蘇金虎 梁曉宇 劉建生 安紅萍
(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西030024)
自20世紀(jì)70年代高溫?cái)U(kuò)散成為大型鍛件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),即在高溫狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間地加熱鋼錠,減輕或消除鋼錠中的粗晶組織,以提高大鍛件產(chǎn)品的性能[1]。材料2.25Cr-1Mo-0.25V屬高純凈鎮(zhèn)靜鋼,冶煉工藝采用了電爐+鋼包爐+真空澆注[2],雜質(zhì)含量少,故鋼錠成型后晶粒特別粗大,這就需要后期工藝中對(duì)其進(jìn)行晶粒細(xì)化。為此,我們進(jìn)行了高溫?cái)U(kuò)散對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼組織性能影響的分析研究,為制訂工藝提供依據(jù)。
該材料用于大型機(jī)床設(shè)備的生產(chǎn)制造,其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。
鋼錠解剖后取8塊試樣,規(guī)格為200 mm×200 mm×350 mm,在鋼錠中部沿徑向自中心向外依次切A、B、C、D號(hào)試樣,同樣在鋼錠底部從內(nèi)向外依次切E、F、G、H號(hào)試樣。
表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo-0.25V steel(mass faction, %)
圖1 取樣方法Figure 1 Sampling method
圖2 取樣方法Figure 2 Sampling method
由于鋼錠底部有沉積區(qū),硅酸鹽夾雜較多,反偏析較嚴(yán)重,不利于后期觀(guān)察分析,故先在A(yíng)、B、C、D號(hào)上取樣。沿著軸面在A(yíng)、B、C、D號(hào)試樣上切高60 mm 、厚20 mm,長(zhǎng)貫通A、B、C、D號(hào)試樣,見(jiàn)圖1。
將切下來(lái)的試樣再切成小份,從鋼錠中心到鋼錠邊緣編號(hào)依次為:1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14,見(jiàn)圖2。
將試樣依次研磨、拋光、腐蝕。先后試用了10多種腐蝕劑,效果均不理想,只有在極個(gè)別處暫時(shí)出現(xiàn)樹(shù)枝狀晶粒,見(jiàn)圖3。其余試樣以1、9、14號(hào)為代表,腐蝕效果見(jiàn)圖4。
圖3 樹(shù)枝晶Figure 3 Branches crystal
用金相分析軟件MIAPS-M可測(cè)得所有試樣的晶粒大小,其規(guī)律見(jiàn)圖5。
觀(guān)察上述試樣照片及晶粒大小規(guī)律可發(fā)現(xiàn):
(1)鋼錠空洞疏松很?chē)?yán)重,特別在心部最大空洞連續(xù)長(zhǎng)度可達(dá)104 mm,在別處觀(guān)測(cè)到帶狀分布針孔偏析。
(2)在鋼錠心部裂紋較嚴(yán)重,已形成約20 mm×200 mm的斷面,這在工藝中是很?chē)?yán)重的問(wèn)題。盡管這類(lèi)裂紋可在后期工序中鍛合,但若已形成斷面且有氧化物存在則很難完全鍛合。
圖4 試樣原始組織Figure 4 The original organization of sample
(3)鋼錠沿徑向從里向外依次是:含有部分粗大的柱狀晶的等軸晶區(qū)—柱狀晶區(qū)—細(xì)晶區(qū)。其中細(xì)晶區(qū)晶粒的形狀也是沿徑向的柱狀。這一方面是由于鑄模壁的冷卻作用,另一方面是由于起形核作用的雜質(zhì)數(shù)量較少。從圖5中可見(jiàn)最大的柱晶長(zhǎng)達(dá)38.44 mm,這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了鋼錠的純凈程度。
(4)觀(guān)察到一種特殊現(xiàn)象:一個(gè)晶粒完全被另外一個(gè)晶粒包圍著,這種現(xiàn)象與靜態(tài)再結(jié)晶中發(fā)生在晶粒內(nèi)部的再結(jié)晶相似,尚無(wú)解釋?zhuān)写院筮M(jìn)一步研究。
將試樣在高溫電阻爐內(nèi)分別加熱到1 000℃、1 100℃、1 200℃、1 250℃,每個(gè)溫度下設(shè)4個(gè)不同的保溫時(shí)間0.5 h、1 h、3 h、20 h ,從爐中取出后后立刻水淬。其中溫度的取值聯(lián)系實(shí)際工藝,沒(méi)有列出過(guò)低的無(wú)意義的溫度。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究,保溫20 h時(shí)低倍組織已很均勻,故保溫時(shí)間選擇20 h以?xún)?nèi)。
腐蝕劑選用100 ml過(guò)飽和的苦味酸水溶液體+2 ml的洗潔精,恒溫40℃下腐蝕1 min左右。
將上述腐蝕后的試樣用掃描儀掃描得到下面照片(即沒(méi)有放大倍數(shù)),見(jiàn)圖6。
經(jīng)分析,進(jìn)一步確定鋼錠的原始組織為粒狀貝氏體,由圖6的(a)、(b)、(c)、(d)與試樣的原始組織(圖4)對(duì)比,可看出隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)組織間亮度差逐漸減少,組織越來(lái)越均勻,這符合一般的擴(kuò)散機(jī)理。
將腐蝕后的試樣在電子顯微鏡下放大100倍觀(guān)察并拍照,見(jiàn)圖7。
用金相分析軟件MIAPS-M可測(cè)得所有試樣的晶粒大小,其規(guī)律見(jiàn)圖8所示。
圖6 腐蝕后的試樣組織狀態(tài)Figure 6 Organization of sample after corrosion
圖7 不同條件下的金相照片F(xiàn)igure 7 The pictures in different conditions
圖8 晶粒大小規(guī)律Figure 8 The rule of grain size
分析圖7及晶粒度規(guī)律圖8可發(fā)現(xiàn):
(1)由于材料經(jīng)淬火后可盡可能的保留高溫下的組織形態(tài),故腐蝕后觀(guān)察到的組織狀況可認(rèn)為是由加熱與保溫造成的結(jié)果。隨著加熱溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒逐漸長(zhǎng)大。這可解釋為:本材料是可以發(fā)生固態(tài)相變的材料,在高溫下發(fā)生再結(jié)晶,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),發(fā)生新晶粒產(chǎn)生及長(zhǎng)大過(guò)程,保溫時(shí)間越長(zhǎng)晶粒越大。晶粒在0.5 h時(shí)比在1 h大,可認(rèn)為是原始大晶粒的破碎和新晶粒尚未充分長(zhǎng)大兩個(gè)原因共同造成的。
(2)晶粒大小差異不大,原因是試樣較小,可以被熱透,新生的晶粒有足夠的能量進(jìn)行長(zhǎng)大。試樣有少量殘余的奧氏體,部分存在混晶。
(1)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼作為高純凈鋼,材料中夾雜很少,但晶粒粗大,幾乎沒(méi)有樹(shù)枝晶現(xiàn)象,主要是鋼錠凝固時(shí)熱流散發(fā)相反的方向以柱狀晶的形態(tài)存在。材料成分較均勻,鋼錠中間部位有大量空洞及長(zhǎng)寬很大的斷面狀裂紋,這是個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題。
(2) 高溫?cái)U(kuò)散后組織的狀態(tài)是由加熱溫度與保溫時(shí)間共同造成的結(jié)果。由于再結(jié)晶的原因,隨著加熱溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒逐漸變大,但總體晶粒較細(xì),晶粒大小差異不大。原因是試樣較小,可以被熱透,新生的晶粒有足夠的能量進(jìn)行長(zhǎng)大。
(3)觀(guān)察到一種特殊現(xiàn)象:一個(gè)晶粒完全被另外一個(gè)晶粒包圍著,這種現(xiàn)象與靜態(tài)再結(jié)晶中發(fā)生在晶粒內(nèi)部的再結(jié)晶相似,尚無(wú)解釋?zhuān)写蘸筮M(jìn)一步研究。
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