1Cr12Mo鋼晶粒細(xì)化熱處理工藝的研究

   針對(duì)1Cr12Mo耐熱鋼調(diào)質(zhì)熱處理后晶粒粗大的問(wèn)題進(jìn)行晶粒細(xì)化熱處理工藝的研究。提出了多種晶粒細(xì)化熱處理工藝方法，并對(duì)其處理結(jié)果進(jìn)行比較。指出該材料最佳的晶粒細(xì)化熱處理工藝是：兩次亞溫淬火＋高溫回火工藝。1前言       晶粒度是大型鑄鍛件的一個(gè)重要驗(yàn)收指標(biāo)。晶粒粗大不僅使大型鍛件性能惡劣、壽命降低，而且使其在超聲波探傷時(shí)出現(xiàn)草狀波，聲波信號(hào)迅速衰減，底波消失，以致無(wú)法通過(guò)超聲波探傷對(duì)工件內(nèi)部質(zhì)量情況作出判斷。為了全面提高大型鑄鍛件的性能水平、降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度、改善其超聲波探傷性能，必須使其晶粒細(xì)化和均勻。對(duì)于大多數(shù)由碳素鋼或合金元素較少（鋼的過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較差）的鋼種制成的大型鑄鍛件來(lái)說(shuō)，可對(duì)其實(shí)施退火、正火和調(diào)質(zhì)處理，通過(guò)由α-Fe至γ-Fe和γ-Fe至α-Fe的相變重結(jié)晶即可使鍛件內(nèi)部的粗大晶粒得到細(xì)化。但是對(duì)于含Cr等合金元素較多的高淬透鋼（如26Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo、20CrNi4、18Cr2Ni4Ｗ 等）來(lái)說(shuō)，由于鍛件冷卻得到的往往是非平衡組織（貝氏體或馬氏體），而且在重新加熱通過(guò)臨界區(qū)時(shí)又不可能獲得較快的加熱速度，便為粗大的原始晶粒恢復(fù)與遺傳造成了比較充分的條件。所以對(duì)于由高淬透性鋼制成的大型鍛件，為了比較地改造和細(xì)化十分粗大的不均勻的原始奧氏體晶粒組織，往往需要采用比較復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的熱處理工藝。我公司在生產(chǎn)1Cr12CrMo材料噴嘴組時(shí)，其熱處理后晶粒粗大現(xiàn)象極為普遍，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量；為此我們對(duì)如何細(xì)化晶粒進(jìn)行了研究。21Cr12Mo鋼噴嘴組的生產(chǎn)工藝及熱處理性能結(jié)果    公司投產(chǎn)了兩爐1Cr12CrMo鋼噴嘴組，具體化學(xué)成分見表1，1Cr12CrMo鋼噴嘴組具體尺寸見圖1，力學(xué)性能要求見表2，生產(chǎn)工序如下：煉鋼-鍛造-鍛后熱處理-粗加工-超聲波探傷-力學(xué)性能熱處理-力學(xué)性能試驗(yàn)。該鋼在我公司熱處理后發(fā)現(xiàn)晶粒度過(guò)大，檢驗(yàn)不合格。具體力學(xué)性能熱處理工藝參數(shù)見圖2、圖3。力學(xué)性能檢驗(yàn)果見表3、表4。

      據(jù)有關(guān)資料，大型鑄鍛件晶粒粗大主要由于：① 原始尺寸巨大，結(jié)晶過(guò)程緩慢，因而鑄造組織異常粗大。② 鍛造周期長(zhǎng)，加熱次數(shù)多，而且鍛比小,變形分布不均勻。③ 加熱速度很慢，在高溫區(qū)停留時(shí)間很長(zhǎng)；④ 無(wú)鍛比加熱現(xiàn)象的存在；⑤ 某些重要大鍛件用鋼的組織遺傳（structuralinheritance）傾向十分強(qiáng)烈等原因,往往在鍛造之后,內(nèi)部晶粒十分粗大而且不均勻。我們分析1Cr12Mo鋼噴嘴組調(diào)質(zhì)熱處理后晶粒粗大主要因?yàn)橐陨蠋c(diǎn)原因造成的。    由表3、4顯示,兩爐1Cr12Mo鋼噴嘴組無(wú)論經(jīng)正火還是調(diào)質(zhì)處理,其力學(xué)性能都能滿足圖紙技術(shù)要求,只是調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度和韌性指標(biāo)高出正火處理許多,但晶粒度不理想。隨后又熱處理了幾組件,也存在類似問(wèn)題。為找到最佳的晶粒細(xì)化工藝參數(shù),我們投了4組試料進(jìn)行晶粒細(xì)化熱處理試驗(yàn)。3晶粒細(xì)化熱處理試驗(yàn)      考慮到鍛件晶粒粗大可能是受鍛造時(shí)高溫過(guò)熱的影響,我們先對(duì)第1組試樣進(jìn)行高溫退火＋調(diào)質(zhì)熱處理,對(duì)第2組試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。退火的目的是調(diào)整和改善大型鍛件在鍛造過(guò)程中形成的過(guò)熱和粗大組織,降低鍛件內(nèi)部化學(xué)成分與金相組織的不均勻性,細(xì)化奧氏體晶粒。具體工藝參數(shù)見圖4。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

      由表5數(shù)據(jù)可知看高溫退火對(duì)工件細(xì)化晶粒的效果不明顯,說(shuō)明高溫退火解決不了1Cr12Mo鋼噴嘴組晶粒粗大問(wèn)題。       資料表明，鍛件加熱時(shí)影響奧氏體晶粒大小的因素比較多,其中加熱溫度與保溫時(shí)間起著決定性的作用。加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)、晶粒越粗大,同時(shí)鋼的化學(xué)成分、原始組織及升溫時(shí)的加熱速度等,均對(duì)鋼的晶粒度大小有影響。為此我們制定了5組熱處理工藝參數(shù),見圖5中Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ圖。把試樣分為4組（化學(xué)成分見表6）,分別執(zhí)行正火＋淬火＋高溫回火、正火＋亞溫淬火＋高溫回火、正火＋兩次亞溫淬火＋高溫回火、兩次亞溫淬火＋高溫回火熱處理工藝。

3.1　正火＋淬火＋高溫回火     第1組件執(zhí)行Ａ、Ｂ、Ｅ工藝?即高溫正火＋淬火＋高溫回火。該工藝為晶粒細(xì)化通用的熱處理工藝,第一次正火加熱到奧氏體化溫度,保溫一段時(shí)間后快冷到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)以獲得均勻的珠光體組織；第二次淬火加熱溫度選用Ac3＋(30～50）℃,這樣既保證充分奧氏體化,又保持奧氏體晶粒的細(xì)小。若加熱到遠(yuǎn)高于Ac3溫度淬火，則奧氏體晶粒會(huì)顯著粗大。淬火后獲得淬火馬氏體組織,經(jīng)回火后獲得噴嘴組要求的力學(xué)性能。第一次正火溫度比第二次淬火溫度至少高20℃,否則晶粒細(xì)化效果不理想。噴嘴組經(jīng)上述工藝處理后結(jié)果力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表7。     表7顯示,噴嘴組經(jīng)高溫正火＋淬火＋高溫回火后強(qiáng)度、塑韌性變化不大,晶粒得到細(xì)化。3.2　高溫正火＋亞溫淬火＋高溫回火    第2組件執(zhí)行Ａ、Ｃ、Ｅ工藝?即高溫正火＋亞溫淬火＋高溫回火。第一次正火加熱到奧氏體化溫度?保溫一段時(shí)間后快冷到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)以獲得均勻的珠光體組織。亞溫淬火工藝方法主要是通過(guò)提高材料屈強(qiáng)比和沖擊韌性來(lái)發(fā)揮結(jié)構(gòu)鋼性能的潛力。亞溫淬火時(shí)因出現(xiàn)細(xì)小而均勻分布的鐵素體,可抑制可逆回火脆性。ak值與回火溫度成正比例增加,與常規(guī)淬火工藝相比,在獲得相等硬度的情況下具有更高韌性,且可抑制應(yīng)力集中并阻礙裂紋萌生及擴(kuò)展。亞溫淬火組織中存在未溶鐵素體,使奧氏體中碳和合金元素含量增加,淬火后存在少量穩(wěn)定的殘余奧氏體,亦可阻止裂紋的萌生與擴(kuò)展。亞溫淬火可降低有害雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏聚,起到凈化晶界作用。亞共析鋼淬火加熱溫度選擇低于Ac3的溫度,此時(shí)鋼尚未奧氏體化，存在有部分未轉(zhuǎn)變的鐵素體,淬火后鐵素體仍保留在淬火組織中,所以在同一溫度回火條件下,亞溫淬火后的硬度、強(qiáng)度指標(biāo)較正常溫度淬火略低。具體檢驗(yàn)結(jié)果見表8。     將表8與表7進(jìn)行對(duì)比可知,噴嘴組經(jīng)高溫正火＋亞溫淬火＋高溫回火工藝處理后,比經(jīng)高溫正火＋淬火＋高溫回火處理后強(qiáng)度有所下降,而韌性得到了明顯提高,晶粒細(xì)化效果也不錯(cuò)。3.3　高溫正火＋兩次亞溫淬火＋高溫回火      第3組件執(zhí)行Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ工藝,即高溫正火＋兩次亞溫淬火＋高溫回火。此方案的目的主要是了解多次亞溫淬火對(duì)工件力學(xué)性能和晶粒度的影響,想經(jīng)兩次亞溫淬火后獲得更為細(xì)小的晶粒組織。處理后的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表9。      將表9與表8進(jìn)行對(duì)比可知,與之前的工藝相比,噴嘴組經(jīng)高溫＋兩次亞溫淬火＋高溫回火工藝處理后,其強(qiáng)度、塑韌性指標(biāo)基本不變,晶粒細(xì)化效果提高也不大。3.4　兩次亞溫淬火＋高溫回火    第4組件執(zhí)行Ｃ、Ｄ、Ｅ工藝曲線,即兩次亞溫淬火＋高溫回火。此方案的目的主要是了解工件不經(jīng)過(guò)高溫正火,直接進(jìn)行兩次亞溫淬火對(duì)工件力學(xué)性能和晶粒度的影響。處理后的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表10。    由表10、表9、表8所示的結(jié)果可知,噴嘴組經(jīng)兩次亞溫淬火＋高溫回火工藝處理后與之前的工藝相比,其強(qiáng)度、塑韌性指標(biāo)基本不變,晶粒細(xì)化效果相當(dāng)。4結(jié)論    通過(guò)以上試驗(yàn)可知,噴嘴組經(jīng)過(guò)上述4種熱處理工藝處理后,其力學(xué)性能、晶粒細(xì)化效果相當(dāng)。但從生產(chǎn)周期及能源消耗方面看,高溫正火＋兩次亞溫淬火＋高溫回火熱處理周期最長(zhǎng),能源消耗最大；兩次高溫正火＋高溫回火次之；高溫正火＋亞溫淬火＋高溫回火和兩次亞溫淬火＋高溫回火工藝能源消耗最少?？紤]到噴嘴組鍛后已進(jìn)行了正火＋高溫回火處理,所以最終我們選用了兩次亞溫淬火＋高溫回火工藝。實(shí)際生產(chǎn)顯示,該工藝方案效果良好,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。