大規(guī)格5CrNiMo鋼鍛件白點(diǎn)成因及預(yù)防措施

鐘慶元 欒吉哲 孫海濤 田偉 馮文靜 韋鑫

(1.中航上大高溫合金材料股份有限公司，河北 邢臺(tái)054800；2.河北省特種合金再生工程技術(shù)研究中心，河北 邢臺(tái)054800)

5CrNiMo是一種含Cr、Ni、Mo合金較低的熱作模具鋼，具有良好的淬透性，同時(shí)熱處理后也具有良好的韌性、強(qiáng)度和耐磨性，并且室溫和500～600℃時(shí)的力學(xué)性能幾乎相同，在加熱到500℃以上時(shí)，仍能保持適宜的硬度，適合制作形狀復(fù)雜、工作所受沖擊載荷大、要求較高強(qiáng)度和韌性的中大型模具[1]。然而，5CrNiMo熱作模具鋼對(duì)白點(diǎn)比較敏感，極易產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷，并且由于公司生產(chǎn)的鍛件規(guī)格較大，相應(yīng)的鍛材氫溶解度較大，去氫比較緩慢困難，導(dǎo)致退火周期比較長(zhǎng)、能耗大，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。公司從白點(diǎn)成因和預(yù)防措施著手，制定適合內(nèi)部生產(chǎn)的去氫退火工藝，旨在生產(chǎn)的鍛件無(wú)白點(diǎn)缺陷。

1 白點(diǎn)形成原因分析

白點(diǎn)是鍛件中不允許存在的內(nèi)部裂紋缺陷，會(huì)嚴(yán)重降低鋼的力學(xué)性能、破壞鋼的基體連續(xù)性，使鋼的塑性降低，具有極大的危害性，目前常用低倍檢驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)白點(diǎn)的存在[2]。GB/T 1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》中將白點(diǎn)定義為在酸浸試片除邊緣區(qū)域外的部分表現(xiàn)為鋸齒形的細(xì)小發(fā)紋，呈放射狀，同心圓形或不規(guī)則形態(tài)分布的圓形或橢圓形亮點(diǎn)或細(xì)小裂縫，這些是鑒別白點(diǎn)的主要依據(jù)。產(chǎn)生原因是基體中的元素H含量高，隨著鋼材溫度的不斷降低，由于內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生而出現(xiàn)的裂紋缺陷。

白點(diǎn)從來(lái)不在鋼材的表面形成，含有白點(diǎn)的區(qū)域離鍛件表面有約50 mm的距離。與縮孔和氣泡等缺陷不同，白點(diǎn)不是在鋼水凝固過(guò)程中形成的，而是在鍛造、軋制等熱加工后，在鋼材冷卻到比較低的溫度(≤350℃)時(shí)形成的。由于鋼材在冷卻過(guò)程中溫度不斷降低，H在鐵素體基體中的溶解度越來(lái)越小，加之在低溫下會(huì)發(fā)生貝氏體或者馬氏體相變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，則可能逐漸形成白點(diǎn)缺陷。

白點(diǎn)缺陷不是瞬間形成的，而是緩慢形成的，從鍛造結(jié)束到出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱(chēng)為形成白點(diǎn)缺陷的孕育期或潛伏期[3]。正是由于有孕育期或潛伏期的存在，才有可能通過(guò)快冷使白點(diǎn)的形成向更低的溫度轉(zhuǎn)移，直至移至室溫。孕育期的長(zhǎng)短取決于鋼材中的H含量，同時(shí)也和鋼材直徑或厚度規(guī)格有關(guān)，孕育期對(duì)于制定避免白點(diǎn)缺陷的去氫退火工藝有重要的意義。

鋼中含有足夠數(shù)量的H是形成白點(diǎn)的必要條件，而內(nèi)應(yīng)力的存在具有促進(jìn)白點(diǎn)形成的作用。馮艷梅等[4]指出，若只是H含量較高，但鋼材內(nèi)部組織應(yīng)力不大，一般情況也不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷，例如單相的奧氏體鋼或鐵素體鋼，不涉及組織轉(zhuǎn)變，不存在組織應(yīng)力，一般極少出現(xiàn)白點(diǎn)。其次白點(diǎn)缺陷的形成具有延時(shí)性，最長(zhǎng)可在鍛造后20天左右出現(xiàn)。

H以離子或者原子的形式溶入鋼材中，在固態(tài)下形成間隙固溶體，存在于面心立方和體心立方晶格的間隙處。溶解度和晶體結(jié)構(gòu)、H分壓和鋼材溫度等有關(guān)，如圖1所示[5]，當(dāng)發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，H的溶解度發(fā)生較大的變化。在H分壓一定時(shí)，隨著溫度的降低，H的溶解度不斷降低，在快速冷卻時(shí)，H來(lái)不及逸出而成為過(guò)飽和的固溶體，之后將不斷從鋼材表層向外逸出。同時(shí)，H在鋼材內(nèi)部不斷運(yùn)動(dòng)，從而在晶界缺陷處聚集、逸出，逸出的H原子結(jié)合成H分子，即[H]+[H]=H2。H原子結(jié)合成H分子，體積劇烈膨脹，造成巨大的壓力。

圖1 氫溶解度

一般在溫度300℃以上時(shí)，H原子在空隙中析出和結(jié)合為H分子的過(guò)程是可逆的，但是溫度降至300℃以下時(shí)，H分子的分解過(guò)程實(shí)際上會(huì)停止，也就是說(shuō)，此時(shí)H原子的析出并結(jié)合成H分子的過(guò)程是不可逆的，在不可逆析出的情況下，因析出H分子而產(chǎn)生的H分壓將增大，即形成白點(diǎn)的危險(xiǎn)性加大。

2 預(yù)防白點(diǎn)的措施

預(yù)防鋼材中形成白點(diǎn)缺陷的措施主要包括三個(gè)方面[6]：一是冶煉時(shí)盡量減少鋼水中的H含量；二是鍛后創(chuàng)造合理的熱處理?xiàng)l件使H分子不斷從鋼材中擴(kuò)散逸出；三是減少冷卻時(shí)鋼材中的內(nèi)應(yīng)力，特別是組織應(yīng)力。

2.1 鋼水中H含量的控制

一般認(rèn)為鋼材中的H<2.5×10-6時(shí)，內(nèi)部不會(huì)形成白點(diǎn)缺陷，以目前的電弧爐冶煉→LF爐外精煉→VD真空脫氣技術(shù)完全可以使鋼水滿足H<2.5×10-6，即不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷，但不是絕對(duì)的。H在鋼水中的溶解度很小，所形成氣泡的逸出能力遠(yuǎn)小于其所受的外部壓力，因此煉鋼時(shí)不能通過(guò)形成的氣泡排出，而是轉(zhuǎn)變成了H分子，生產(chǎn)時(shí)通過(guò)向鋼水中吹入惰性氣體Ar將其帶出[7]。

冶煉時(shí)為了減少鋼水中的H含量，必須嚴(yán)格執(zhí)行熔煉廠的工藝操作規(guī)程，盡可能減少外部H進(jìn)入鋼水中[8-9]，其次通過(guò)VD真空脫氣進(jìn)一步降低鋼水中的H含量。一般采取以下措施：

(1)煉鋼所用的原材料和返回料表面必須清潔干燥，盡量無(wú)油污和無(wú)氧化；

(2)煉鋼所用的合金料、白灰和螢石需要經(jīng)過(guò)烘烤，盡可能去除內(nèi)部水分；

(3)煉鋼工具要經(jīng)過(guò)充分干燥和烘烤；

(4)煉鋼澆注所用的鋼錠模、底盤(pán)、耐火磚等需要經(jīng)過(guò)烘烤；

(5)爐渣不能太稀，尤其終渣要適當(dāng)黏稠一些；

(6)VD真空脫氣，抽真空至67 Pa以下，保持15 min以上，期間采用惰性氣體Ar氣攪拌；

(7)澆注時(shí)采用惰性氣體Ar保護(hù)澆注，減少鋼水和大氣的接觸。

2.2 擴(kuò)散去氫

為使鋼材中的H快速地、較充分地不斷從基體中擴(kuò)散逸出，通常選擇在鐵素體組織下的較高溫度進(jìn)行擴(kuò)散去氫。因?yàn)闅湓隗w心立方點(diǎn)陣中的溶解度比在面心立方點(diǎn)陣中的溶解度小。而且，氫在體心立方點(diǎn)陣中的擴(kuò)散系數(shù)高于在面心立方點(diǎn)陣中的擴(kuò)散系數(shù)，因此，選擇在體心立方的鐵素體狀態(tài)下加熱要比在奧氏體狀態(tài)加熱更有利于脫氫[10]。

為防止形成白點(diǎn)缺陷，鍛造后可以對(duì)鋼坯施行緩冷工藝或者進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的去氫熱處理。對(duì)于白點(diǎn)敏感性較小的珠光體組織，鍛造后的鋼材通過(guò)緩慢冷卻就足以防止白點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生。鋼材在緩慢冷卻過(guò)程中，氫會(huì)從基體中不斷擴(kuò)散逸出，同時(shí)，緩慢冷卻時(shí)內(nèi)部組織由奧氏體不斷向鐵素體→珠光體轉(zhuǎn)變，當(dāng)鍛材溫度降到250℃以下時(shí)，鋼材停止了組織轉(zhuǎn)變，不再產(chǎn)生組織應(yīng)力。對(duì)于高碳鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼和鉻鎳鎢鋼的大尺寸鍛材來(lái)說(shuō)，緩慢冷卻也將形成貝氏體組織或馬氏體組織，因此內(nèi)部組織應(yīng)力較大。由于組織中存在大量亞結(jié)構(gòu)，氫原子被位錯(cuò)等缺陷禁錮，導(dǎo)致氫的溶解度增大，難以擴(kuò)散逸出，形成白點(diǎn)缺陷的傾向增大，為此，在鍛造結(jié)束后要立即對(duì)鍛件執(zhí)行去氫退火工藝，使氫從鍛材中充分?jǐn)U散逸出，才能有效避免白點(diǎn)[11]。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

3.1 5CrNiMo鋼熱力學(xué)參數(shù)

5CrNiMo鋼的連續(xù)加熱奧氏體化曲線(TTT曲線)見(jiàn)圖2。由圖可知，5CrNiMo鋼的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)：Ac1≈710℃，Ac3≈770℃，Ms≈230℃，5CrNiMo鋼過(guò)冷奧氏體在約650℃時(shí)能夠較快地分解成珠光體組織，故應(yīng)該在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行去氫退火。

圖2 5CrNiMo鋼TTT曲線

3.2 工藝要點(diǎn)

(1)防止白點(diǎn)缺陷的形成，H含量是第一控制要素，內(nèi)應(yīng)力是第二控制要素，設(shè)計(jì)在鐵素體狀態(tài)下進(jìn)行科學(xué)去氫工藝；

(2)去氫退火溫度和保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)鋼材中H含量和鋼材尺寸情況進(jìn)行分等級(jí)設(shè)計(jì)；

(3)對(duì)于大規(guī)格鍛件冷卻速度控制在≤50℃/h，避免內(nèi)應(yīng)力促發(fā)白點(diǎn)。

3.3 去氫退火

公司生產(chǎn)的5CrNiMo模具鋼采用電弧爐冶煉→LF爐外精煉→VD真空脫氣工藝路線，通過(guò)預(yù)防白點(diǎn)措施，使冶煉鋼水中的H含量降至2.0×10-6以下，鍛后采用圖3工藝進(jìn)行去氫退火。初始H含量每增加1.0×10-6，H3保溫時(shí)間增加15～20 h，不足1.0×10-6的按1.0×10-6計(jì)算。不同規(guī)格鍛件去氫退火工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同規(guī)格鍛件去氫退火工藝參數(shù)

圖3 去氫退火工藝

5CrNiMo鍛后空冷至350～450℃左右，使其轉(zhuǎn)變成貝氏體組織，并且H在冷卻過(guò)程中不斷逸出；大鍛件鍛后晶粒度組織不均勻，需要執(zhí)行一段正火工藝使其內(nèi)部重結(jié)晶，得到均勻細(xì)小的晶粒組織，減少內(nèi)部應(yīng)力；300℃溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，然后升溫至650℃，進(jìn)行脫氫；650℃保溫會(huì)最大限度地節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；在650℃等溫后的緩慢冷卻也很重要，在400℃以上的冷卻速度為≤50℃/h，400℃以下的冷卻速度為≤30℃/h，在這樣緩慢的冷卻過(guò)程中，氫在鐵素體中的溶解度不斷降低。料溫降到≤200℃后可以出爐空冷，氫在鐵素體中的含量可降到1.0×10-6以下。緩慢冷卻是防止產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的重要措施，從而消除內(nèi)應(yīng)力的影響。

3.4 生產(chǎn)驗(yàn)證

采用上述圖3去氫退火工藝，2022年前兩個(gè)季度共生產(chǎn)5CrNiMo模具鋼1200多噸，退火后進(jìn)行全面質(zhì)量檢測(cè)，如低倍檢驗(yàn)、超聲檢測(cè)、退火硬度等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)缺陷。

4 結(jié)論

(1)預(yù)防5CrNiMo模具鋼出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷的根本方法是降低冶煉時(shí)鋼水中的H含量，通過(guò)使用干燥的原材料、合理的VD真空脫氣工藝，使H降低至2.0×10-6以下。

(2)鍛后通過(guò)正火工藝使大規(guī)格鍛件組織趨于均勻，減少應(yīng)力的存在，配合去氫退火工藝，進(jìn)一步降低鋼材中的H含量。

(3)控制冷卻速度，防止產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，消除內(nèi)應(yīng)力的影響。