往往與原奧氏體晶粒的取向保持一致，也就是說，形式上是一顆大晶粒被分割成一顆顆小晶粒，實(shí)際上還是一顆大晶粒。當(dāng)正火加熱時(shí)，這些小晶粒還會(huì)形成原來粗大的奧氏體晶粒，且取向沒有多大變化，隨著正火加熱溫度不同，只是還原程度不同罷了。正火冷卻時(shí)，一顆奧氏體晶粒又再次重新被分割成若干小晶粒。這樣，正火前原來粗大的奧氏體晶粒雖然形式上被細(xì)化了，但實(shí)質(zhì)上由于很多小晶粒的位相與原奧氏體晶粒一致，所以仍保留粗大晶粒的特征。為了解決這一問題，生產(chǎn)上最經(jīng)濟(jì)的辦法是將鍛后鍛件進(jìn)行退火處理。通過相變重結(jié)晶來細(xì)化晶粒，能有效消除組織粗大問題。

鍛件淬火同樣是將鍛件加熱到奧氏體態(tài)，快速冷卻，冷卻速度繞過C曲線的“鼻尖”，奧氏體態(tài)的鋼來不及析出鐵素體時(shí)就已經(jīng)到了Ms點(diǎn)（馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)）以下，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的晶粒尺寸和原奧氏體晶粒尺寸保持一致。也就是說，淬火后馬氏體晶粒大小取決于原奧氏體晶粒大小。奧氏體晶粒長大的原理是因?yàn)榫Ы缒芰扛撸瑸榱藴p少總的晶界面積，降低界面能，在一定溫度條件下奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生相互吞并而使晶粒長大的現(xiàn)象。所以，奧氏體晶粒長大在一定條件下是一個(gè)自發(fā)的過程。奧氏體晶粒長大是通過晶界推移實(shí)現(xiàn)的，是晶粒長大力和晶界推移力相互作用的結(jié)果。奧氏體晶粒長大受諸多因素的影響，在材料冶煉方法、成分和原始組織一定的情況下最主要的影響因素是加熱溫度和保溫時(shí)間。加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，奧氏體晶粒將越粗大，且加熱溫度的影響要遠(yuǎn)比保溫時(shí)間的影響大得多。因此，在生產(chǎn)中，若保溫時(shí)間一定，適當(dāng)降低加熱溫度，則形成的奧氏體晶粒要細(xì)小，淬火后得到的馬氏體晶粒同樣細(xì)小。

制定熱處理工藝時(shí)，特別是淬火工藝，常以鋼相變溫度為依據(jù)。低碳低合金鋼屬亞共析鋼，則以鋼的Ac3溫度（鋼由珠光體態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體態(tài)的溫度）為依據(jù)，淬火溫度一般為Ac3＋(30～50)℃。LF2材料的Ac3溫度約為850℃，而之前生產(chǎn)中用的淬火溫度為920℃。在初始組織均勻的情況下，淬火溫度稍高能加速碳化物和合金元素溶于奧氏體，有利于提高淬透性。但是當(dāng)初始組織不均勻的時(shí)候，淬火溫度過高則可能導(dǎo)致晶粒異常長大。因此，為了解決生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的局部晶粒粗大的問題，在后續(xù)生產(chǎn)中將淬火溫度降為880℃，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。因此，針對(duì)出現(xiàn)的組織不合格問題，調(diào)整了熱處理工藝，將910℃正火工序更改為900℃退火工序；將920℃淬火工序更改為880℃淬火工序。

（《熱處理工藝對(duì)低合金結(jié)構(gòu)鋼LF2組織的影響（下）》見2016年第17期）