大型中間軸55鋼鍛件晶粒度控制研究

張博 ，于保寧 ，楊杜航 ，梁帥，王繼業(yè)

1.洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2.中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

1 序言

55鋼中間軸作為傳動(dòng)部分的關(guān)鍵部件，在軋機(jī)工作時(shí)，需要承受的扭矩力較大[1]，這就需要嚴(yán)格要求中間軸鍛件的超聲波檢測和力學(xué)性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[2]。然而，由于55鋼中間軸鍛件尺寸較大，生產(chǎn)過程極易發(fā)生組織性能的不均勻，產(chǎn)生局部粗晶現(xiàn)象[3]。因此，為了滿足中間軸鍛件的性能要求，必須通過工藝解決其粗晶問題[4]。

55鋼在高溫下塑性變形時(shí)，受到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的作用，組織內(nèi)晶粒重新形核、長大，此時(shí)的晶粒度較小[5]。然而，當(dāng)鍛造結(jié)束后，鍛件仍停留在高溫區(qū)，原本細(xì)化的晶粒將繼續(xù)長大[6]。因此，在鍛造55鋼大型中間軸鍛件時(shí)，粗晶現(xiàn)象極易發(fā)生在最終鍛造環(huán)節(jié)，這就需要控制好鍛造的終鍛溫度[7]，避免晶粒過度長大。

當(dāng)由于偶然因素導(dǎo)致55鋼中間軸鍛造生產(chǎn)與工藝出現(xiàn)偏離時(shí)，極易發(fā)生鍛件局部晶粒粗大，組織不均勻等質(zhì)量穩(wěn)定[8]。因此，在鍛造完成后，鍛件一般要進(jìn)行正火處理，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻內(nèi)部組織的作用[9]。在正火處理時(shí)，正火溫度對(duì)最終效果起到?jīng)Q定性作用，正火溫度過高，將使鍛件內(nèi)部晶粒進(jìn)一步粗大，正火溫度過低，會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降[10]。

本文研究了55鋼材料的奧氏體粗化規(guī)律，分析導(dǎo)致其晶粒嚴(yán)重粗大的臨界溫度；設(shè)計(jì)了55鋼材料的正火試驗(yàn)，研究該材料最佳正火溫度；基于試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)55鋼中間軸鍛件的加工工藝，有效地解決了其局部粗晶問題。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用鍛態(tài)55鋼坯料，Ac1為722℃，Ac3為745℃，化學(xué)成分見表1。制取12個(gè)尺寸為25mm×25mm×25mm的55鋼正方形試塊。首先，進(jìn)行55鋼奧氏體粗化試驗(yàn)，將6個(gè)試塊分別加熱到820℃、860℃、890℃、920℃、950℃和980℃，保溫2h，水冷保留高溫組織；其次，進(jìn)行正火試驗(yàn)，將其余6個(gè)試塊分別加熱到770℃、800℃、830℃、860℃、890℃和920℃，保溫2h，空冷至室溫；最后，試樣進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕后，觀察金相組織。

表1 55鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粗化溫度對(duì)55鋼晶粒大小的影響

材料晶粒粗化的本質(zhì)原因是高溫能夠?qū)υ訑U(kuò)散和晶界移動(dòng)起促進(jìn)作用，從而降低晶界能，導(dǎo)致晶界總面積減小，晶粒尺寸增大[11]。不同溫度下55鋼的顯微組織如圖1所示，測得晶粒度大小見表2。從圖1、表2可看出，在820～920℃的溫度內(nèi)，55鋼的晶粒粗化現(xiàn)象不明顯，晶粒度由8.5級(jí)降低到7.5級(jí)。當(dāng)55鋼加熱溫度達(dá)到950℃時(shí)，其內(nèi)部晶界能降低到臨界，使晶界面積大量減少，因此其晶粒發(fā)生了嚴(yán)重粗化，晶粒度等級(jí)由7.5級(jí)降低到3.5級(jí)。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制55鋼鍛件的終鍛溫度≤950℃，避免鍛造結(jié)束后，鍛件內(nèi)部晶粒過度長大[12]。

圖1 不同粗化溫度下55鋼的微觀組織

表2 不同粗化溫度對(duì)55鋼晶粒度的影響

3.2 正火溫度對(duì)55鋼晶粒大小的影響

不同正火溫度下55鋼的顯微組織如圖2所示，測得晶粒度大小見表3。當(dāng)正火溫度為770℃時(shí)，細(xì)小且分散的鐵素體均勻分布在晶粒內(nèi)部，尚未聚集到晶界，此時(shí)晶粒度為8級(jí)。正火溫度為800℃時(shí)，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，晶粒度為8.5級(jí)，而晶界處有大量連續(xù)的網(wǎng)狀鐵素體析出，網(wǎng)狀鐵素體的存在不僅會(huì)增加材料的組織應(yīng)力，降低其力學(xué)性能[13]，而且在超聲波檢測環(huán)節(jié)，將顯示出嚴(yán)重的草狀波，呈現(xiàn)出“粗晶”波形，影響檢測結(jié)果。采用830℃正火時(shí)，雖然晶粒大小無明顯變化，但晶界處的網(wǎng)狀鐵素體含量明顯減少[14]。進(jìn)一步提高正火溫度到860℃時(shí)，網(wǎng)狀鐵素體得到消除。然而，當(dāng)正火溫度＞890℃，晶粒將逐漸變大，晶粒度降低到7.5級(jí)。

圖2 不同正火溫度下55鋼的微觀組織

表3 不同正火溫度對(duì)55鋼晶粒度的影響

3.3 55鋼中間軸鍛件工藝改進(jìn)措施

根據(jù)55鋼粗化溫度試驗(yàn)及正火試驗(yàn)，在后續(xù)鍛造55鋼中間軸時(shí)，將鍛出成品的終鍛溫度控制在820～920℃；在鍛后熱處理階段，調(diào)整正火溫度為860℃，正火工藝如圖3所示。

圖3 55鋼中間軸鍛件正火工藝

對(duì)成品中間軸鍛件進(jìn)行超聲波檢測與力學(xué)性能檢測，結(jié)果見表4。由表4可看出，通過改進(jìn)工藝生產(chǎn)的中間軸鍛件未發(fā)生局部粗晶現(xiàn)象，且力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[15]。

表4 55鋼中間軸鍛件檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

1）當(dāng)材料不發(fā)生塑性變形，55鋼材料組織僅受到溫度的影響時(shí)，溫度在820～920℃，可以得到細(xì)小的晶粒，晶粒度為7.5～8.5級(jí)；溫度在950℃以上時(shí)，晶粒將嚴(yán)重粗化，晶粒度迅速降低到3.5級(jí)。

2）當(dāng)正火溫度在770～830℃時(shí)，55鋼晶粒度達(dá)到8.5級(jí)，組織內(nèi)部存在大量均勻分散粒狀鐵素體或聚集在晶界處的網(wǎng)狀鐵素體；當(dāng)正火溫度為860℃時(shí)，網(wǎng)狀鐵素體消失；繼續(xù)提高正火溫度到890～920℃時(shí)，材料組織內(nèi)部的晶粒開始長大。

3）改進(jìn)55鋼中間軸工藝措施，終鍛溫度控制在820～920℃，正火溫度選擇860℃，成品鍛件晶粒度及性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，有效地解決了超聲波檢測出現(xiàn)粗晶的問題。