大型鍛件的晶粒細(xì)化研究

文／鄧軍，史翔煒，潘曉東·南京博大重型鍛造有限公司

大型鍛件的晶粒細(xì)化研究

文／鄧軍，史翔煒，潘曉東·南京博大重型鍛造有限公司

在生產(chǎn)大型12Cr2Mo1閥蓋鍛件時(shí)，鍛造后發(fā)現(xiàn)鍛件晶粒粗大、超聲波探傷性較差，為解決此類問(wèn)題我們提出了兩種熱處理解決方案，并對(duì)兩種方案鍛件晶粒度的改善情況進(jìn)行了對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)控制形核重結(jié)晶的熱處理方案在解決此類問(wèn)題時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。

我公司近期為國(guó)內(nèi)某機(jī)械公司生產(chǎn)了一批大型12Cr2Mo1閥蓋鍛件(圖1），鍛件重量為8130kg。鍛件經(jīng)鍛造、鍛后熱處理后UT探傷，發(fā)現(xiàn)有大量草狀波，聲波訊號(hào)衰減，底波降低量超標(biāo)，判定為鍛件內(nèi)部晶粒粗大。

問(wèn)題分析

大型鍛件冶煉、鍛造的特點(diǎn)

大型鍛件由于原始鋼錠尺寸巨大，結(jié)晶過(guò)程緩慢，因而鑄造組織異常粗大，鍛造周期長(zhǎng)，加熱次數(shù)多，而且鍛比小，變形分布不均，加熱速度慢，在高溫區(qū)停留時(shí)間很長(zhǎng)，并有無(wú)鍛比加熱現(xiàn)象存在，再加之某些重要大鍛件用鋼的組織遺傳傾向還十分強(qiáng)烈等，故往往在鍛造之后鍛件內(nèi)部晶粒十分粗大而且很不均勻。

為了全面提高大型鍛件的性能水平、降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度、改善其超聲波探傷性能，必須使鍛件內(nèi)部晶粒組織細(xì)化和均勻。

問(wèn)題產(chǎn)品的選材及相關(guān)生產(chǎn)流程的分析

圖1 閥蓋鍛件圖

針對(duì)此批12Cr2Mo1閥蓋鍛件，在對(duì)各項(xiàng)實(shí)際生產(chǎn)資料分析后發(fā)現(xiàn)，鍛件形狀不規(guī)則，臺(tái)階差大，由于水壓機(jī)成形的特殊性，最后一火是利用漏盤模具成形的臺(tái)階，最后一火變形量小(小端甚至不變形）、終鍛溫度高等，分析后我們認(rèn)為這些因素很可能就是導(dǎo)致鍛件內(nèi)部晶粒粗大的直接原因。

另外，12Cr2Mo1材料過(guò)冷奧氏體相對(duì)穩(wěn)定且具有較為明顯的組織遺傳特性，故原始的粗大奧氏體晶粒和鋼錠的各種偏析在經(jīng)過(guò)鍛造、奧氏體化重結(jié)晶后依然全部或部分地被保留了下來(lái)。這種遺傳現(xiàn)象，再加上上述的一些客觀因素對(duì)鍛造成形方式的限制，最終造成了鍛件內(nèi)部晶粒組織的嚴(yán)重粗大。

■ 表1 12Cr2Mo1閥蓋鍛件原材料的化學(xué)成分

■ 表2 熱處理臨界點(diǎn)參數(shù)

圖3 熱處理方案2

兩種細(xì)化晶粒的熱處理解決方案

原材料化學(xué)成分與熱處理臨界點(diǎn)參數(shù)

此批12Cr2Mo1閥蓋鍛件原材料的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，熱處理臨界點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表2。依此判定，最合理的奧氏體化溫度為900～930℃。

常規(guī)重結(jié)晶與控制形核重結(jié)晶熱處理解決方案

經(jīng)分析我們認(rèn)為，大型鍛件內(nèi)部晶粒組織粗大的主要解決手段為加快奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫升和進(jìn)行多次奧氏體化重結(jié)晶。而對(duì)于我公司生產(chǎn)的這批12Cr2Mo1閥蓋鍛件來(lái)說(shuō)，加熱速度已達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的極限，無(wú)再大幅提升的可能，因此通過(guò)一次或多次的有效形核和重結(jié)晶來(lái)控制晶粒細(xì)化的過(guò)程才是更為有效的解決方式。

為此，在常規(guī)細(xì)化晶粒的熱處理工藝基礎(chǔ)上我們進(jìn)行了一批控制形核的細(xì)化工藝，提出了兩種熱處理方案，具體操作如下：相同的問(wèn)題鍛件4件，編號(hào)A、B與C、D，分為兩組分別采用這兩種不同的熱處理方案進(jìn)行晶粒細(xì)化。

熱處理方案1的工藝曲線如圖2所示，熱處理方案2的工藝曲線如圖3所示。

兩種熱處理方案的結(jié)果對(duì)比

A、B兩件采用熱處理方案1，經(jīng)一次處理后鍛件粗晶情況幾乎無(wú)改善；反復(fù)按此工藝執(zhí)行2～3次，超聲波探傷見(jiàn)草狀波有所減少，鍛件部分區(qū)域具備可探性。

C、D兩件采用熱處理方案2，經(jīng)一次處理后鍛件粗晶情況完全改善，草狀波完全消失，本體全部具備可探性，內(nèi)部晶粒得到了有效的細(xì)化。

結(jié)束語(yǔ)

12Cr2Mo1材料的組織遺傳特性雖然比Cr-Ni-Mo-V系等高淬透性鋼種的遺傳程度輕微，但是在鍛造過(guò)程受到成形方式的限制，或鍛造溫度和變形情況控制不當(dāng)時(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的遺傳現(xiàn)象。采用常規(guī)重結(jié)晶(熱處理方案1）的方式，不能有效地改善遺傳晶粒；而采用控制形核重結(jié)晶(熱處理方案2）的方式，使鍛件經(jīng)過(guò)在兩相區(qū)上沿的不完全奧氏體化轉(zhuǎn)變過(guò)程，可使核心得到強(qiáng)化，經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行重新奧氏體化，便可得到更為細(xì)化的奧氏體晶粒，從而使鍛件內(nèi)部晶粒組織粗大的問(wèn)題得到徹底解決。

鄧軍，技術(shù)部副部長(zhǎng)，熱處理工程師，主要從事核電、軍工、壓力容器、冶金等各行業(yè)用大型鍛件的熱處理工藝研究和開(kāi)發(fā)工作，擁有4項(xiàng)發(fā)明專利和1項(xiàng)實(shí)用新型專利。