馬玉東 馬亮
摘 要:晶粒度是表示金屬材料晶粒度大小的程度。一般情況下,晶粒細(xì)化可以提高金屬材料的屈服點(diǎn)、疲勞強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度,降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。
關(guān)鍵詞:晶粒大??;工藝攻關(guān);變形程度
中圖分類號:TG379 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-8937(2013)17-0059-02
1 影響晶粒大小的主要因素
①加熱溫度。加熱溫度越高,保溫時間越長,晶粒長大的傾向越大。
②機(jī)械阻礙物。一般來說,金屬的晶粒隨著溫度的升高不斷長大,幾乎成正比關(guān)系。但是,也不完全如此,有時候加熱到較高溫度時,晶粒仍很細(xì)小,可以說沒有長大,而當(dāng)溫度再升高一些時,晶粒突然長大。并且有些材料,隨加熱溫度升高,晶粒分階段突然長大。一般稱前一種長大方式為正常長大,后一種為異常長大。金屬異常長大的原因是金屬材料中存在機(jī)械阻礙物,對晶界有釘札作用,阻止晶界的遷移。
③變形程度和變形速度。變形程度對晶粒大小的影響的規(guī)律總的來說,隨著變形程度從小到大,晶粒尺寸由大變小,但是晶粒大小有兩個峰值,即出現(xiàn)兩個大晶粒區(qū),第一個大晶粒區(qū)叫做臨界變形區(qū)。不同材料和不同變形溫度時,臨界變形程度的大小不一樣,臨界變形區(qū)是一個小變形量范圍。在某些情況下,當(dāng)變形量足夠大時,可能出現(xiàn)第二個大晶粒區(qū)。
④固溶處理前的組織情況。固溶處理后的晶粒大小除了受固溶溫度和機(jī)械阻礙物的影響外,受固溶加熱前的組織情況影響很大。如果鍛后是未再結(jié)晶組織,而且處于臨界變形程度時,固溶處理后將形成粗大晶粒;如果鍛后是完全再結(jié)晶組織,固溶處理后一般可以獲得細(xì)小而均勻的晶粒;如果鍛后是不完全再結(jié)晶組織,即半熱變形混合組織,固溶加熱時,由于各處形核的時間先后、數(shù)量多少和長大條件等不一樣,固溶處理后晶粒大小將是不均勻的。
⑤原始晶粒度。按傳統(tǒng)觀念,鋼在加熱至正火溫度時即發(fā)生相變和重結(jié)晶,使粗大晶粒得到細(xì)化。但是有些鋼種(主要是馬氏體鋼和貝氏體鋼)過熱后形成的粗晶,經(jīng)正火后仍為粗大晶粒。這種部分或全部由原粗大奧氏體晶粒復(fù)原的現(xiàn)象稱為晶粒遺傳。
2 主要開發(fā)研究內(nèi)容及目標(biāo)
晶粒度對產(chǎn)品的屈服點(diǎn)、疲勞強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度及脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大,混晶及晶粒粗大一直是困擾鍛件生產(chǎn)的主要問題之一。
①主要攻關(guān)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)室對試棒進(jìn)行試驗(yàn),得出消除混晶及晶粒粗大的工藝方案;將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到產(chǎn)品并進(jìn)行工藝優(yōu)化,最終制訂出切實(shí)可行的消除混晶及晶粒粗大的控制方案。
②目標(biāo)。找出鍛件混晶及晶粒粗大的根源,使其出現(xiàn)的概率大大降低。
3 完成情況
根據(jù)產(chǎn)品狀況,本次研究以45和17 CrNiMo6結(jié)構(gòu)鋼為主要研究對象,45鋼代表合金化程度不高的結(jié)構(gòu)鋼,17 CrNiMo6代表合金化程度相對較高的鋼,來尋找如何解決產(chǎn)品產(chǎn)生混晶及晶粒粗大的問題。終鍛溫度過高、變性不均勻及變形量選擇不當(dāng)?shù)榷伎赡茉斐?5鋼及17 CrNiMo6鋼產(chǎn)生混晶及晶粒粗大的問題。
為了尋找到解決45鋼和17 CrNiMo6混晶及晶粒粗大的問題,特別制作了材質(zhì)為45和17 CrNiMo6規(guī)格為Φ300×800的軸各一根,在進(jìn)行熱處理前各取一個試樣進(jìn)行成分和組織檢測,成分檢驗(yàn)結(jié)果見表1,組織檢驗(yàn)結(jié)果見表2。做完檢測的45和17 CrNiMo6軸一分為二,分別做正火(45鋼正火工藝見圖1;17 CrNiMo6正火工藝見圖2)和退火(45鋼退火工藝見圖3;17 CrNiMo6退火工藝見圖4)處理,正火、退火后檢測結(jié)果見表2。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn),45鋼正火和退火均可以消除混晶及晶粒粗大問題,但對比退火來說,45鋼正火后組織更佳;而17 CrNiMo6正火后仍存在混晶及晶粒偏大問題,退火后消除了混晶及晶粒粗大問題,并且17 CrNiMo6退后后組織為鐵素體+珠光體,而正火后組織為粒狀貝氏體+少量鐵素體。45鋼采用正火,而17 CrNiMo6采用退火進(jìn)行消除混晶及晶粒粗大問題,可以由鋼的加熱及冷卻理論予以解釋:
①對于發(fā)生相變重結(jié)晶的正火和退火,在加熱到AC3以上稍高溫度,由于奧氏體重新形核,保溫適當(dāng)?shù)臅r間后,空冷或者爐冷,都會對鍛后混晶及晶粒粗大組織有一定的改善。
②對比45鋼正火與退火后的組織,雖然混晶與晶粒粗大都能得到消除,但正火相對于退火來說,晶粒更細(xì),這是由于退火是在爐內(nèi)緩慢冷卻,在較高的溫度緩慢冷卻的過程中,晶粒仍有長大的趨勢,這種長大趨勢隨著鍛件截面的增大而增加,因?yàn)榻孛嬖酱蟮腻懠跔t內(nèi)降溫越慢,所以對于較大尺寸的45鋼鍛件不宜采用退火來消除混晶及晶粒粗大,易采用較快的加熱速度與較快的冷卻速度的正火來消除。
③17 CrNiMo6正火后晶粒粗大雖有所改善,但混晶問題依然存在,分析其正火前后的組織不難發(fā)現(xiàn),17 CrNiMo6正火后混晶及晶粒偏大是由于晶粒遺傳所致。晶粒遺傳多發(fā)生在馬氏體及貝氏體鋼中,對于組織中存在馬氏體或貝氏體組織的,也會產(chǎn)生組織遺傳現(xiàn)象。要想避免組織遺傳所導(dǎo)致的混晶及晶粒粗大問題,就必須打破熱處理過程中的組織遺傳現(xiàn)象,相對于正火來說,17 CrNiMo6退火后更容易得到鐵素體+珠光體的平衡組織,這樣就打破了由于貝氏體組織存在所造成的組織遺傳,這樣就能從根本上解決17 CrNiMo6混晶及晶粒粗大的問題。
綜上所述,解決混晶及晶粒粗大問題時,不能一概而論,應(yīng)該根據(jù)材料的化學(xué)成分及其組織而有所取舍,對于合金含量相對較少的45鋼,解決混晶及晶粒粗大優(yōu)先選擇正火,這樣既能達(dá)到目的,也能節(jié)約能源,縮短生產(chǎn)周期;對于合金含量相對較高的17 CrNiMo6,由于其鍛后冷卻過程中易產(chǎn)生不平衡的貝氏體組織,導(dǎo)致組織遺傳,所以采用退火消除組織遺傳,才能達(dá)到消除混晶及晶粒粗大的問題。
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