隨著國(guó)家能源項(xiàng)目和石化設(shè)備的大型化、國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展,大型的鋼鍛件層出不窮。鍛件在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多顯微組織缺陷，如鋼中魏氏組織、帶狀組織、貝氏體和一些欠熱組織等。這些缺陷會(huì)影響產(chǎn)品的力學(xué)性能,使產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性降低，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品最終發(fā)生開(kāi)裂、斷裂等。筆者就日常工作中遇到的一些顯微組織缺陷進(jìn)行討論，并分析了組織缺陷產(chǎn)生的原因及其檢驗(yàn)方法，以期減少鍛件缺陷組織的產(chǎn)生,提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
1.1 魏氏組織的形成原因
20鋼鍛件的始鍛溫度為1150~1200 ℃，終鍛溫度為800~850 ℃，正火溫度為910 ℃。鍛件的公稱厚度為90 mm。在正火處理后的鍛件上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖1所示。鍛件的組織為魏氏組織+針狀鐵素體。這種組織有利于提高材料的縱向拉伸性能,但會(huì)使材料的塑性和沖擊韌性變差。
魏氏體是在高溫鍛造時(shí)形成的，鍛造溫度過(guò)高，奧氏體晶粒長(zhǎng)得異常粗大，粗大的奧氏體在較快的冷卻速率下會(huì)形成一種過(guò)熱組織,其組織特征為先共析鐵素體從奧氏體晶界沿一定的晶面向晶內(nèi)生長(zhǎng)，并呈針片狀析出,即在一個(gè)粗大的奧氏體晶粒內(nèi)會(huì)形成許多平行的鐵素體針片,這種過(guò)熱組織稱為鐵素體魏氏組織。將終鍛溫度控制在820~840 ℃，可以抑制鋼中的奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大，將冷卻速率在控制在10~25 ℃/s，可以避免材料產(chǎn)生魏氏組織。
粗大魏氏組織是鋼的一種過(guò)熱缺陷組織，其片狀鐵素體粗大，在組織中形成了局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，尤其是沖擊韌性的下降更為明顯。但只有因奧氏體粗化、出現(xiàn)粗大魏氏組織并嚴(yán)重切割基體時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和韌性顯著降低。
1.2 魏氏組織的評(píng)定方法
依據(jù)新修訂的GB/T 13299—2022《鋼的游離滲碳體、珠光體和魏氏組織的評(píng)定方法》對(duì)魏氏組織的級(jí)別進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)中明確了試樣的取樣位置，
試樣檢驗(yàn)面垂直于鋼帶或鋼板等鋼材的縱軸。該方法適用于元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%~0.50%的鋼材，選取試樣檢驗(yàn)面上最嚴(yán)重的視場(chǎng)進(jìn)行評(píng)級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)中
根據(jù)碳元素含量分為A 系和B系，A 系適用于碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%~0.30%的魏氏組織評(píng)級(jí)，B系適用于碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.31%~0.50%的魏氏組織評(píng)級(jí)。評(píng)級(jí)時(shí)根據(jù)圖片中有無(wú)魏氏組織、魏氏組織的形貌特征將魏氏組織分為0~5級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)中表3給出了各級(jí)別魏氏組織的具體描述。
1.3 魏氏組織的改善方法
可以采用改變塑性變形程度、降低加熱溫度、降低冷卻速率、改變熱處理工藝等方法來(lái)消除魏氏組組織。正火處理是消除魏氏組織最經(jīng)濟(jì)、有效的方
法，具體方法為：將工件加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上30~50℃,保溫一段時(shí)間后,將工件從爐中取出，在空氣中進(jìn)行噴水、噴霧、吹風(fēng)冷卻等處理。
對(duì)20鋼正火處理，得到了正常的鐵素體+珠光體組織，其中大部分鐵素體呈塊狀，有少量鐵素體呈針狀,魏氏組織為2級(jí)(見(jiàn)圖2)。20鋼經(jīng)正火處理后，其魏氏組織級(jí)別明顯降低，材料的屈服強(qiáng)度為320MPa，抗拉強(qiáng)度為489 MPa，斷后伸長(zhǎng)率30%，0 ℃條件下的沖擊吸收能量為152,143,148 J。
2、低合金鋼中的帶狀組織
2.1 帶狀組織的形成原因
Q420NE鋼鍛件的生產(chǎn)工藝為：始鍛溫度為1150~1200℃，終鍛溫度為800~850℃，正火溫度為900℃，回火溫度為620℃。對(duì)Q420NE鋼進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，可見(jiàn)Q420NE鋼中存在典型的帶狀組織。
帶狀組織是鍛件鋼中經(jīng)常出現(xiàn)的組織缺陷之一，帶狀組織沿軋制或者鍛造方向延伸排列、成層狀分布、形同條帶的鐵素體晶粒與珠光體交替呈帶(見(jiàn)圖
3)。帶狀組織產(chǎn)生原因是鋼材在熱變形后的冷卻過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，鐵素體優(yōu)先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸，導(dǎo)致鐵素體形成條帶,鐵素體條帶之間為珠光體,兩者相間成層分布,最終產(chǎn)生了帶狀組織。
帶狀組織的存在破壞了鋼組織的均勻性，形成各向異性，壓力加工時(shí)，帶狀組織邊界易發(fā)生開(kāi)裂。
對(duì)于后續(xù)熱處理的零件，帶狀組織會(huì)導(dǎo)致其熱變形增大。因此，帶狀組織會(huì)降低鋼的橫向塑性、沖擊韌性和斷面收縮率,造成產(chǎn)品的冷彎性能不合格、沖壓廢品率高、熱處理時(shí)容易變形等不良后果。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)通常會(huì)根據(jù)用途規(guī)定其允許的帶狀級(jí)別。
2.2 帶狀組織的評(píng)定方法
依據(jù)GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第1部分:標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》對(duì)帶狀組織級(jí)別進(jìn)行評(píng)定。該標(biāo)準(zhǔn)中明確了帶狀組織評(píng)定時(shí)試樣的取
樣位置及試樣的檢驗(yàn)狀態(tài)，試樣檢驗(yàn)面應(yīng)平行于鋼材的縱軸。該標(biāo)準(zhǔn)適用于碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.60%的鋼材，實(shí)際視場(chǎng)直徑為0.80mm，選取試樣檢驗(yàn)面上各視場(chǎng)中最嚴(yán)重視場(chǎng)與評(píng)級(jí)圖譜進(jìn)行對(duì)比評(píng)級(jí)。帶狀組織評(píng)級(jí)圖由白、黑兩類組織組成，白色是鐵素體，黑色是第二類組織。評(píng)定鋼中帶狀組織時(shí),根據(jù)鐵素體條帶的數(shù)量、寬度，以及鐵素體條帶貫穿視場(chǎng)的程度、連續(xù)性確定帶狀組織的級(jí)別。標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)鋼材的碳元素含量共分為A~E系，圖譜的級(jí)別分為0~5級(jí)。圖3中Q420NE鋼中帶狀組織組織比較明顯,鐵素體和珠光體交替呈帶狀，依據(jù)GB/T34474.1—2017，Q420NE鋼的帶狀組織為3級(jí)。
還可以依據(jù)GB∕T 34474.2—2018 《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第2部分:定量法》對(duì)帶狀組織級(jí)別進(jìn)行評(píng)定，該方法采用了數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,提供了帶狀組
織取向度等參數(shù)，是一種比較科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法，適用于除鐵素體外的其他帶狀組織，使用范圍較廣。該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定時(shí)需要隨機(jī)截取5個(gè)以上視場(chǎng)，然后對(duì)帶狀組織特征對(duì)象的數(shù)點(diǎn)和截點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，再帶入相關(guān)公式進(jìn)行定量計(jì)算,最后得到鋼材的帶狀組織級(jí)別。該方法避免了人為的不確定因素，但需要大量的分析計(jì)算，導(dǎo)致其使用率不高。
2.3 帶狀組織的改善方法
以亞共析鋼為例，帶狀組織形成的原因有：在鍛造溫度低于鐵素體轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，鐵素體從奧氏體中析出，在兩相組織共存的情況下繼續(xù)進(jìn)行鍛造變形
時(shí)，進(jìn)而形成了鐵素體和奧氏體的帶狀組織，而奧氏體在后續(xù)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，因此，在室溫環(huán)境下,沿著鍛件主要加工方向形成了鐵素體和珠光體
的帶狀組織；鍛造時(shí)，鋼材中的雜質(zhì)或者偏析元素沿著主要加工方向分布,鑄錠中的粗大枝晶沿變形方向被拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，從而形成了碳及合金元素的貧化帶,貧化帶彼此交替、堆疊,在緩慢冷卻的條件下，先在碳及合金元素貧化帶處析出先共析鐵素體，將多余的碳元素排入兩側(cè)的富化帶,最終形成以鐵素體為主的條帶，然后碳及合金元素富化帶形成以珠光體為主的條帶，最終形成了鐵素體和珠光體的帶狀組織。
因此，需要提高鍛造的溫度，并延長(zhǎng)保溫時(shí)間，鍛造時(shí),要多次、多方向、大變形量地進(jìn)行鐓粗和拔長(zhǎng)，最大限度地打碎鑄錠中的枝晶和偏析，特別是大型鍛件，一定要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)冷和水霧冷卻,加快正火時(shí)的冷卻速率。
3、低合金鋼中的貝氏體
3.1 貝氏體的形成原因
18CrNiMo6鋼正火后的顯微組織形貌如圖4所示，可見(jiàn)18CrNiMo6 鋼的組織為貝氏體。35CrMo鋼調(diào)質(zhì)后的顯微組織形貌如圖5所示，可見(jiàn)35CrMo鋼的組織為貝氏體。
在金屬熱處理過(guò)程，貝氏體在珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍之間形成。超過(guò)該溫度范圍形成的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為上貝氏體，低于該溫度范圍形成轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為下貝氏體。一般在低碳合金鋼鍛造正火中出現(xiàn)的是上貝氏體或者粒狀貝氏體。圖4中18CrNiMo6鋼的組織為上貝氏體+粒狀貝氏體，上貝氏體會(huì)降低鍛件的低溫沖擊性能。在淬火時(shí)，冷卻速率過(guò)慢也會(huì)產(chǎn)生貝氏體，圖5中35CrMo鋼為淬火冷卻不足而形成的貝氏體，在后續(xù)的調(diào)質(zhì)中貝氏體被保留下來(lái)。
3.2 貝氏體的改善方法
對(duì)于合金含量較高的低合金鋼,在正火時(shí)緩慢進(jìn)行冷卻,使其完全生成鐵素體和珠光體,避免產(chǎn)生貝氏體。
對(duì)于需要淬火的中碳合金鋼,在淬火時(shí)要快速冷卻,盡量使其完全生成馬氏體,為后續(xù)調(diào)質(zhì)組織做好準(zhǔn)備。
對(duì)于正火形成的貝氏體，可以采用重新正火的方式將其去除。對(duì)于淬火形成的貝氏體，需要對(duì)鋼材重新進(jìn)行淬火處理，并使用冷卻性能更好的介質(zhì)或加快冷卻介質(zhì)的循環(huán)，以去除鋼材中的貝氏體。
4、低合金鋼中的欠熱組織
4.1 欠熱組織的形成原因
Q355NE鋼的顯微組織如圖6 所示，可見(jiàn)Q355NE鋼存在欠熱組織。欠熱組織通常表現(xiàn)為：珠光體為呈典型的片層狀,而是呈針狀或桿狀。
在金屬熱處理過(guò)程中,工件和熱處理爐溫的不均勻會(huì)使材料出現(xiàn)欠熱組織,欠熱組織會(huì)降低鋼材的硬度和強(qiáng)度。欠熱珠光體的形成原因?yàn)?正火的溫度較低，沒(méi)有使組織完全奧氏體化，但碳元素在調(diào)質(zhì)升溫中已經(jīng)發(fā)生擴(kuò)散,使珠光體中的滲碳體片層逐漸消失,轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀、棒狀的滲碳體，最終形成了正火欠熱組織。
4.2 欠熱組織的評(píng)定方法
依據(jù)GB/T 13299—2022《鋼的游離滲碳體、珠光體和魏氏組織的評(píng)定方法》對(duì)珠光體級(jí)別進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試樣的取樣位置，且試樣檢驗(yàn)面應(yīng)平行于鋼材的縱軸。該標(biāo)準(zhǔn)適用于碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%~0.30%的鋼材。 該標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)碳元素含量分為A~C系，A 系適用于對(duì)碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為
0.10%~0.20%的冷軋鋼中粒狀珠光體進(jìn)行評(píng)定，B系適用于對(duì)碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%~0.20%的熱軋鋼中細(xì)粒狀珠光體進(jìn)行評(píng)定，C系適用于對(duì)碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%~0.30%的熱軋鋼中珠光體進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)圖片中粒狀或塊狀珠光體的尺寸、帶狀分布程度及貫穿視場(chǎng)的連續(xù)性等對(duì)珠光體進(jìn)行評(píng)定，主要分為0~5級(jí)。
4.3 欠熱組織的改善方法
將鋼材的正火溫度調(diào)高至920℃，對(duì)鋼材重新進(jìn)行正火處理,可以生成正常的鐵素體+珠光體組織，且鋼材的低溫性能良好。
5、結(jié)論
綜合上述分析，鍛件鋼的各種缺陷組織會(huì)影響其力學(xué)性能。采用重新正火的方法可以去除鋼材中的魏氏組織；多次、多方向地對(duì)鋼材進(jìn)行大變形量鐓
粗和拔長(zhǎng)，以及加快鋼材正火時(shí)的冷卻速率等可以去除鋼材中的帶狀組織；將鋼材熱處理后進(jìn)行緩慢冷卻，可以避免產(chǎn)生貝氏體;提高鋼材的正火溫度，可以去除鋼材中的欠熱組織。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
