多次降梯加熱對30Cr2Ni4MoV鋼晶粒大小的影響

秦尚武 黨淑娥 侯 微 劉建生

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

多次降梯加熱對30Cr2Ni4MoV鋼晶粒大小的影響

秦尚武 黨淑娥 侯 微 劉建生

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

本文以低壓轉子鋼30Cr2Ni4MoV為研究對象，將其粗大非平衡組織多次降梯加熱后，保溫適當時間后淬火，分析不同工藝參數(shù)對奧氏體晶粒大小的影響，揭示其消除組織遺傳的機理。結果表明，在α相發(fā)生完全再結晶的條件下，進行多次降梯高溫加熱，晶粒更加細小均勻，可以有效切斷組織遺傳；多次降梯加熱過程中，降溫梯度、最后加熱溫度及加熱次數(shù)均會不同程度影響奧氏體晶粒細化程度，而最后加熱溫度對晶粒細化起主要作用。

30Cr2Ni4MoV鋼；低壓轉子；降溫梯度；消除組織遺傳；細化晶粒

30Cr2Ni4MoV鋼是大型汽輪機低壓轉子用鋼，熱加工過程具有強烈組織遺傳效應，造成混晶，嚴重時會導致鋼的塑韌性降低，影響其使用性能[1-3]。相關研究認為[4]，30Cr2Ni4MoV鋼粗大非平衡組織重新加熱奧氏體化過程中，無論奧氏體是針狀形核還是球狀形核，當α相未發(fā)生完全再結晶時，其長大都具有不同程度的取向性，從而造成30Cr2Ni4MoV低壓轉子鋼的組織遺傳。

基于該材料的組織遺傳機理，本文將其鍛態(tài)組織進行粗化處理以獲得非平衡粗大馬氏體組織，然后進行多次降梯加熱淬火，分析其對細化奧氏體晶粒的影響及其消除組織遺傳的機理，為30Cr2Ni4MoV低壓轉子鋼鍛后熱處理晶粒細化工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 實驗材料及方法

實驗材料為鍛態(tài)30Cr2Ni4MoV汽輪機低壓轉子用鋼，其化學成分見表1。利用Gleeble熱模擬實驗測得其Ac1和Ac3分別為680℃和783℃。

為了獲得該材料的粗大非平衡馬氏體組織，將15 mm×15 mm×20 mm的試樣加熱至1 100℃，保溫2 h，水淬，粗化后的晶粒形貌見圖1。

然后將粗化后試樣分別單次加熱(910℃、930℃、950℃、970℃、1 000℃)、淬火、降溫多次加熱、淬火(T1=950℃+930℃+910℃+870℃，T2=970℃+950℃+930℃+910℃，T3=1 000℃+970℃+950℃+930，T4=1 000℃+970℃+930℃+870℃)，以上保溫時間均為2 h。利用過飽和苦味酸溶液和4%硝酸酒精溶液腐蝕獲得其晶粒與組織形貌，分析熱處理工藝參數(shù)對奧氏體晶粒大小的影響及規(guī)律。工藝曲線分別見圖2、圖3。

表1 30Cr2Ni4MoV 鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)Table1 Chemical compositions of 30Cr2Ni4MoV steel (mass fraction, %)

圖1 30Cr2Ni4MoV鋼粗化后的晶粒形貌Figure 1 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after coarsening

2 實驗結果

圖4為試樣分別加熱到910℃×2 h、930℃×2 h、950℃×2 h、970×2 h、1 000℃×2 h淬火，并經過飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。在圖4(a)、4(b)中，原粗大奧氏體晶界已基本消失，新形成的奧氏體晶粒形態(tài)也由長島狀逐漸變?yōu)榈容S狀。在930℃時，奧氏體晶核長大取向性已變得不明顯，見圖4(b)。隨著加熱溫度升高，晶界趨于平直，同時伴有晶粒長大，但晶粒大小的不均勻現(xiàn)象依然存在，見圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)。

T表示：910℃、930℃、950℃、970℃、1 000℃圖2 粗化后的試樣加熱到不同溫度淬火工藝曲線圖Figure 2 Quenching process curves of the post coarsening samples heated to different temperatures

圖5為試樣分別加熱950℃×2 h+930℃×2 h+910℃×2 h+870℃×2 h淬火，并經過飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。由圖5(a)可以看出，奧氏體晶粒大小分布不均勻，明顯看到有呈不規(guī)則或呈長條狀的大晶粒，也有極細小的等軸狀晶?；蚓奂⒒蚍稚⒃诖缶Я＞Ы缟?，且大小晶粒尺寸差異較大；當加熱次數(shù)增加，溫度降低，大晶粒尺寸有所減小，形狀趨于等軸化，細小等軸狀晶粒趨于均勻化，見圖5(b)；隨加熱次數(shù)增加，當溫度降為910℃時，大晶粒尺寸繼續(xù)減小，細小等軸狀晶粒也有所長大，大小晶粒分布趨于均勻化，晶粒度達8級，見圖5(c)；當加熱次數(shù)增加為4次、溫度降為870℃時，奧氏體晶粒尺寸繼續(xù)減小且均勻化，見圖5(d)。

圖6為試樣分別加熱970℃×2 h+950℃×2 h+930℃×2 h+910℃×2 h淬火，并經過飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。由圖6(a)可知，奧氏體晶粒大小隨著初始加熱溫度升高分布較均勻，明顯看到長條狀的大晶粒變得圓潤，更多的等軸狀晶?；蚓奂?、或分散在大晶粒晶界上，且大小晶粒尺寸差異變?。划敿訜岽螖?shù)增加，溫度降低，大部分晶粒尺寸有所減小，形狀趨于等軸化，見圖6(b)；隨著加熱次數(shù)增加，而溫度降為930℃時，晶粒尺寸繼續(xù)減小，細小等軸狀晶粒也有所增多，晶粒分布趨于均勻化，見圖6(c)；當加熱次數(shù)增加為4次、溫度降為910℃時，明顯觀察到奧氏體晶粒變得更加細小、均勻。

圖7為試樣分別加熱1 000℃×2 h+970℃×2 h+950℃×2 h+930℃×2 h淬火，并經過飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。由圖7(a)可以看出，奧氏體晶粒明顯趨于等軸狀，但依然有大小晶粒的尺寸差異；當加熱次數(shù)增加，溫度降低，大晶粒尺寸有所減小，小晶粒尺寸有所增大，大小晶粒形狀更趨于等軸化，見圖7(b)、圖7(c)；當加熱次數(shù)增加為4次、溫度降為930℃時，奧氏體晶粒尺寸急劇減小且均勻化，測得其晶粒度等級為8.1級，見圖7(d)。

(a)910℃

(b)930℃

(c)950℃

(d)970℃

(e)1 000℃圖4 30Cr2Ni4MoV鋼加熱到不同溫度的晶粒形貌Figure 4 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel heated to different temperatures

(a)一次降梯

(b)二次降梯

(c)三次降梯

(d)四次降梯圖5 30Cr2Ni4MoV鋼在950℃+930℃+ 910℃+870℃多次降梯的晶粒形貌Figure 5 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 950℃+930℃+910℃+870℃

圖8為試樣分別加熱1000℃×2h+970℃×2 h+930℃×2 h+870℃×2 h 淬火，并經過飽和苦味酸腐蝕后的晶粒形貌。與圖6進行對比，增加降溫梯度，隨著加熱次數(shù)增加，而溫度降為930℃時，晶粒尺寸變得更加細小，等軸狀晶粒有所增多，晶粒分布更加均勻，見圖8(a)，并測得此時晶粒度等級為6.3級；當加熱溫度降為870℃時，奧氏體晶粒更加細小均勻，測得其晶粒度等級為8.5級，見圖8(b)。

(a)一次

(b)二次

(c)三次

(d)四次圖6 30Cr2Ni4MoV鋼在970℃+950℃+930℃+910℃降階多次的晶粒形貌Figure 6 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 970℃+950℃+930℃+910℃

(a)一次

(b)二次

(c)三次

(d)四次圖7 30Cr2Ni4MoV鋼在1 000℃+970℃+950℃+930℃降階多次的晶粒形貌Figure 7 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 1 000℃+970℃+950℃+930℃

3 實驗結果分析

30Cr2Ni4MoV非平衡組織重新加熱奧氏體化過程中，當加熱至Ac1以下時，非平衡組織經歷的類回火階段并未發(fā)生α相的回復與完全再結晶，板條狀形貌保留下來；當加熱至接近Ac1時，由于未溶碳化物第二相的存在，對α相的板條束界起到釘扎作用，使得其再結晶溫度升高[5]；當加熱至Ac1以上時，由于板條α相束界碳化物第二相逐漸析出，為針狀奧氏體形核及其長大提供了基礎[6]；隨著溫度升高，在大角度晶界上原子排列不規(guī)則，晶體取向不明顯，F(xiàn)e原子擴散，從而形成球狀奧氏體晶核，而原板條α相的束界上仍有少量針狀奧氏體晶核存在；溫度繼續(xù)升高，基體中的α相并未發(fā)生完全再結晶，奧氏體晶核依舊在大角度晶界上以球狀形核存在，仍具有一定取向[7]。溫度升高至Ac3以上時，由于α相完全再結晶，球狀奧氏體晶核長大的取向性消失，逐漸變得均勻，趨于等軸狀，不造成組織遺傳[8]。

(a)三次

(b)四次圖8 30Cr2Ni4MoV鋼在1 000℃+970℃+930℃+870℃降階多次的晶粒形貌Figure 8 Grain morphology of 30Cr2Ni4MoV steel after multiple descending heating at 1 000℃+970℃+930℃+870℃

非平衡組織重新加熱奧氏體化過程中，α相的完全再結晶與否，決定了新形成奧氏體晶核長大是否呈現(xiàn)一定取向性。而奧氏體重結晶是個熱激活的過程，重結晶數(shù)量、長大速度和晶粒大小主要受溫度影響。

實驗結果分析可得，基本上只有球狀奧氏體晶核形成，在加熱溫度為910℃時，α相向γ相轉變基本完成，奧氏體晶核呈長島狀，見圖4(a)。隨加熱溫度升高，α相再結晶驅動力增大，且釘扎于板條束界的難溶碳化物漸漸溶解，使鞏固板條束形態(tài)的作用逐漸減弱。即隨過熱度增加，α相開始發(fā)生再結晶，晶粒內部固定取向關系被打亂，使形成的球狀奧氏體晶粒在長大過程中失去了板條束的限制，向四周等幾率長大，由長島狀逐漸變?yōu)榈容S狀，奧氏體晶粒均勻長大。

(a)950℃+930℃+910℃+870℃

(b)970℃+950℃+930℃+910℃

(c)1 000℃+970℃+950℃+930℃

(d)1 000℃+970℃+930℃+870℃圖9 多次降梯高溫加熱工藝下的晶粒等級柱狀圖Figure 9 Grain grade histograms after multiple descending heating at high temperatures

奧氏體再結晶的驅動力是相變硬化應變能，為了使馬氏體相變充分進行，再結晶加熱前需要進行必要的過冷[9]。加熱相變一次產生一定大小的再結晶驅動力，將使鋼在隨后高溫加熱時，α相可以發(fā)生再結晶，使奧氏體晶粒得到一次細化，進一步細化需要進行再一次加熱相變，所以奧氏體重結晶必須進行多次加熱細化。當加熱溫度為950℃、970℃、1 000℃時，α相已發(fā)生完全再結晶，奧氏體晶粒均呈等軸狀，大小規(guī)則相對均勻，未發(fā)生組織遺傳，見圖5(a)、圖6(a)、圖7(a)，但晶粒尺寸未能達到實際使用要求。進行多次降梯高溫加熱時，加熱溫度依次降低，需要的再結晶相變應變能減少，再次加熱重結晶能得到細化的奧氏體晶粒，見圖5(d)、圖6(d)、圖7(d)。不同工藝下的晶粒等級比較見圖9?？梢钥吹剑啻谓堤菁訜徇^程中，加熱溫度、降溫梯度與加熱次數(shù)均會影響最終晶粒細化的效果，而最終的加熱溫度是影響晶粒細化程度的最主要原因。最終加熱溫度越低，降溫梯度越大、加熱次數(shù)越多，晶粒等級越高。同時，一次加熱溫度較高時，降梯加熱四次才能達到一次加熱溫度較低時三次降梯加熱的晶粒細化效果；一次加熱溫度較低時，降梯加熱三、四次時晶粒等級的變化比一次加熱溫度較高時小。

一次加熱溫度為950℃時，α相已發(fā)生完全再結晶，奧氏體晶粒均呈等軸狀，大小規(guī)則均勻，再依次降梯加熱930℃×2 h以及910℃×2 h加熱后，晶粒已非常均勻細小，見圖5(c)。同時，考慮到30Cr2Ni4MoV鋼在實際工況下晶粒度的使用要求為8級左右，由圖9(a)可知，經950℃×2 h 、930℃×2 h、910℃×2 h降梯加熱后，細化晶粒效果較好，已滿足實際的使用性能。

4 結論

(1)在α相發(fā)生完全再結晶的條件下，進行多次降梯加熱，使得晶粒更加細小均勻化，可以有效切斷組織遺傳。

(2)在多次降溫過程中，隨加熱溫度降低，奧氏體晶粒呈明顯細化的趨勢。

(3)多次降梯加熱過程中，降溫梯度和最后加熱溫度是影響晶粒細化程度的最主要因素，而最后的加熱溫度起主要作用，并且950℃×2 h+930℃×2 h+910℃×2 h細化效果較好。

[1] 李彥國, 胡正飛, 趙雙群. 服役環(huán)境對汽輪機低壓轉子30Cr2Ni4MoV鋼力學性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2013(12).

[2] 王健.大型鍛件汽輪機低壓轉子用30Cr2Ni4MoV 鋼組織遺傳研究[D].山東：山東科技大學，2011.

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[9] 康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理[M].北京：龍門書局，1998.

編輯 陳秀娟

Effect of Multiple Descending Heating on Grain Size of 30Cr2Ni4MoV Steel

Qin Shangwu，Dang Shu′e，Hou Wei，Liu Jiansheng

Low pressure rotor steel 30Cr2Ni4MoV has been taken as the research object in this paper. Coarse and unbalanced microstructure is carried out quenching for several times after heating at the descending temperature and holding for a proper time at every turn. The influence of different processes parameters on austenite grain size has been analyzed to reveal the mechanism of the microstructure inheritance elimination. The result show that multiple descending heating at high temperature can make grain size finer and effectively cut microstructure inheritance whenαphase has been suffered complete recrystallization. During multiple descending heating, temperature gradient, final heating temperature and heating time will affect the degree of austenitic grain refinement in different extents, However, the final heating temperature plays a major role in grain refinement.

30Cr2Ni4MoV steel; low pressure rotor; temperature gradient; microstructure inheritance elimination; grain refinement

2016—08—01

國家自然科學基金51275330；山西省自然科學基金2012011022-4資助項目

秦尚武(1991—)，男，碩士，主要研究方向：關鍵大鍛件制造技術新理論。

黨淑娥(1965—)，女，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向：新材料成分設計與性能優(yōu)化。

TG156.31

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