Z2CN18-10不銹鋼鍛件的再結(jié)晶與晶粒細(xì)化

朱寶偉 宋麗娟

(泰安市山口鍛壓有限公司，山東271038)

Z2CN18-10不銹鋼大鍛件在生產(chǎn)中需要多火次的高溫鍛造，容易造成粗晶。如果在鍛造完成后產(chǎn)品晶粒較粗，可以根據(jù)其熱變形后奧氏體的組織特征，通過(guò)不同的工藝參數(shù)控制其進(jìn)行靜態(tài)下的高溫再結(jié)晶，從而進(jìn)一步使晶粒得到細(xì)化。

1 試驗(yàn)材料

鍛造采用VODC鋼錠。試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。試樣取自距端面距離20 mm、距圓周表面距離40 mm的?1 430 mm×450 mm的管板和?4 000/3 800 mm×500 mm的鍛制環(huán)。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of tested steel (mass fraction,%)

2 金相分析

由于奧氏體不銹鋼在實(shí)際鍛造生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)表面開(kāi)裂，所以在管板鍛制過(guò)程中先采用小變形量的多次鍛造，最后一次采用變形量約為15%的大變形量鍛造。管板鍛態(tài)金相組織如圖1所示。鍛制環(huán)鍛態(tài)金相組織如圖2所示。

圖1 管板鍛態(tài)金相組織(100×)Figure 1 The forging microstructure of tube sheet (100×)

圖2 鍛制環(huán)鍛態(tài)金相組織(100×)Figure 2 The forging microstructure of forged ring(100×)

圖3 鍛制環(huán)1 010℃×40 min固溶處理后的金相組織(100×)Figure 3 The microstructure of forged ring after solution treatment of 1 010℃×40 min (100×)

圖4 鍛制環(huán)1 050℃×40 min固溶處理后的金相組織(100×)Figure 4 The microstructure of forged ring after solution treatment of 1 050℃×40 min (100×)

圖5 管板1 050℃×40 min固溶處理后的金相組織Figure 5 The microstructure of tube sheet after solution treatment of 1 050℃×40 min

圖1中管板鍛后組織晶粒較為粗大且被拉長(zhǎng)，局部有碎化的晶粒。由于高溫鍛造，晶粒中有遺留的滑移線。圖2中鍛制環(huán)由于變形量很大，組織中遺留的滑移線很多，晶粒都被分割拉長(zhǎng)，晶界已經(jīng)模糊。鍛制環(huán)與管板在高溫鍛后，其組織中都蘊(yùn)含有由于塑性變形所形成的能量及大量位錯(cuò)滑移，兩者都具有再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力及形核的條件。

對(duì)試樣在1 010℃、1 050℃、1 080℃分別保溫40 min進(jìn)行固溶處理。鍛制環(huán)試樣在1 010℃保溫40 min條件下，組織已經(jīng)開(kāi)始再結(jié)晶，但組織不均勻，晶粒中的滑移線依然可見(jiàn)，如圖3所示。當(dāng)溫度提高到1 050℃保溫40 min后，晶粒變得均勻細(xì)小，如圖4所示。

管板試樣在1 010℃保溫40 min后組織晶界已變得相對(duì)平直，晶粒拉長(zhǎng)現(xiàn)象已經(jīng)不明顯，但是晶粒還是較粗大，如圖5所示。當(dāng)溫度提高到1 050℃保溫40 min后，其組織較1 010℃時(shí)的變化不大，組織晶粒度基本沒(méi)有變化。但是當(dāng)溫度繼續(xù)提高到1 080℃保溫40 min時(shí)組織改變已經(jīng)很明顯(圖6)。晶粒已經(jīng)明顯得到細(xì)化，但是晶粒相對(duì)鍛制環(huán)晶粒還是較粗大。

由于以上兩試樣在鍛制完成后就立即入水固溶，所以保持了其鍛造后的組織原貌。圖1顯示，其組織處于部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)。圖2中由于鍛制環(huán)變形量很大，取樣位置相對(duì)靠外，終鍛時(shí)接近表皮的溫度相對(duì)較低，組織仍然保持著塑性變形后的原貌，組織還未進(jìn)行再結(jié)晶。對(duì)比以上的兩組試樣發(fā)現(xiàn)，雖然再結(jié)晶后的晶粒都得到了細(xì)化，但是鍛制環(huán)固溶溫度要比管板的低，而且鍛制環(huán)最后得到的晶粒也要比管板的細(xì)小。這是因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)了強(qiáng)烈塑性變形后的鍛制環(huán)內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)滑移，同時(shí)密度增大，組織內(nèi)部的儲(chǔ)存能較大，其再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也就越大，所以其再結(jié)晶所需要的溫度要低于管板。由于原始組織晶粒的影響，再結(jié)晶后鍛制環(huán)的晶粒要比管板晶粒細(xì)小。

圖6 管板1 080℃×40 min固溶處理后的金相組織Figure 6 The microstructure of tube sheet after solution treatment of 1 080℃×40 min

圖7 試樣在不同溫度保溫40 min固溶處理后的力學(xué)性能Figure 7 The mechanical properties of specimens after solution treatment under different holding temperatures for 40 min

為驗(yàn)證再結(jié)晶后組織性能是否仍能滿足要求，現(xiàn)將經(jīng)不同溫度保溫40 min固溶后的試樣加工為?10 mm的拉伸試樣，獲得數(shù)據(jù)如圖7所示。

隨固溶溫度的提高，試樣組織再結(jié)晶進(jìn)行程度也有所不同。經(jīng)1 010℃固溶處理后，強(qiáng)度略有下降，塑性略有提高；經(jīng)1 050℃固溶處理后，強(qiáng)度顯著下降，塑性變化不大；經(jīng)1 080℃固溶處理后，強(qiáng)度下降不明顯，塑性變化不大。因此可以看出，隨著再結(jié)晶的進(jìn)行，組織的強(qiáng)度有所下降，塑性提高。

3 結(jié)論

對(duì)不同變形量條件下的Z2CN18-10鍛件，若多火次鍛造完畢后發(fā)現(xiàn)組織晶粒度不能滿足要求，則可以根據(jù)其鍛態(tài)金相組織的狀況制定熱處理工藝，通過(guò)靜態(tài)再結(jié)晶的方法來(lái)進(jìn)一步的細(xì)化晶粒，但受原始組織的影響再次晶粒細(xì)化程度有差別。在相同條件下，變形量越大，其再結(jié)晶的溫度越低，經(jīng)高溫再結(jié)晶的晶粒越均勻細(xì)小。晶粒越小，其再結(jié)晶的溫度同樣也較低。再結(jié)晶后組織的強(qiáng)度下降，塑性有所提高。

[1] 呂炎，等編著.鍛件的組織性能控制.1988版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.

[2] 徐祖耀著.金屬材料熱力學(xué).1983版.北京：科學(xué)出版社.