淺析1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼晶粒度的影響因素

徐 朋, 董曉亮

(撫順特殊鋼股份有限公司 技術中心, 撫順 113001)

試驗與研究

淺析1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼晶粒度的影響因素

徐 朋, 董曉亮

(撫順特殊鋼股份有限公司 技術中心, 撫順 113001)

通過對兩種不同碳、氮含量的1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼進行鍛造、軋制以及固溶處理，對影響該鋼晶粒度的因素進行了分析。結果表明：碳、氮元素含量對該鋼晶粒度的影響較大；另“菱形→方形→橢圓形→圓形”的軋制變形工藝以及固溶處理可以細化均勻該鋼晶粒尺寸。

晶粒度；碳、氮元素含量；軋制變形方式；固溶處理

1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼是一種以15Cr-25Ni-Fe為基，加入少量鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強化，以金屬間化合物γ′相[Ni3(Ti,Al)]強化的奧氏體沉淀硬化型不銹鋼。由于該鋼在650 ℃以下具有高屈服強度、持久強度和蠕變強度，并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能和抗氫脆性[1-2]，近年來被廣泛研究應用。最近某公司生產的1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼出現(xiàn)探傷不合格以及宏觀粗晶現(xiàn)象，經金相檢驗確認為晶粒度不均勻所致。為此，筆者對影響1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼晶粒度的因素進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為兩種不同碳、氮含量的1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼，其化學成分見表1。

表1 試驗用鋼化學成分(質量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the test steels (mass fraction) %

1.2 試驗方法

對上述兩種碳、氮含量的1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼采用相同的鍛造方式生產，以觀察碳、氮元素含量對其晶粒度的影響趨勢；對鍛造后的低碳、氮鋼進行980 ℃固溶處理以觀察固溶處理對晶粒度的影響；對鍛造后的低碳、氮鋼使用不同的軋制變形方式生產以觀察其晶粒度的變化趨勢。所有金相試樣均使用10%(體積分數(shù))的草酸溶液電解侵蝕，采用蔡司金相顯微鏡進行晶粒形貌觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 碳、氮元素含量對晶粒度的影響

上述兩種成分的1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼均采用快鍛機+徑鍛機生產。鋼錠及坯料加熱溫度為1 060～1 130 ℃，保溫1～2 h，快鍛機采用墩拔工藝生產，壓下量為50～100 mm；徑鍛機鍛制φ120 mm成品，徑鍛機終鍛溫度為1 040～1 060 ℃，鍛后空冷。切取金相試樣觀察晶粒形貌，并按照GB/T 6394-2002的方法評定晶粒度級別，高碳、氮鋼的晶粒形貌見圖1，低碳、氮鋼的晶粒形貌見圖2。按照GB/T 10561-2005中的實際檢驗A法評定兩種成分該鋼的非金屬夾雜物含量，夾雜物形貌見圖3。

圖1 高碳、氮鋼晶粒形貌100×Fig.1 Grain morphology of the steel with high carbon and nitrogen contents:(a) the edge; (b) 1/2 radius; (c) the center

圖2 低碳、氮鋼晶粒形貌100×Fig.2 Grain morphology of the steel with low carbon and nitrogen contents:(a) the edge; (b) 1/2 radius; (c) the center

圖3 兩種鋼的非金屬夾雜物形貌Fig.3 Non-metallic inclusions morphology of the two steels:(a) steel with high carbon and nitrogen contents; (b) steel with low carbon and nitrogen contents

由圖1可以看出,高碳、氮鋼鍛制的φ120 mm成品，由邊緣到心部的晶粒尺寸比較均勻，晶粒度級別可達到8級。由圖2可以看出，低碳、氮鋼鍛制的φ120 mm成品，由邊緣到心部的晶粒尺寸呈由大變小的情況，其中邊緣晶粒度3.5級左右，心部出現(xiàn)混晶組織，晶粒度從3.5級至8級不等。由圖3可以看出，高碳、氮鋼中含有大量的、呈點狀分布的碳氮化物夾雜物，D類(顆粒狀)夾雜物級別可達到3.0級；而低碳、氮鋼中僅含有較少的點狀碳氮化物夾雜物，D類夾雜物級別為0.5級。

初步分析認為，兩種成分該鋼的晶粒度與鋼中非金屬夾雜物級別有關，即高碳、氮鋼中含有大量的、分散的碳氮化物，在鋼中的晶界上和晶粒內部起到了“釘扎”的作用，所以高碳、氮鋼的晶粒較為細小而均勻，而低碳、氮鋼的晶粒較大、不均勻且存在混晶現(xiàn)象。

2.2 變形方式對晶粒度的影響

對上述低碳、氮含量該鋼的φ120 mm鍛造成品分別采用兩種軋制變形方式改軋生產φ60 mm成品，以研究軋制工藝對該鋼晶粒度的影響，軋制工藝如表2所示。切取金相試樣，觀察晶粒形貌，結果如圖4所示。

表2 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼軋制工藝Tab.2 Rolling process of 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al steel

圖4 不同軋制方式生產的低碳、氮鋼晶粒形貌Fig.4 Grain morphology of the steel with low carbon and nitrogen contents after different modes of rolling:(a) process 1, the edge; (b) process 1, the center; (c) process 2, the edge; (d) process 2, the center

由圖4可以看出，低碳、氮該鋼經工藝1變形后心部晶粒較為細小均勻，晶粒度級別為8級左右；邊緣存在混晶，晶粒度4～8級，或與原始坯料表層的粗晶有關。低碳、氮該鋼經工藝2變形后邊緣仍然為大晶粒，晶粒度3級；心部為混晶，晶粒度3～8級。

初步分析認為，采用工藝1生產的該鋼原始粗晶粒被較好地、完整地破碎，并回復和再結晶；而工藝2生產的該鋼對于原始晶粒未進行充分的破碎。

2.3 固溶處理對晶粒度的影響

對上述低碳、氮該鋼的φ120 mm鍛造成品，切取20 mm厚試片在實驗室箱式電阻爐中進行固溶處理，以研究固溶處理對該鋼晶粒度的影響。固溶處理制度為：980 ℃保溫1 h后水冷，固溶處理后的晶粒形貌如圖5所示。

由圖5可以看出，經固溶處理后圖2所示的晶粒變均勻，晶粒度級別由原來的混晶3.5～8級變?yōu)榫鶆虻?～6級。

圖5 低碳、氮鋼固溶處理后的晶粒形貌Fig.5 Grain morphology of the steel with low carbon and nitrogen contents after solid solution treatment：(a) the edge; (b) 1/2 radius; (c) the center

2.4 討論

2.4.1 釘扎作用的影響

由于試驗用1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼成分中的碳、氮元素含量差別較大，而該鋼含有較多的鈦元素，該3種元素在鋼中比較容易親和而形成第二相“TiNC”。該第二相可在冶煉鋼錠中形成，也可在鍛造或軋制過程中析出。該第二相在鍛造或軋制的熱變形過程中對組織起到了“釘扎”作用，且這些第二相在再結晶過程中又作為晶粒形核的“核心”[3]，所以如圖1～3所示采用相同鍛造工藝生產的兩種成分的該鋼，高碳、氮鋼的晶粒較為細小均勻，而低碳、氮鋼的晶粒度較粗大且不均勻。

2.4.2 變形方式及再結晶溫度的影響

由于低碳、氮該鋼含有較多的鉻、鉬等易偏析元素，導致該鋼鋼錠易出現(xiàn)偏析組織，在后續(xù)加工過程中偏析處不易變形或變形后需要較高的能量才能進行回復和再結晶，所以形成了如圖2所示的混晶組織[4-5]。圖4～5的試驗結果表明，可以通過改變鋼材的變形方式以及固溶處理來改善其晶粒形態(tài)。

另外，鋼材邊緣晶粒較心部晶粒粗大是因為在軋制和鍛造后期鋼材的表面散熱較快，而心部由于受到熱變形而向表層返溫，所以心部晶粒獲得再結晶的能量要優(yōu)于邊緣的[6]。

3 結論

(1) 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼中的碳、氮元素含量對成品的晶粒度影響較大。

(2) 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼采用“菱形→方形→橢圓形→圓形”軋制變形工藝比“橢圓形→圓形”軋制變形工藝更易獲得較細的晶粒。

(3) 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al鋼采用980 ℃固溶處理可使其混晶組織變得均勻。

[1] 陳琪,陳雅文,孔凡亞.熱處理對超大變形量GH2132合金力學性能的影響[J].熱加工工藝,2012,41(20):184-188.

[2] 嚴波.電弧爐冶煉GH2132合金的研究[J].特鋼技術,2013(3):23-26,63.

[3] 吳益文,朱子恒,徐凌云,等.熱處理溫度對IF鋼板第二相粒子和力學性能的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(2):87-91.

[4] 王健美.固溶處理溫度對Inconel 600合金組織和性能的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(7):487-489.

[5] 趙駿.Monel合金蝶板的成型工藝及力學性能[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(6):385-388.

[6] 劉晶,張銀東,李繼超.GH2132屈服強度不合格分析與研究[J].中國新技術新產品,2013(19):7-8.

Analysis on Influencing Factors of Grain Size of 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al Steel

XU Peng, DONG Xiao-liang

(Technical Center of Fushun Special Steel Co., Ltd., Fushun 113001, China)

The factors affecting the grain size of 1Cr15Ni27Ti3Mo1Al steel were studied through forging, rolling and solid solution treatment to the steel with different element carbon and nitrogen contents. The results show that the grain size of the steel were largely affected by the contents of element carbon and nitrogen. Besides, the grain size could be refined and homogenized both by rolling process of ‘rhombus→square→oval→round’ and solid solution treatment.

grain size; element carbon and nitrogen content; rolling deformation mode; solid solution treatment

10.11973/lhjy-wl201704005

2016-11-09

徐 朋(1982-)，男，工程師,碩士,主要從事不銹鋼產品的研發(fā)工作，xp820922@163.com。

TG142.1+1

A

1001-4012(2017)04-0249-04