34CrNi3MoV鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，可用來制造火炮的管身、高壓釜等構(gòu)件。但其生產(chǎn)過程中由于熱加工、熱處理工藝不當(dāng)容易造成混晶或粗大晶粒，這將降低材料的力學(xué)性能，特別是韌性。本文研究了34CrNi3MoV鋼高壓釜在生產(chǎn)過程中晶粒的長(zhǎng)大過程，分析了混晶的形成原因并制定了相應(yīng)的消除措施。
1、試驗(yàn)用鋼及方法
試驗(yàn)用鋼采用內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)特殊鋼廠生產(chǎn)的34CrNi3MoV鋼，經(jīng)過冶煉、鍛造成大型鍛件，其化學(xué)成分如表1所示。
取樣進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)，應(yīng)用金相顯微鏡和Quanta400型環(huán)境掃描電子顯微鏡分析組織結(jié)構(gòu)變化，并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)相結(jié)合，研究確定科學(xué)合理的工藝規(guī)范。
2、生產(chǎn)工藝及混晶組織
34CrNi3MoV鋼大鍛件，直徑為Φ335ｍｍ，長(zhǎng)為6530mｍ。生產(chǎn)工藝路線為：煉鋼(VD)→鑄錠→鍛造→正火→去氫退火→粗加工→正火→調(diào)質(zhì)→精加工，工藝流程如圖1所示。
去氫退火后進(jìn)行機(jī)械加工，最終熱處理為正火＋調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)質(zhì)處理后的晶粒度不均勻，有混晶現(xiàn)象，如圖2所示，晶粒度級(jí)別為：3～4級(jí)粗晶粒約占70％，8級(jí)約占30％。由于混晶，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均不能滿足使用要求。
3、生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的混晶及粗大組織
為找出最終熱處理后出現(xiàn)混晶的原因，本試驗(yàn)結(jié)合生產(chǎn)工藝過程，利用金相分析法對(duì)每一步工藝處理的試樣（12ｍｍ×8ｍｍ×8ｍｍ）進(jìn)行晶粒度測(cè)定（定量法）及組織觀察和分析。
由于34CrNi3MoV鋼在去氫退火前要進(jìn)行鍛造加工。在實(shí)際鍛壓生產(chǎn)中停鍛溫度多在950℃以上，鍛后空冷，冷卻速度較慢，晶粒較為粗大且不均勻，在中溫貝氏體區(qū)等溫停留（如圖1的第1階段）得到貝氏體＋馬氏體＋少量殘留奧氏體的整合組織。對(duì)這種粗大的非平衡組織加熱奧氏體化，然后在860℃進(jìn)行重結(jié)晶（如圖1的第3段），加熱時(shí)間較長(zhǎng)，由于組織遺傳，新形成的奧氏體晶粒會(huì)繼承原始粗大的晶粒，此時(shí)，粗大的奧氏體晶粒空冷到350℃（見圖1的第5段），目的是正火細(xì)化晶粒。但是，由于該鋼屬于貝氏體鋼，在350℃等溫時(shí)，粗大的奧氏體晶粒經(jīng)過空冷，得到了粗大的貝氏體組織，再重新加熱到640℃保溫脫氫（如圖1的第7段）。
雖然氫的含量可以降低到1.8×10-4以下，不會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)，但組織仍然較為粗大，而且還保留著貝氏體條片的方向性，貝氏體鐵素體并沒有再結(jié)晶，金相觀察確認(rèn)為回火托氏體組織，如圖3所示。
去氫退火后，粗加工，最終進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。在調(diào)質(zhì)處理之前進(jìn)行一次正火，目的是細(xì)化晶粒，但是實(shí)際上這次正火沒有達(dá)到細(xì)化組織的目的。因?yàn)橐赃@種粗大的托氏體組織加熱奧氏體化，在890℃進(jìn)行重結(jié)晶，加熱時(shí)間又很長(zhǎng)，新形成的奧氏體晶粒繼承了原始的粗大組織。由于該鋼屬于貝氏體鋼，粗大的奧氏體晶粒經(jīng)過正火，發(fā)生了組織遺傳。以此種有序的方向性明顯的粗晶組織進(jìn)行奧氏體化，然后空冷正火，又一次得到了粗大的貝氏體組織。
最后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，將粗大的貝氏體組織又一次加熱奧氏體化，則造成組織遺傳。在加熱保溫過程中，將回復(fù)原來粗大的奧氏體晶粒。由于大鍛件加熱保溫時(shí)間過長(zhǎng)，奧氏體晶粒還發(fā)生了異常長(zhǎng)大現(xiàn)象,大晶粒吞噬小晶粒，結(jié)果是造成了混晶，如圖2所示?；炀ЫM織降低了鋼的沖擊韌度，危害嚴(yán)重，應(yīng)予以消除。
34CrNi3MoV鋼大鍛件的原熱處理工藝存在一定的不合理性，即不應(yīng)該將正火后得到的貝氏體＋馬氏體組織作為調(diào)質(zhì)的預(yù)備組織，而應(yīng)當(dāng)以退火平衡組織作為淬火的預(yù)備組織。
4、混晶組織形成機(jī)理
鋼在加熱過程中，奧氏體晶粒將隨加熱溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷長(zhǎng)大。在晶粒正常長(zhǎng)大過程中，隨時(shí)間延長(zhǎng)晶粒雖不斷長(zhǎng)大，但晶粒尺寸基本保持均勻；當(dāng)高于一定溫度后將發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大，此時(shí)將嚴(yán)重影響工件淬火后的力學(xué)性能。
晶粒的長(zhǎng)大是通過晶界的遷移和晶粒的合并實(shí)現(xiàn)的，其驅(qū)動(dòng)力來自晶界移動(dòng)后體系總的自由能下降。已知有不均勻因子存在時(shí)，由界面能提供晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力Ｐ為：
式中：σ-界面能，ρ-小晶粒半徑，Ｚ-不均勻因子。同時(shí)存在第二相顆粒對(duì)晶界的釘扎作用，其形成的阻力為：
式中：ｆ-第二相顆粒的面積分?jǐn)?shù)，ｒ-第二相顆粒半徑，σ-界面能。由此可見，為減弱奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向，必須降低晶界移動(dòng)驅(qū)動(dòng)力Ｐ和增大長(zhǎng)大阻力Ｆ。
不均勻因子Ｚ可用已知加熱條件下最大晶粒直徑和平均晶粒直徑的比值來表示，由于組織中存在相起伏，不均勻因子Ｚ＞1，由公式（1）可知，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力與不均勻因子Ｚ呈增函數(shù)關(guān)系。當(dāng)在正常奧氏體溫度下保溫時(shí)，不均勻因子很低；但在高溫加熱時(shí)不均勻因子很明顯，極易出現(xiàn)奧氏體晶粒的異常長(zhǎng)大。溫度太高，造成第二相粒子較少的情況下，所提供的阻力不足以克服晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力受粒子分布不均勻的誘發(fā)，已形成的奧氏體除了大晶粒吞并小晶粒之外，在一些晶界阻力不均勻的地方，還發(fā)生“圈地式”吞并，其結(jié)果是形成混晶，造成不均勻因子顯著增大。這時(shí)只有在恒溫下長(zhǎng)時(shí)間保持，當(dāng)奧氏體長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力與同溫度下相應(yīng)的晶界阻力平衡時(shí)，奧氏體晶粒將逐步趨于均勻一致，直至晶界平直化，不均勻因子又將降低，盡管此時(shí)晶粒實(shí)際已粗化。故不均勻因子在每一溫度段隨晶粒長(zhǎng)大先增后減，是材料奧氏體化過程中重要的行為特征。
通過分析，34CrNi3MoV鋼中的混晶是在組織遺傳的基礎(chǔ)上，在高溫保溫過程中，不均勻因子繼續(xù)增加而造成的。通過調(diào)整加熱工藝或原始組織，有可能利用較小的起始晶粒度和不均勻因子的這種行為特征，使已形成的奧氏體晶粒預(yù)先均勻化，以降低不均勻因子，來有效控制奧氏體晶粒在最終奧氏體化過程中的長(zhǎng)大。這為混晶的消除奠定了理論基礎(chǔ)。
5、消除混晶組織的方法
混晶是在合中常常出現(xiàn)的一種組織缺陷，合金鋼的組織遺傳在生產(chǎn)實(shí)踐中較為常見，鋼的合金化程度越高，加熱速度越快，越容易在鋼中出現(xiàn)組織遺傳性，原始組織是影響組織遺傳的重要因素。通常，原始組織為貝氏體組織遺傳性較強(qiáng)，為此必須將原始的非平衡組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織。將原始的非平衡組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織的熱處理手段較多，如完全退火、不完全退火、A1溫度下的高溫回火即再結(jié)晶退火等。本試驗(yàn)采用完全退火工藝：860℃奧氏體化，保溫一定時(shí)間，然后爐冷至640℃等溫一定時(shí)間，再爐冷至室溫，得到組織如圖4所示。
從掃描電鏡照片圖4可以看出，得到的組織確為珠光體＋鐵素體平衡組織，只是有的地方珠光體不能連續(xù)成片狀而成斷續(xù)的片狀。這種經(jīng)過相變重結(jié)晶的平衡組織破壞了組織遺傳的可能性。試驗(yàn)檢測(cè)，退火后的原奧氏體晶粒度級(jí)別大約為（6～8）級(jí)。以此種組織再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，就會(huì)得到較為細(xì)小的回火索氏體組織，晶粒度為11級(jí)，混晶確已消除如圖5所示。
對(duì)最終熱處理后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，結(jié)果如表2所示。性能檢驗(yàn)表明，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)合格。
6、結(jié)論
（1）34CrNi3MoV鋼鍛造后組織粗大，正火＋調(diào)質(zhì)后容易出現(xiàn)混晶，嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能。
（2）混晶是由于組織中先出現(xiàn)粗大晶粒，隨后在奧氏體化溫度下保溫時(shí)，由于組織遺傳使粗大晶粒再次發(fā)生異常長(zhǎng)大而造成。
（3）調(diào)整大鍛件熱處理工藝，用完全退火工藝取代調(diào)質(zhì)處理前的正火工藝，使不平衡組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織 ，可以隔斷組織遺傳，消除混晶。
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